紫坪铺面板坝堆石料颗粒破碎试验研究

采用大型三轴仪对紫坪铺面板坝堆石料进行了单调和循环荷载下的固结排水剪切试验,研究了不同孔隙比情况下颗粒破碎及剪胀的变化规律。试验表明：（1）单调和循环荷载条件下,堆石料颗粒破碎率与塑性功之间存在一致的双曲线关系;（2）峰值应力处剪胀率与颗粒破碎率在半对数坐标中呈近似线性关系;（3）峰值应力处主应力比与相应的剪胀率呈近似线性关系,且上述结果受初始孔隙比的影响不大。研究成果有助于进一步了解堆石料的颗粒破碎特点,对建立复杂应力条件下考虑颗粒破碎和状态相关性的弹塑性本构模型,分析紫坪铺面板堆石坝汶川地震破损机制是十分有益的。     

适用于堆石料的分数阶下加载面模型

堆石料的应力-应变曲线具有应变硬化和软化的特性,并且体积变形会伴随着剪缩和剪胀现象的发生;此外,应力水平、应力路径和密度等因素均会对堆石料的力学特性产生显著的影响。基于临界状态土力学的理论框架,建立了适用于堆石料的分数阶下加载面模型,该模型为典型的双屈服模型。在平均主应力p-剪应力q平面,剪切过程中堆石料当前应力状态点和参考应力点分别位于下加载面和参考屈服面上,两者之间的相对位置与孔隙比之差ρ相关。相比于状态参量Ψ,ρ能够额外考虑应力路径对堆石料剪胀特性的影响。新模型的另一个显著特点在于能够考虑堆石料塑性流动方向与加载方向之间的差异性。在不引入塑性势函数的情况下,新模型对屈服函数进行Caputo微分并得到分数阶塑性流动法则,进而统一描述相关联和非相关联的塑性流动法则。新模型具有形式简单且参数较少等优点,所包含的7个材料参数均具有明确的物理意义,并且可以采用常规的室内试验结果进行标定。通过将模型计算结果与Tacheng堆石料在不同初始孔隙比和围压条件下的三轴压缩排水试验结果进行对比分析,结果表明新模型能够准确地描述堆石料的应力-应变曲线和体积变形特点;同时,新模型也能够合理地描述初始孔隙比对堆石料在e-lnp平面(e为孔隙比)临界状态线的影响。     

城市固体垃圾应力-应变-时间关系试验研究

通过室内蠕变试验,研究了城市固体垃圾（MSW）的蠕变变形规律。采用分级加载方式对初始孔隙比为2~4和初始有机物含量在15%~75%的MSW试样进行压缩降解试验。研究发现,应力-应变-时间曲线斜率随着初始孔隙比和初始有机物含量的增加逐渐减小,即材料压缩模量逐渐减小。采用指数模型拟合城市固体垃圾的应力-应变等时曲线,并取得了很好的拟合效果,模型参数简单易求,可反映城市固体垃圾压缩性的大小及其压缩机制。通过对指数模型求导,得到城市固体垃圾的切线压缩模量,切线压缩模量随初始孔隙比和易降解有机物含量的增加呈指数型衰减,初始孔隙比在2~3之间时,初始压缩模量衰减较快,也就是说,在该范围内,初始孔隙比对城市固体垃圾变形影响较大。     

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。     

堆石料状态相关弹塑性本构模型

堆石料的强度变形特性与初始孔隙及应力状态等因素相关。建立了能够预测不同初始孔隙与初始围压影响的堆石料弹塑性本构模型。在剑桥类本构模型框架内,模型能够反映随着孔隙与围压的增大,变形特性由剪胀趋于剪缩的规律。模型采用了基于颗粒体材料细观结构变化的屈服函数和非关联流动准则,提出了能够反映堆石料正常固结线不唯一的硬化参数。为了反映状态相关性,假定堆石料存在唯一的临界状态面,探讨了考虑状态相关性需要满足的数学条件,从而对剪胀方程与硬化参数进行了修正。提出了基于粒子群优化算法的模型参数快速确定方法,将某筑坝堆石料不同初始孔隙比与围压条件下模型预测结果与三轴试验结果对比,验证了模型的合理性。     

