基于分形理论的粗粒料级配缩尺方法研究

按规范要求的剔除法、等量替代法、相似级配法、混合法等4种缩尺方法,对某粗粒料原型级配进行缩尺,得到15条试验模拟级配,相应的最大颗粒粒径分别为60、40、20 mm。对原型级配和缩尺后模拟级配,进行了最大干密度试验,引入粒径分形维数,研究粒径分形维数与级配缩尺方法、最大干密度的变化规律。分析认为,粒径分形维数是一个能综合反映级配的量化评价指标,可准确反映不同缩尺方法后的试验模拟级配;级配缩尺方法本身对最大干密度有较大的影响,相似级配法的最大干密度值与原型级配的最接近,等量替代法的差异性最大;粒径分形维数与最大干密度具有较好的线性归一化,利用归一化规律,可准确推求原型级配的最大干密度值,有较好的工程应用价值。     

粗粒料级配缩尺后压实密度试验研究

对某级配粗粒料采用混合法、剔除法、等量替代法和相似级配法等4种不同缩尺方法进行缩尺。缩尺后替代级配料的最大粒径分别为10、20、40和60 mm。对各替代级配料进行了相对密度试验。同时,为完善试验成果,又人工随意配置了3种级配料用于试验。最大、最小干密度试验分别采用振动台法和松填法。研究同一原型级配料不同方法缩尺后各级配土石料在同一压实功能情况下的最大、最小干密度与土料级配参数、最大粒径之间的关系。提出了一种将干密度与级配之间关系归一化的方法,并拟合了干密度与Cu、Cc及最大粒径之间的关系,据此可推求原型级配料的最大干密度。     

粗粒料级配缩尺方法对其最大干密度的影响研究

对某原型级配粗粒料,按规范要求采用剔除法、等量替代法、相似级配法、混合法等4种缩尺方法,获得15条模拟级配,相应的最大颗粒粒径分别为60、40、20 mm。在相同振动功能条件下,对模拟级配进行了最大干密度试验,研究同一原型级配经不同级配缩尺方法后其最大干密度值的变化规律。分析认为,最大干密度与缩尺后级配的不均匀系数、曲率系数、最大颗粒粒径、小于5 mm粒组含量等参量相关,提出了修正级配参数方法,即将最大干密度与级配相关参量归一化。最后进行了试样尺寸直径为1 m的原型级配粗粒料的击实试验,验证了归一化公式的合理性。     

粗粒土压实特性及颗粒破碎分形特征试验研究

对多个级配不同含水率的粗粒土进行击实试验,研究粗粒土的压实特性和颗粒破碎分形特征。结果表明,粗粒土最大干密度随级配中粗粒含量的增大而增大,当粗粒含量P5=70%时,最大干密度出现最大值;当P5＞70%时,最大干密度又随粗粒含量的增大而减小,粗粒土击实破碎后的粒径分布具有良好的分形特性,破碎分形维数为2.279 0～2.892 2,均大于击实前粗粒土粒度分形维数;相同级配条件下,粗粒土破碎分形维数随含水率的增大而增大,且粗粒含量P5＞50%时,增幅显著;粗粒土破碎分形维数D与破碎率Bg存在良好的线性关系,且击实前后粗粒土粒度分形维数差值能客观表征颗粒破碎的程度;粗粒含量和含水率是影响颗粒破碎率的两个重要因素,但相对于含水率而言,粗粒含量对破碎率的影响更加显著。     

考虑颗粒强度尺寸效应的原型堆石料破碎特性研究

高土石坝中,堆石体颗粒破碎是导致坝体变形的主要因素之一。但是由于原型坝料的颗粒尺寸较大,其破碎程度难以直接通过室内试验度量,因此通常要将原型级配缩尺为60 mm以下的小粒径级配堆石料,然后才能进行室内试验。而由于原型和试验级配差异较大,导致试验测得的参数往往和原型坝料实际参数有较大差异,因而影响了原型坝料力学特性的深入研究。这里提出了一种新的实时预测原型坝料破碎的方法。首先在颗粒尺度上,基于单粒强度的Weibull分布理论和颗粒分形破碎理论,阐述了原型堆石料级配演化的推求过程;然后通过单粒强度试验测得了相关参数,并与三轴试验测得的试样级配曲线对比,验证了参数选取的合理性;之后分析了颗粒强度离散程度对于原型坝料级配曲线形状的影响;最后,讨论了加载过程中原型级配和试验级配堆石体的相对破碎参量和受力状态的关系。     

