颗粒破碎效应对堆石坝应力变形的影响

颗粒破碎对堆石体的变形有重大影响,颗粒破碎除与母岩强度有关外,与应力状态密切相关,高堆石坝堆石体的大部分变形正是高应力场下颗粒破碎的反映。沈珠江院士提出的南水双屈服面模型虽可以较全面地反映堆石体的变形特性,但未充分考虑颗粒破碎引起的剪缩特性,因此坝体变形计算结果往往偏小,适用于中低堆石坝的分析中。本文的计算方法在南水双屈服面模型的基础上,考虑了堆石体在一定应力状态下颗粒破碎引起的应变,较真实地反映了堆石体的变形特性,可为堆石坝尤其是高堆石坝的应力变形研究提供更为合理的结果。     

高聚物胶凝堆石料静力特性试验研究

采取加固措施可提高土体抗剪强度、减小变形等。采用聚氨酯高聚物胶凝堆石料加固土石坝以改良堆石料强度、变形特性。开展了聚氨酯胶凝堆石料三轴剪切试验研究,结果表明：聚氨酯胶凝堆石料偏应力-轴向应变曲线具有明显的非线性,抗剪强度提高;采用抛物线拟合偏应力-轴向应变曲线,可反映其应变软化和应变硬化,并得到初始弹性模量随聚氨酯含量的提高而提高;聚氨酯泡沫填充堆石颗粒间孔隙并将堆石颗粒黏结在一起,减少颗粒破碎、颗粒重排列,使堆石料剪缩特征减弱,当聚氨酯含量高时表现出剪胀;聚氨酯增加了堆石料准黏聚力,对内摩擦角无明显影响。通过有限元方法对堆石坝变形和稳定性进行分析,结果表明,聚氨酯加固堆石坝可减少边坡浅层滑动,增大滑弧深度,提高坝坡稳定安全系数。     

颗粒劣化效应的堆石料流变细观数值模拟

堆石料流变的主要机理是由于水位变化、降雨入渗、日晒雨淋等环境因素导致堆石料发生性质劣化,与此同时,颗粒发生高接触应力-破碎和重新排列-应力释放、调整和转移,这一过程由于颗粒的持续劣化而不断重复。在考虑颗粒破碎的堆石体不连续变形分析方法(SGDD)中,引入颗粒强度劣化模型反映颗粒强度随外界环境的持续劣化。应用该方法进行堆石料三轴流变数值试验,模拟结果与室内试验所观察到的规律一致,表明考虑流变效应的SGDD方法抓住堆石料流变的主要机理,适合模拟堆石料的流变变形这一复杂的、非线性演化问题。数值试验结果表明,堆石料随外界环境的劣化程度、劣化速率、母岩强度对宏观流变变形有较大影响。     

堆石料三维形状量化及其对颗粒破碎的影响

筑坝堆石料由于尺寸较大,必须对其按一定比例缩尺后才能用来开展室内三轴试验。但缩尺前后颗粒形状难免会有差异,如何评价颗粒形状变化对堆石料变形特性的影响是十分重要的。引入了高精度的三维激光扫描技术对紫坪铺面板坝筑坝堆石料2.5～5、5～10、10～20 mm以及20～40 mm 4个粒径组的颗粒进行了空间形状分析,在此基础上进一步开展了单一粒组的三轴试验,研究了4个粒组的颗粒形状指标与颗粒破碎率的相关性。试验表明,紫坪铺堆石料颗粒破碎率随着其平均球度的增加而减小,并且呈近似半对数线性关系;随着围压的增加,颗粒形状对颗粒破碎的影响逐渐减弱,颗粒强度的影响逐渐增大。紫坪铺堆石料的颗粒强度随着颗粒尺寸的增加逐渐减小,但其破碎率反而随着颗粒尺寸的增加而逐渐减小,主要是因为试验所采用的紫坪铺堆石料颗粒尺寸越小时,其形状越不规则。因此,研究缩尺效应对颗粒破碎率的影响时,要同时考虑颗粒尺寸和颗粒形状。     

