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。     

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。     

堆石料颗粒破碎特性试验研究

颗粒破碎是堆石料的一项基本特性,它对堆石体的变形和强度特性具有明显的影响。对于高堆石坝而言,在高应力场作用下堆石颗粒发生明显破碎,可导致坝体变形率增加。为了正确认识堆石体及堆石坝的变形特性和机理,研究了堆石颗粒破碎特性以及颗粒破碎的影响因素。采用大型三轴试验研究了堆石料的颗粒破碎特性,分析了堆石体干密度、级配特征、堆石颗粒强度等对颗粒破碎的影响,研究了应力状态对颗粒破碎率的影响,建立了颗粒破碎率的计算模型以及颗粒破碎引起的堆石体应变增量与颗粒破碎率的关系。     

坝体填筑料压缩特性及影响因素分析

堆石料的压缩性直接关系工程的安全问题,对某一抽水蓄能电站坝体填筑料开展多组大型侧限压缩试验,结果表明,堆石料的压缩模量较大、压缩指数很小。只有在应力超过颗粒破碎应力以后堆石料压缩曲线才会发生较大程度的下降,且认为颗粒破碎应力是堆石料发生弹塑性变形的转折点,对于不同初始孔隙比的同一种堆石料,在极高的应力状态下它们的压缩曲线会聚到唯一的极限压缩曲线LCC。压缩曲线中堆石料的卸荷回弹量非常小,表明其是弹性变形。不论何种加载路径材料的初始级配决定了堆石料的最终压缩状态,且随着母岩强度的增加、初始孔隙比或者泥岩含量的减小堆石料的压缩性减小。     

材料状态对粗粒料力学特性影响的试验研究

粗粒料的力学特性与材料状态诸如围压、密度、岩性、级配等因素密切相关。通过粗粒料常规大型三轴各向等压固结排水剪切试验,研究了材料状态对粗粒料力学特性的影响,试验结果表明,初始干密度越小,应力–应变曲线硬化性越强,剪缩性越明显,随着初始干密度的增大,应力–应变曲线的软化性和剪胀性逐渐增强;岩性对粗粒料的力学特性也有明显影响,岩性越硬,应力–应变曲线的软化现象越明显,试样的剪胀性也越大,抗剪强度也越高;级配对粗粒料的力学特性也有重要影响,粗砂和细砾含量相同时,粗砾含量越低,粗粒料抗剪强度越小,体胀变形越大;不同围压的试样孔隙比随着剪切变形的发展逐渐趋向于临界孔隙比,且在平均正应力对数坐标系内呈较好的线性关系;围压、密度、岩性、级配等影响因素下,粗粒料的Rowe剪胀模型参数的归一性都较好,说明Rowe剪胀模型能反映粗粒料的材料状态对其力学特性的影响。     

堆石料应力-应变特性大型三轴试验研究

通过对水布垭筑坝堆石料进行0.2~3.5 MPa围压下的大型三轴固结排水剪(CD)试验,分析了不同围压下堆石料的偏应力-轴应变关系及体应变-轴应变关系的变化规律;引入破坏强度和体变与围压的关系,采用临界偏应力σ_(cre)和临界体应变ε_(vcre)作为归一化因子对不同围压下的应力-应变关系试验结果进行归一化处理,建立了不同围压下的应力-应变关系表达式,并将计算预测与试验结果进行对比验证。研究表明:对于颗粒级配确定的密实堆石料,初始变形期存在一定的弹性增长阶段,且该直线段的斜率受围压的影响较大;低围压时表现为应变软化,先剪缩后剪胀为主的力学特性,且围压越低,剪胀效应越明显;高围压(0.8 MPa≤σ_3≤3.0 MPa)时表现为应变硬化、剪缩为主的特性;剪胀消失的临界围压处于0.45~0.8 MPa之间;超高围压(σ_33.0 MPa)条件下,虽表现为应变软化、剪缩的特性,但其应变软化的机制与低围压下不同;分析认为,超高围压下剪切过程中颗粒的相对破碎率达15%以上,颗粒破碎引起的堆石料强度降低大于围压的增大对堆石料强度的提高。峰值主应力比随围压的增大而降低,且随轴应变的增大而趋于一致。堆石料的破坏强度与围压呈线性相关。最后,通过计算预测结果证明了该应力-应变关系表达式的正确性。     