颗粒形状对人工模拟堆石料强度和变形特性影响的试验研究

颗粒形状对堆石料的强度和变形特性有着明显的影响。采用水泥净浆浇筑方法,制备了相同体积不同形状的粗颗粒近似模拟堆石料颗粒。通过三轴剪切试验,研究了不同围压条件下颗粒形状对人工模拟堆石料的强度和变形特性的影响。结果表明:颗粒形状对人工模拟堆石料的强度和剪胀特性有影响,随着颗粒球度的增大,人工模拟堆石料峰值强度增大,低围压下剪胀特性越明显;极限应力比随着颗粒球度的增大而减小;初始切线模量和切线体积模量随着颗粒球度的增大而增大;初始内摩擦角受颗粒球度影响较小,内摩擦角增量受颗粒球度的影响相对较大,随着颗粒球度的增大而减小。     

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。     

考虑颗粒破碎效应的堆石料静动力本构模型

为合理反映颗粒破碎对堆石料力学特性的影响,基于试验结果分析,得出了堆石料在压缩和剪切作用下的颗粒破碎特性规律。通过引入压缩破碎和剪切破碎的相关参数,借鉴已有本构模型的合理定义,吸收临界状态理论和边界面理论的优点,发展了考虑颗粒破碎和状态相关的堆石料静动力统一弹塑性本构模型,并阐述了模型参数的确定方法。该模型不仅能够反映堆石料在静力荷载作用下的低压剪胀、高压剪缩、应变软化和硬化等特性,还能够反映在循环荷载作用下应力-应变的滞回特性和残余变形的累积效应。最后为验证模型的合理性,分别对堆石料的静力三轴和循环三轴试验进行了数值模拟预测,结果表明：模型预测与试验数据吻合良好,所提出的本构模型能够合理地描述颗粒破碎对堆石料静动力变形特性的影响。     

堆石料的剪胀特性与广义塑性本构模型

以三轴试验成果为基础,考虑颗粒破碎引起堆石料剪胀比与应力比之间的非线性关系,提出了能够反映堆石料低围压剪胀、高围压剪缩特性的剪胀方程。在广义塑性理论框架内构造堆石料的塑性流动方向向量和加载方向向量,引入依赖于密实度与平均应力的压缩参数,构造随平均应力、剪应力比和密实度变化的塑性模量,建立了一个考虑颗粒破碎的堆石料弹塑性本构模型。阐述了该模型10个参数的确定方法,并通过模拟不同围压和不同应力路径下堆石料的三轴压缩试验资料验证了模型与参数的合理性。     

应力路径和干湿状态对堆石料颗粒破碎的影响研究

堆石料颗粒破碎是引起高土石坝变形的重要因素。在大坝填筑、蓄水期,堆石料的应力路径和干湿状态均是变化的。通过大型三轴试验,系统地研究了应力路径和干湿状态对堆石料颗粒破碎规律的影响。试验结果表明：（1）相同初始条件下,按不同应力路径达到同一轴向应变停机时测定的颗粒破碎率是不同的,等围压?3试验产生的颗粒破碎最大,等平均主应力p试验的次之,等最大主应力?1试验的最小,但不同应力路径下的颗粒级配演化规律是一致的。（2）相同初始条件下,湿样的颗粒破碎率明显高于干样,且二者的差距随着围压的增大而增大,不同干湿条件下的颗粒级配演化规律同样是一致的。（3）建立的考虑母岩强度的颗粒破碎率与塑性功的关系可以较好地统一描述不同应力路径及干湿状态下的颗粒破碎。该研究成果可为建立复杂应力路径及干湿变化条件下考虑颗粒破碎的堆石料弹塑性本构模型提供依据。     

