粗粒料缩尺效应研究初探

结合粗粒土缩尺效应的研究现状,从室内试验和数值模拟两方面,分析了粗粒料缩尺效应研究方法中存在的问题,并提出了相应的解决办法,有利于加快粗粒料缩尺效应的研究进展。     

筑坝材料缩尺效应及其对阿尔塔什面板坝变形及应力计算的影响

针对阿尔塔什混凝土面板坝工程,基于超大型三轴仪(试样直径800 mm,最大粒径为160 mm)和传统大型三轴仪(试样直径300 mm,最大粒径为60 mm)固结排水剪切试验结果,研究了筑坝材料缩尺效应及其对阿尔塔什面板坝竣工期坝体变形及应力计算的影响。主要结论有:阿尔塔什筑坝砂砾料与人工开采的灰岩爆破料变形特性的缩尺效应规律相反,砂砾料超大型三轴试验的邓肯张E-B模型模量参数k和k_b约为大型三轴的1.3~1.4倍;灰岩爆破料大型三轴试验的模量参数k和kb约为超大型三轴的1.2~1.4倍。大型三轴试验的邓肯张E-B模型参数无法反映上游砂砾料与下游灰岩爆破料的变形模量差异,导致沉降计算规律与实际不符,超大型三轴试验的模型参数可以很好地反映由于上游砂砾料变形模量高于下游灰岩爆破料而产生的不均匀沉降,计算结果在分布规律及量值上相比大型三轴试验的参数更接近于实测值。     

对粗粒料4种级配缩尺方法的统一解释

利用连续级配土的级配方程,对规范建议的剔除法、相似级配法、等量替代法和混合法缩尺后的级配计算进行了理论推导,并得出了一个统一的计算方程,同时揭示了该方程的4个参数d_(max),b,m和C与原级配方程参数d_(0max),b_0和m0之间存在的定量关系。结果表明:4种方法的新参数m=m0,剔除法和相似级配法C=0,剔除法和等量替代法b=b_0×P_(dmax)~0/100,等量替代法C与P_(dmax)~0和细颗粒含量P_5有关;与规范相比,可以简化级配缩尺计算,特别是对于混合法,可以先直接确定缩尺后的细颗粒含量P_5,通过一次计算即可得到缩尺后的级配方程,且其参数b和C都与所确定的P_5有关;缩尺后的统一方程揭示了各缩尺后的级配参数与原级配参数间的关系,在一定程度上使得定量、系统地研究缩尺效应成为可能。最后,利用该统一方程对糯扎渡堆石料的4种缩尺级配进行了计算演示,本方法与按规范计算结果基本一致。     

粗粒土抗剪强度的缩尺效应规律试验研究

抗剪强度是评价土体稳定性的重要指标,研究缩尺效应对粗粒土抗剪强度的影响,对高土石坝工程土体强度估算有重要的理论意义和应用价值。根据前人的研究,颗粒最大粒径d_max和级配结构两部分变化是导致缩尺后试样存在缩尺效应的主要原因,其中级配结构可由级配面积S作为特征参数表示。通过改变试样的d_max和S,设计了24组不同级配试样,利用大型直剪仪对各组试样进行直剪试验,从而定量研究颗粒最大粒径和级配结构对粗粒土抗剪强度的影响规律。研究结果表明：粗粒土的抗剪强度指标黏聚力c和内摩擦角φ均表现出随着d_max增大而增大的规律,且c和φ均与d_max呈对数函数关系;黏聚力c和内摩擦角φ随着S的减小而增大,到达某一特定值后呈略微减小的趋势,并根据相应试验数据分别建立c和φ与S的关系式。最后,基于试验结果建立了考虑缩尺效应的粗粒土抗剪强度的预测模型,并用相关文献试验数据验证了该模型对不同类型粗粒土的适用性。     

粗粒料的变形特性和缩尺效应

粗粒料的变形特性和缩尺效应王继庄（昆明水电勘测设计院，６５００５１）１前言随着粗粒料测试技术水平的日益提高，粗粒料（如碎石料、砂砾料、石碴料、砾质土、风化料等）作为筑坝材料的优越性日益被人们认识和应用。６０年代初，粗粒料作为高土石坝的筑坝材料已成功地...     