掺复合浆液堆石料压缩特性试验研究

针对高堆石坝坝体变形大且持续时间长的问题,提出了一种提高堆石体压缩模量、减缓流变变形的方法,即利用易流动、后期硬化的高掺粉煤灰水泥砂浆（简称复合浆液）在堆石体摊铺过程中充填堆石体孔隙,在施工碾压的基础上进一步减小堆石体孔隙率。首先,通过观测复合浆液在透明玻璃球中的流动性态,研究不同配比与掺量对复合浆液流动特性的影响;然后,通过侧限压缩和流变试验,研究掺复合浆液堆石料的压缩模量、流变变形的变化规律。试验结果表明：复合浆液在颗粒体孔隙中的流动性能与粉煤灰掺比、水胶比、砂粒最大粒径以及掺量有关;复合浆液的掺入能有效提高堆石料压缩模量,减少流变变形,且对于软岩料、级配不良料效果更为明显;复合浆液在堆石料中主要起到了充填、胶结与润滑作用。     

掺复合浆液堆石料压缩特性试验研究

针对高堆石坝坝体变形大且持续时间长的问题,提出了一种提高堆石体压缩模量、减缓流变变形的方法,即利用易流动、后期硬化的高掺粉煤灰水泥砂浆(简称复合浆液)在堆石体摊铺过程中充填堆石体孔隙,在施工碾压的基础上进一步减小堆石体孔隙率。首先通过观测复合浆液在透明玻璃球中的流动性态,研究不同配比与掺量对复合浆液流动特性的影响;然后通过侧限压缩和流变试验,研究掺复合浆液堆石料的压缩模量、流变变形的变化规律。试验结果表明:复合浆液在颗粒体孔隙中的流动性能与粉煤灰掺比、水胶比、砂粒最大粒径以及掺量有关;复合浆液的掺入能有效提高堆石料压缩模量,减少流变变形,且对于软岩料、级配不良料效果更为明显;复合浆液在堆石料中主要起到了充填、胶结与润滑作用。     

掺复合浆液堆石料压缩特性试验研究

针对高堆石坝坝体变形大且持续时间长的问题,提出了一种提高堆石体压缩模量、减缓流变变形的方法,即利用易流动、后期硬化的高掺粉煤灰水泥砂浆(简称复合浆液)在堆石体摊铺过程中充填堆石体孔隙,在施工碾压的基础上进一步减小堆石体孔隙率。首先通过观测复合浆液在透明玻璃球中的流动性态,研究不同配比与掺量对复合浆液流动特性的影响;然后通过侧限压缩和流变试验,研究掺复合浆液堆石料的压缩模量、流变变形的变化规律。试验结果表明:复合浆液在颗粒体孔隙中的流动性能与粉煤灰掺比、水胶比、砂粒最大粒径以及掺量有关;复合浆液的掺入能有效提高堆石料压缩模量,减少流变变形,且对于软岩料、级配不良料效果更为明显;复合浆液在堆石料中主要起到了充填、胶结与润滑作用。     

不同环境条件下堆石料变形特性的试验研究

探讨了对处于受压状态的堆石料进行干湿、冷热变化等环境因素作用下力学性质研究的试验方法。使用新研制的堆石料风化试验仪,对某种泥质粉砂岩堆石料进行了干湿循环、冷热循环以及湿冷-干热耦合变化三种环境条件下的长期变形特性试验研究,探讨了堆石料长期劣化变形的机制。试验结果表明,干湿循环试验和湿冷-干热耦合循环均可导致堆石体产生较大幅度的附加变形,其变形机制包括湿化变形、堆石体颗粒湿胀和干缩循环变形以及堆石料的劣化变形等。环境因素的循环变化可导致堆石体颗粒的劣化,堆石体劣化变形是高土石坝后期变形的重要组成部分。     

考虑颗粒破碎对特征孔隙比影响的堆石体亚塑性本构模型

颗粒破碎是影响堆石体强度和变形特性的主要问题之一。相比于砂土,堆石料在较低的应力水平下就会发生严重的颗粒破碎,因此,在进行堆石体力学特性及本构模型研究时必须考虑颗粒破碎的影响。同时,堆石体在受力过程中孔隙比是变化的,而传统本构模型不能使用一组参数模拟不同孔隙比的同种材料。因此,以能够考虑应力水平和土体孔隙比影响的Gudehus-Bauer亚塑性本构模型为基础,考虑堆石体有别于砂土的孔隙比变化特征,提出了考虑堆石破碎的亚塑性本构模型。亚塑性理论是目前可最大限度地减少人为假定的一种本构理论,颗粒材料在不同特征应力路径下,破碎造成的过度变形量不同;但相同应力水平、不同特征应力路径下孔隙比已不满足Gudehus-Bauer亚塑性本构模型中提出的等比例变化规律。据此,结合考虑颗粒破碎的临界状态理论和堆石体常规三轴试验和循环加载试验结果,提出了考虑颗粒破碎堆石体特征孔隙比的表达式,并将其引入到Gudehus-Bauer亚塑性本构模型中,建立了考虑颗粒破碎的堆石体亚塑性本构模型,提出了模型参数的确定方法。与堆石体试验结果对比表明,该本构模型可以较好地模拟其力学与变形特性。     