筑坝粗粒料力学特性的缩尺效应研究

针对筑坝粗粒材料缩尺效应问题,统计分析三板溪、水布垭等大坝填筑料的级配特征,认为以Talbot曲线为原级配可作为高土石坝填筑料的“平均级配”,并将此原级配按现今粗粒料试验制样时最为常用的“混合法”进行缩尺,配制了最大粒径 为20～180 mm的试样。利用PFC2D软件,对各缩尺级配进行了多组、多种数值试验,揭示了各缩尺级配试样干密度极值、初始弹性模量及体积模量等关键物理量与各级配最大粒径的关系。结果表明：缩尺关系与密实度控制标准相关,在同一相对密度条件下各缩尺比试样力学参量为其最大粒径的单调函数,经推求可得原级配具备室内试验级配1.5～1.6倍的抗变形能力;而在同一干密度条件下,力学参量与各最大粒径呈先减小再增加的非单调关系。最后基于细观力学理论对造成缩尺效应的机制进行了解译。利用PFC2D数值试验从一定程度上拓展了仅靠实际三轴试验来研究粗粒料缩尺效应的粒径和思路。     

堆石料缩尺方法的分形特性及缩尺效应研究

采用6种不同缩尺方法将同一条现场级配曲线缩制成不同的数值模拟级配曲线,建立以不同粒径范围内颗粒数为测量数的分形模型,研究了颗粒级配分布的分形特性;基于颗粒流方法,生成与级配曲线相对应的6组数值试样进行双轴压缩试验,研究了缩尺方法对数值试样宏观力学特性及细观力学响应的影响;并讨论了颗粒级配分布的分形特性与数值试样力学特性之间的关系。结果表明：采用不同方法缩尺后数值试样的颗粒级配分布具有分形特性,分维数D为1.463～1.783;随着缩尺方法相似比尺M的增大,数值试样中细颗粒数量增多,粗细颗粒的充填关系得到改善,力学特性逐步提高;颗粒级配分布分维数D与数值试样力学特性指标之间存在较好的线性关系。     

炭质页岩的颗粒破碎及其路用性能试验研究

为综合评估炭质页岩的路用性能,充分认识炭质页岩的颗粒破碎行为,测试了炭质页岩块在循环压实过程中各粒组含量的演化规律,结合室内击实试验阐述了颗粒破碎对炭质页岩击实性能的影响,确定了最佳填筑级配,并依据最佳级配进行三轴湿化变形试验,从颗粒破碎角度分析了炭质页岩填料湿化变形的变化规律,最后对炭质页岩现场填筑效果进行了验证。结果表明：炭质页岩压实过程经历结构调整、颗粒破碎、压缩变形3个阶段,形成的相对稳定级配结构为其用作路堤填料提供了基础;填料最大干密度形成机制受颗粒破碎过程中粒径为20～40 mm与粒径小于2 mm颗粒含量变化的影响较大,随粗料含量增加,试样相对破碎率线性增大,最大干密度呈先增大后减小变化,最优粗料含量约为70%;湿化变形是混合料颗粒破碎的外在表现,浸水湿化后混合料强度降低约40%,可采用相对破碎率 B_r 预估混合料遇水产生的湿化变形量,并建立了相对破碎率与围压、应力水平间的数学关系式;现场填筑过程中路堤压实度检测与沉降观测表明,炭质页岩路堤的最佳铺松厚度约为40 cm。     

粗粒土渗透及渗透变形试验缩尺方法研究

目前还未建立适用于粗粒土渗透及渗透变形试验的缩尺方法,遵循缩尺前后粒径小于d30（颗粒级配中质量百分含量30%所对应的颗粒粒径）以及粒径小于5 mm的颗粒含量及组成不变的原则,基于等量替代法,提出了一种粗粒土渗透及渗透变形试验缩尺方法：如果原级配中5 mm以下的颗粒含量大于等于30%,则根据试样允许最大粒径以下的大于5 mm的各粒组含量,按比例等质量替换超粒径颗粒;如果原级配中5 mm以下的颗粒含量小于30%,则根据试样允许最大粒径以下的大于d30的各粒组含量,按比例等质量替换超粒径颗粒。利用多组粗粒土渗透及渗透变形试验,论证了缩尺方法的可靠性。研究表明：提出的缩尺方法合理可行。缩尺后,土体渗透破坏型式未发生变化,渗透系数与原级配比较接近,渗透变形临界坡降和破坏坡降与原级配基本一致,缩尺级配的渗透及渗透稳定特性能够较好地反映原级配的渗透及渗透稳定特性。     

钙质砂的干密度特征及其试验方法研究

最大、最小干密度是评价砂土密实度的重要计算参数。通过钙质砂的最大、最小干密度试验,揭示了钙质砂颗粒破碎对最大干密度的影响,分析了最大、最小干密度随粒径和含水率的变化规律,并总结了钙质砂的最大、最小干密度的测试方法。研究表明,最大干密度随粒径的增大呈现先减小后增加的趋势;在最大干密度的测试中存在明显的颗粒破碎现象,使测试结果偏大;颗粒破碎量随粒径的增加先增加后减小,其中粗砂的破碎量最大;最小干密度随粒径的增大而减小,单一粒组钙质砂最小干密度的最大值仍然小于级配良好钙质砂的最小干密度,同一粒组的钙质砂的最小干密度随含水率的增大呈现出略有减小的趋势。建议钙质砂的最大干密度试验宜采用电动相对密度仪法,最小干密度试验宜采用量筒法。     

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.     