粗粒料的大型高压三轴湿化试验研究

采用大型高压三轴仪，对黑河土石坝的坝壳料进行了不同应力水平的湿化试验研究，通过对试验结果的分析，揭示了在高压三轴条件下湿化试验的湿化变形特点；并通过与高压三轴试验资料的对比分析，论述了湿化试验的抗剪强度特性。     

粗粒料浸水变形分析方法的改进

 首先分析单线法、双线法各自的优点和缺点,提出试验方面用单线法试验结果修正双线法试验结果,但计算方面仍用双线法计算的思路。其次进行粗粒料大三轴单线法和双线法湿化变形试验,对浸水变形特性进行研究,发现单线法和双线法试验结果之间的一些规律,并引用其他学者的试验结果进行验证,同样成立;同时,对该规律的机制进行探讨;基于该规律,提出一个改进的浸水变形分析方法。最后分别用改进方法和双线法对试验结果进行预测,预测结果表明,改进方法计算结果和试验结果更加吻合。     

缩尺效应对粗粒料压实密度影响的试验研究

堆石料的级配缩尺后的试验替代料与原级配料的试验结果之间存在一定的差异,弄清这种差异对准确把握原级配堆石料的力学性质十分重要。将缩尺效应归结为最大粒径和级配结构两部分变化产生的影响。利用土的连续级配方程结合相似级配法缩尺的思路,设计了大量最大粒径分别为20,40和60 mm的试验级配。对各级配粗粒料进行了表面振动压实试验,研究了最大粒径和级配结构对粗粒料压实密度的影响。最大粒径和级配结构对粗粒料压实密度的影响可以用一定的函数形式定量表述,建立了考虑缩尺效应的粗粒料压实密度的预测模型,探讨了该模型对不同性质粗粒料的适用性,并用多组室内最大干密度试验数据进行了验证。此外,提出了一种能够定量研究粗粒料缩尺效应的思路。     

基于透明土的填土密实度对土拱效应影响模型试验研究

土拱效应广泛存在于岩土工程中。开展基于透明土的活动门试验,研究填土密实度对土拱效应演化的影响。研究表明,密实度较低的填土,较小的相对位移就可以达到土拱稳定阶段,提高填土密实度有利于土拱效应的发挥;填土密实度对内拱高度无影响,但对外拱有显著影响;相对位移在0～3%时,位移反射率迅速上升,而后逐渐趋稳,提高密实度有利于减弱基地差异沉降向上反射。研究将为填土密实度对土拱演化过程的影响提供参考。     

基于状态参数的筑坝粗粒土本构模型

粗粒土的应力应变关系与其密实度有着密切的关系。当前常用的粗粒土本构模型无法考虑密实度对其力学行为的影响,在粗粒土三轴试验基础上建议了一个基于状态参数的粗粒土双屈服面模型,推导了其应力应变表达式。该模型能够反映不同初始孔隙比条件下粗粒土的峰值强度、剪胀性、应变硬化或软化规律。通过与多组粗粒土三轴试验结果比较,验证了模型的适应性。     

关于土石坝心墙水力劈裂研究的一些思考

从发生条件、力学机理、试验研究和数值模拟等方面对土石坝心墙的水力劈裂问题进行了初步探讨。研究结果表明：（1）其发生条件至少包括物质条件和受力条件两个方面；（2）力学机理可以从断裂力学的角度进行揭示，判别准则可以基于断裂力学的理论建立；（3）试验研究中试样的边界条件和受力状态能够近似模拟心墙上游面的实际情况；（4）在弄清水力劈裂的发生条件、力学机理的基础上，通过试验研究建立合理的水力劈裂判别准则,对水力劈裂的发生发展过程进行数值模拟，是研究水力劈裂问题的有效途径。     

土石坝心墙水力劈裂计算方法研究

 总结比较并分析几种土石坝心墙水力劈裂分析判定方法,即总应力法、综合法和有效应力法,分析各种方法的优缺点。结合瀑布沟、两河口心墙堆石坝,利用这几种方法分别进行心墙水力劈裂分析,比较各种方法之间的差异,论证综合法的合理性。建议合理的总应力法或综合法的水力劈裂判定准则,指出目前常用有效应力分析法的不足与改进方法。定义一种判定水力劈裂的安全系数,可方便利用此系数进行水力劈裂判定及不同方法比较。3种方法计算的心墙抗水力劈裂安全系数表明,有效应力法的安全系数较大。所分析的两土石坝心墙能够满足抗水力劈裂要求。     

超粒径粗粒土最大干密度试验研究

 采用逐级剔除粗粒料，对剩余料进行最大干密度试验的方法，进行大量超粒径粗粒土最大干密度试验研究，通过对试验结果的分析，指出粗粒土最大干密度与剔除量、剩余量之间存在线性相关性，提出可通过系列延伸法间接求取超粒径粗粒土最大干密度。     

岩石断裂表面分形测量的尺度效应

分形几何用于定量描述复杂的自然现象和不规则物体已有许多成功的范例,如岩石断裂表面粗糙度的测量。然而,岩石断裂表面粗糙度一般不具有自相似分形性质。因此,表面分表测量结果受尺度的影响。通过对不同试件长度、测量尺规和测量食品分辨率的实际测量结果,分析了岩石断裂表面分形测量中的尺度效应,提出了可靠的分形测量的途径。     