堆石料湿化对混凝土面板堆石坝应力变形特性影响研究

心墙堆石坝的湿化变形已经为人们认识和重视,面板堆石坝由于上游有混凝土面板挡水,其湿化变形很少引起重视,但由湿化变形比较明显的堆石料填筑的坝体,在降雨过程中往往产生较大湿化变形,影响混凝土面板的工作性状。本文研究提出了大气降水引起堆石体达到一定饱和度情况下湿化变形的计算方法。进行了滩坑水电站混凝土面板堆石坝堆石料湿化变形试验,采用弹塑性平面有限单元法,分析研究了堆石料浸水湿化对坝体应力变形以及混凝土面板应力变形性状的影响。     

堆石料单粒强度尺寸效应的颗粒流模拟方法研究

围绕堆石料单粒强度尺寸效应的颗粒流模拟方法展开研究。首先,基于FISH二次开发建立了堆石料的随机不规则单粒模型,充分考虑堆石料的形状特征和破碎现象;然后,建立了堆石料单粒强度尺寸效应的等效模拟方法,以单粒强度随其粒径的变化规律为基础,推导了堆石料模型中细观黏结强度与堆石料等效粒径的负指数经验公式;其次,基于建立的数值模型对堆石料的室内单粒压缩试验进行仿真模拟,验证数值模型的正确性和合理性,并对较大粒径堆石料的单粒强度进行模拟预测,突出数值试验的优势;最后,基于建立的数值模型对相同粒径不同形状特征堆石料的单粒强度分布特征进行模拟研究。研究结果表明：（1）堆石料内部缺陷含量和尺寸随粒径增加对其单粒强度所产生的尺寸效应,可通过堆石料模型中细观强度参数随粒径折减进行等效模拟;（2）形状特征对堆石料的破裂机制具有重要影响,方形颗粒为压剪破裂,单粒强度较高,而随机不规则颗粒和圆形颗粒为拉剪或劈裂,单粒强度相对较低;（3）拉剪或劈裂条件下,堆石料形状越不规则,其单粒强度的离散程度越高,反之则离散程度越低。相关研究成果可为进一步研究荷载作用下堆石体内各粒径段堆石料的破碎量奠定基础,从而更加真实地反映堆石体的级配演化规律。     

循环荷载作用下考虑颗粒破碎的堆石体本构模型

中国西部兴建的很多200～300 m高的堆石坝处于高烈度地震区。应力水平高时堆石体的颗粒破碎对其在循环荷载作用下的应力、应变特性有重要的影响。基于广义塑性理论,通过引入状态参数,建立了循环荷载作用下考虑颗粒破碎的堆石体的本构模型,并给出了模型参数的确定方法。与堆石体在400、800、1 500、2 200 kPa围压作用时的试验结果对比,表明所提出的本构模型可以较好地模拟循环荷载作用下颗粒破碎时堆石体的动应力和动应变响应。     

基于颗粒破碎的粗粒土剪切强度的模拟分析

颗粒破碎在岩土工程领域是很常见的现象,土工试验中无法显示颗粒破碎过程及其影响,本文采用离散单元软件PFC2D模拟了考虑颗粒破碎影响的粗粒土的直剪试验,给出了考虑颗粒破碎的粗粒土直剪试验的模拟方法,分析粗粒土的剪应力-剪切位移关系、剪胀和剪切强度等宏观力学行为,探讨基本颗粒间黏聚力、单颗粒孔隙率和粗粒土试样的孔隙率对剪切强度的影响。结果表明:颗粒破碎对剪切强度的破碎准则有影响,颗粒不破碎试样的剪切强度符合Mohr-Coulomb准则;颗粒破碎试样的强度包络线是幂函数关系。     

A reliability-based approach to evaluating the stability of high rockfill dams using a nonlinear shear strength criterion