原状黄土的压缩曲线特性

原状黄土是一种具有结构强度的欠压密土,其侧限压缩变形特性区别于一般土。为研究原状黄土侧限压缩变形的共性,对西安、兰州6个场地不同含水率的原状Q3、Q2黄土进行了侧限压缩试验,得到了相应场地不同含水率原状黄土的压缩曲线,分析了其压缩曲线的形态,通过曲线对应的压缩屈服应力及初始孔隙比,将各黄土不同含水率下的压缩曲线归一化为同一曲线,且形成时代相同的黄土归一化曲线位置相同,并利用复合幂?指数模式分别描述了Q3、Q2黄土归一化的曲线。将文献中试验黄土的初始孔隙比与压缩屈服应力代入归一化曲线的表达式,计算得其压缩曲线和压缩性指标。经对比,与文献实测压缩曲线及压缩性指标很接近,验证了黄土压缩曲线的归一化特性并对其进行了应用。结果表明：试验黄土压缩曲线具有可被其初始孔隙比和压缩屈服应力归一化的特性,此特性为黄土侧限变形性质的分析提供了一条便捷的途径。     

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.     

干密度对粗粒料力学特性的影响

粗粒料的力学特性不仅取决于应力状态,还与粗粒料本身的松密程度密切相关,即与粗粒料的材料状态相关。通过不同初始干密度的粗粒料常规大型三轴各向等压固结排水剪切试验研究了干密度对粗粒料力学特性的影响。试验结果表明：粗粒料应力-应变曲线的形态取决于密度和围压的共同作用,破坏状态之前密度和围压共同决定了粗粒料的强度和变形,而当应变足够大处于渐进状态或临界状态时,粗粒料的应力和体积应变受初始干密度的影响逐渐减小直至消失。对于软化型曲线,相变状态的应力小于渐进状态的应力,而渐进状态的应力小于破坏状态的应力。无论围压大小如何,随着初始干密度的增大,应力-应变曲线的硬化性逐渐减弱,而软化性则逐渐增强。     

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。     

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     

颗粒材料剪胀性的微观力学分析

剪胀性是颗粒材料在加载过程中表现出来的重要变形特性。以孔隙胞元描述颗粒材料内部结构的最小单元,通过对单个孔隙胞元进行剪切受力分析,探讨了剪切过程中颗粒材料体积的改变对应力比和单个孔隙胞元形状的依赖关系,解释了排列密实的颗粒材料在剪切过程中先压缩后剪胀的微观机制。用离散元数值模拟得到了在双轴剪切过程中单个孔隙胞元形状以及孔隙胞元体积变形的演化过程。离散元数值结果表明,加载过程中孔隙胞元形状由初始各向同性到沿大主应力方向变大变长、体积变形先压缩后膨胀,并且体积变形在加载过程中存在局部化现象,体积变化大的孔隙胞元在较大变形时,排列成倾斜的窄带。综合孔隙胞元的受力分析和离散元数值结果表明,致密排列颗粒材料的剪胀性与微观尺度上孔隙胞元的几何结构及其内部的力链传递方式密切相关。     

面板堆石坝面板竖缝特性对面板应力变形影响分析

采用三维有限元方法,研究了面板竖缝特性对面板堆石坝中面板应力变形的影响。基于类似子结构法概念,建立了精细模拟面板及其分缝特性的三维有限元分析方法。针对马来西亚巴贡面板堆石坝,计算了多种面板竖缝宽度和填料的方 案,得到坝体和面板的应力变形。计算结果表明,面板竖缝几何尺寸和填料特性对面板的挠度、顺坡向应力、水平向压应力和周边缝张合变形影响不大,而对面板的水平向拉应力和竖缝压缩量影响很大;面板竖缝填料变软和宽度增大均会导致面板的水平向压应力减小,而竖缝压缩量明显增大;采用软木作为填充材料较之填充硬木,可以大约降低一半的压应力;面板竖缝宽度及其填料特性对同期填筑的面板、特别是邻近的面板水平向压应力影响较大。