堆石体应力变形的尺寸效应研究

 首先,基于前人的室内试验数据和随机散粒体不连续变形(SGDD)模型数值试验成果分析尺寸效应对堆石体瞬时变形的影响,结果表明：不考虑堆石体蠕变效应时,在相同的应力状态下,大尺寸试样的抗剪强度及抗变形能力均较小尺寸试样有所提高,表现出更“硬”的特点;其次,分别在尺寸为f50 cm×100 cm(颗粒最大粒径为10 cm)和f30 cm×60 cm(颗粒最大粒径为6 cm)的应力式三轴仪上进行堆石体蠕变试验,研究堆石体蠕变的尺寸效应,结果表明,尺寸效应对堆石体蠕变特性的影响显著,大尺寸试样的最终蠕变量明显大于小尺寸试样,而尺寸效应对蠕变速率因子λ的影响并无明显规律;最后,综合分析尺寸效应对堆石体总变形(瞬时变形+蠕变变形)的影响,从总体上看,大尺寸试样的总变形大于小尺寸试样。     

乌东德拱坝坝肩三维抗滑稳定分析

 基于非线性有限元分析,采用三维有限差分程序FLAC3D,对乌东德拱坝联合坝肩岩体进行三维弹塑性数值模拟。由拱座岩体内不连续裂隙产状确定9个可能滑动楔块。将有限元计算的应力值通过插值转移到楔块滑面上,以滑面内短小裂隙建议连通率为依据折减滑面抗剪强度,采用三维矢量和法计算楔块安全系数。弹塑性计算结果表明,坝肩岩体在荷载条件下位移、应力分布基本对称河谷,但是受近坝断层F15,f42及K25岩溶系统影响,右坝肩受影响范围略大于左岸。正常蓄水条件下9个楔块具有较高的安全裕度,温升荷载导致大部分楔块稳定性降低,温降荷载主要对右坝肩稳定不利。地震荷载条件下,所有楔块稳定性大幅降低,平均降低30%,最大降低53.9%,坝肩岩体整体仍能保持稳定。     

拱坝基础不对称性影响研究

结合国内外一些由于两岸基础不对性造成拱坝的影响实例，基于多次的地质力学模型试验和三维有限元计算分析，就锦屏一级高拱坝地形、地质条件不对性对拱坝整体稳定的影响和加固措施的选择进行了探讨。试验和数值结果均显示：上游坝踵拉应力偏大，下游出现拉应力。坝体应力不对称；左岸变形大于右岸，并且出现斜裂缝，超载能力偏低。通过研究，建议采用垫座及锚索等加固措施，使大坝整体处于平稳状态。     

灰岩单轴压缩实验室尺度效应研究

尺度效应广泛存在于缺陷材料中,尺度效应根源于材料的非均匀性。而目前尺度效应研究大都沿用混凝土材料强度负幂率尺度效应研究成果。通过细观结构分析发现,岩石材料和混凝土材料存在较大差别。以灰岩为试验材料,通过单轴压缩试验,获得岩石材料的单轴抗压强度与应力–应变曲线等试验数据,进而分析研究岩石材料的尺度效应及其影响因素,得到与混凝土材料不同的尺度效应规律。研究结果表明：灰岩材料内部的缺陷层次直接决定岩样的强度、变形破坏方式等力学性质;每种非均匀岩石材料都存在一个明显的特征尺度,它与岩石材料内部微缺陷的构造层次(微缺陷自身尺度大小及其相对于岩样尺度的大小)密切相关;岩石材料的尺度效应根源于材料的非均匀性,而并非试件与加载端头之间的端部摩擦效应所造成。     

基于工程类比的小湾拱坝安全评价

 将工程类比法推广到拱坝极限承载力的研究,对于小湾拱坝等超高拱坝,由于其条件复杂,工程规模巨大,简单按照规范设计是不够的,应该以已建工程为对比对象,通过类比研究确定合理的安全标准。基于相同网格尺寸、相同材料模型以及相同计算软件,以已建工程二滩和Kolnbrein加固前后作为类比研究对象,对小湾拱坝的坝踵开裂及极限承载力进行研究。以超大规模精细有限元模型精确模拟坝体的底缝和地基的地形、断层、蚀变带加固措施以及建基面卸荷带,以全面评估地质条件对极限承载力的影响。分析结果表明：小湾拱坝极限承载能力要明显强于Kolnbrein加固前后,略逊于二滩。但正常工作条件下帷幕的安全裕度不大。