In recent years, many high rockfill dams have been constructed in China for the purpose of hydropower generation. One of the critical aspects of rockfill dam design is the analysis of slope stability. Triaxial compression tests show that the failure envelopes of rockfills are curved and that nonlinear shear strength criteria yield better predictions of the shear strengths of rockfills than the Mohr–Coulomb criterion. Because the determination of shear strength parameters involves uncertainties, a reliability-based methodology was developed for use in evaluating the failure probability of rockfill dam slopes by integrating Bishop’s simplified method, Duncan’s nonlinear strength criterion and the first-order second-moment reliability method presented in this paper. A computer program, SCU-SLIDE, was developed and its outputs validated by comparison with Monte Carlo simulation results. The approach developed was used to study the stability of the Shuang Jiang Kou rockfill embankment dam, which when completed will be the tallest dam in the world. The results of the stability analysis are discussed and conclusions are presented in this paper.     

堆石料的临界状态与考虑颗粒破碎的本构模型

高应力水平时堆石料的颗粒破碎对其强度和变形机制有重要影响。临界状态土力学理论对重塑土的应力-应变关系的描述较为成功,但目前颗粒破碎对堆石料的临界状态的影响及其数学描述鲜有研究。对堆石料进行了固结应力从0.4 MPa到4 MPa的18组固结排水和固结不排水常规三轴压缩试验,以及6组等向压缩试验。试验结果表明：在排水条件和不排水条件下,不同的固结应力试样都趋于临界状态;堆石料的临界状态在q-p′平面和e-lgp′平面均为非线性变化。基于此试验结果,通过引入状态参数,在广义塑性力学的理论框架下,建立了考虑颗粒破碎的堆石料本构模型,并给出了模型参数的确定方法。与长河坝料的试验进行了对比,结果表明所建议的本构模型可以较好地模拟堆石料从低围压0.4 MPa到高围压 3.5 MPa下的应力-应变特性     

土体颗粒破碎研究进展

在打入桩的桩端以及大型土石坝、海洋平台等的地基中常常会出现高应力区。在这些高应力区中,作为地基的粒状土的颗粒会发生不同程度的破碎。对高应力水平下粒状土体的破碎特性进行深入研究有助于解决这一类型的岩土工程问题。因此近年来土体颗粒破碎逐渐引起人们的重视。本文对土体颗粒破碎研究现状进行了详尽的阐述,并指出研究中存在的问题及今后研究发展方向。     

Effects of particle size on crushing and deformation behaviors of rockfill materials

Strength and deformation behaviors of rockfill materials,key factors for determining the stability of dams,pertain strongly to the grain crushing characteristics.In this study,single-particle crushing tests were carried out on rockfill materials with nominal particle diameters of 2.5 mm,5 mm and 10 mm to investigate the particle size effect on the single-particle strength and the relationship between the characteristic stress and probability of non-failure.Test data were found to be described by the Weibull distribution with the Weibull modulus of 3.24.Assemblies with uniform nominal grains were then subjected to one-dimensional compression tests at eight levels of vertical stress with a maximum of 100 MPa.The yield stress in one-dimensional compression tests increased with decreasing the particle size,which could be estimated from the single-particle crushing tests.The void ratio-vertical stress curve could be predicted by an exponential function.The particle size distribution curve increased obviously with applied stresses less than 16 MPa and gradually reached the ultimate fractal grading.The relative breakage index became constant with stress up to 64 MPa and was obtained from the ultimate grading at the fractal dimension(a?2:7).A hyperbolical function was also found useful for describing the relationship between the relative breakage index and input work during one-dimensional compression tests.     

Back-analysis of soil parameters of the Malutang II concrete face rockfill dam using parallel mutation particle swarm optimization

Deformation control is a central problem in earth-rockfill dam design. The finite element method (FEM) is the primary method used to analyze and predict the deformation of earth-rockfill dams. The parameters of the constitutive model of soil used in earth-rockfill dams determine the FEM analysis results. Using prototype monitoring displacements, the soil parameters of the Malutang II concrete face rockfill dam were back-analyzed using parallel mutation particle swarm optimization. The calculated displacements of the back-analyzed soil parameters are consistent with the prototype monitoring results. The parallel mutation particle swarm optimization has a high optimization rate and can be used in large-scale practical engineering applications. The back-analysis results indicate that the deformation moduli of rockfills in the Malutang II are affected by construction situ.