基于级配方程的粗粒料压实特性试验研究

级配显著影响着堆石料的压实特性,定量表述级配对堆石料压实特性的影响至关重要。基于连续级配土的级配方程,设计了16组不同级配的试验粗粒料,进行了表面振动压实试验和侧限压缩试验,定量研究了级配对粗粒料压实特性的影响。研究表明：由表面振动压实（动应力）试验和侧限压缩（静应力）试验得到的干密度与级配曲线面积之间均呈二次函数关系,且干密度中的最大值对应的级配曲线面积均在0.9附近;无论是表面振动压实试验还是侧限压缩试验,堆石料都存在干密度最优（最大）的级配。依据试验成果,给出了所试验堆石料的最优级配区间（级配上、下包络线）;同时,利用相似级配法论证了实际级配粗粒料的最优级配区间,并根据国内外多座土石坝粗粒料的设计级配验证了该最优级配区间的普遍适用性,为土石坝粗粒料的级配设计提供了理论依据。     

建筑废渣-黏土混合料压实特性试验研究

将建筑废渣按一定比例与黏土掺合形成的渣土混合料用作填筑材料,具有显著的社会经济与环保效益。为了揭示渣土混合料的压实特性,利用击实试验研究渣料含量和初始级配对渣土混合料压实性能及颗粒破碎特性的影响。研究结果显示,与黏土相比,渣土混合料的最优含水率较低而最大干密度较高,尽管渣料的初始级配有所不同,渣土混合料的最优含水率随掺渣量的增加而减小,最大干密度随掺渣量的增加而先增后减,并存在着一个约为30%的最优掺渣量;击实作用下渣料颗粒的相对破碎率随掺渣量的增加而增加,与初始级配均匀的渣料相比,相同掺渣量下初始级配不均匀渣料的相对破碎率较小,但受渣料初始颗粒大小的影响不大;与初始较小颗粒渣料的混合料相比,初始较大颗粒渣料的混合料的最大干密度较大,表明宽级配的渣土混合料压实性能较好。渣土混合料的压实特性通过结合掺渣量、颗粒破碎特性与渣土混合料结构响应分析得到合理解释。     

基于尺寸效应的粗粒土单颗粒破碎试验及数值模拟

在外荷载等因素作用下,粗粒土易发生颗粒破碎。对泥岩和砂岩颗粒进行了一系列的单颗粒破碎试验,基于尺寸效应和颗粒破碎分形模型,研究了单颗粒破碎强度、破碎能量及Weibull模量等与分形维数间的关系。利用PFC3D对单颗粒破碎过程进行分析,并与试验数据对比,验证了数值程序的可靠性;随后扩展到大颗粒粒径,分析了其单破碎强度及破碎能量。结果表明：在同类试验条件下,不同材料所得的分形维数是不同的;不同粒径砂岩的破碎程度均大于泥岩;单颗粒破碎强度具有明显的尺寸效应;单颗粒破碎强度与破碎能量均可通过分形维数与颗粒粒径预测得出;修正后的Weibull模量也可通过分形维数得出;数值模拟结果与试验结果及预测结果基本一致;大颗粒粒径单颗粒破碎强度模拟结果与预测结果基本一致,破碎能量稍有差异,需进一步试验验证。研究成果可为获取大粒径粗粒土的单颗粒强度与变形特性提供参考。     

典型工程筑坝砂砾料级配特征与压实特性研究

砂砾石坝坝料级配设计、坝体分区和填筑标准的设计均依赖于工程经验,为砂砾石坝坝料设计和填筑标准设计及评估提供工程类比基础。基于典型工程筑坝砂砾料级配包线和填筑标准现场试验干密度统计,分析实际工程筑坝砂砾料典型级配包线范围,给出关键级配特征参数的分布区间,并研究砂砾料级配特征对压实特性的影响。结果表明：（1）典型筑坝砂砾料级配最大粒径为400～600 mm,常见级配包线含砾量为70%～88%,曲率系数为1～10,不均匀系数多大于5,级配方程参数b和m范围分别为0～0.9和0.2～1.0;（2）能获得较高填筑干密度的砂砾料级配含砾量为70%～85%,曲率系数为1～10,不均匀系数大于5,级配方程参数b值和m值分别为0.7～0.9和0.6～0.9;（3）含砾量、曲率系数、不均匀系数和最大粒径对干密度均有显著影响,影响程度依次减小。