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。     

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。     

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。     

堰塞坝体材料渗透特性及其稳定性研究

堰塞坝是由于崩塌、滑坡、泥石流等形成的天然坝体,不同于人工土石坝,堰塞坝坝体结构松散,颗粒级配不均匀,在较高水头作用下坝体可能发生渗透破坏而导致溃坝,严重威胁下游人民群众的生命及财产安全。由于堰塞坝存在较大粒径颗粒,常规的渗透试验装置难以满足要求,本文研制了直径为60cm的大直径渗透试验仪,进行了不同堰塞坝级配材料的渗透破坏试验,并探讨了堰塞坝体材料渗透特性的主要影响因素。研究发现:（1）堰塞坝材料的渗透破坏形式取决于材料级配,粗颗粒含量较多时为管涌破坏,细颗粒含量较多或粒径缺失时为流土破坏;（2）堰塞坝渗透系数随干密度的增大而减小,主要取决于细料填充粗料孔隙的程度,单独使用不均匀系数或曲率系数不适用于评价渗透系数的变化;（3）基于试验数据提出了用于堰塞坝渗流破坏形式的判别公式,并推导出堰塞坝管涌破坏的临界水力坡降计算公式。     

堆石料级配缩尺方法对其室内试验结果的影响

对同一条现场级配曲线通过缩尺方法缩制成不同的试验模拟级配,进行了密度、力学和渗流特性的对比试验。试验结果显示：全采用等量替代法缩尺后由于小于5 mm含量保持不变,粗、细颗粒充填关系不理想,对应于密度和力学特性最差,渗透系数最大,随着混合法中相似级配法的使用,小于5 mm含量逐渐增加,粗、细颗粒充填关系得到明显改善,缩尺后的密度和力学特性逐渐增加,却带来渗透系数的逐渐减小。目前国内相关规程、规范对级配缩尺方法并没有做具体、明确的规定,有必要通过大量室内和现场对比试验,总结出室内科学的缩尺方法并建立反映缩尺效应的经验公式。     

粗粒坝料边坡稳定分析强度指标研究

分别采用线性、非线性强度指标,对几座典型高堆石坝边坡进行稳定计算,并分析了计算结果产生差异的内在原因;认为粗粒土坝坡最危险滑弧位置较浅,低围压区的抗剪强度特性才是决定坝坡是否稳定的关键。在国内外多个堆石坝料强度统计资料基础上,认为De Mello幂函数强度准则更合理地反映不同应力范围抗剪强度的非线性特征;通过拟定不同坝高、坡比的坝坡进行稳定计算,确定了土石坝不同坝高潜在最危险滑块的工作应力范围,并建议了基于该应力范围的线性强度指标取值,其边坡稳定分析最小安全系数与非线性强度指标的计算值基本相当。     

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。     

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。     

粗粒筑坝材料的动力变形特性

结合室内大型动三轴试验资料,对粗粒料的动力变形特性进行研究后认为,在复杂的高应力条件下振动过程中试验粗粒料由于体积缩小而变得更为密实,其动应力-应变关系与Hardin-Drnevich模型的双曲骨架曲线假定有明显差异,其阻尼特性也不符合Hardin假定;提出了反映试验过程中材料振动硬化特性的幂函数型动应力-应变关系模型和基于试验资料的粗粒料阻尼比估算公式;粗粒料的动残余变形特性与其初始密度、静应力状态、动荷载、振动持续时间等因素密切相关,建立了考虑初始固结围压影响的粗粒料残余应变与动剪应力之间的关系模型。可为强震区超高土石坝的深入研究提供可靠的理论依据。     

土石混合料的压实特性研究

基于某大型场平工程填筑质量抽检结果,探讨了粗料含量（粒径大于5 mm颗粒含量）、填料最大粒径以及填料级配情况对土石混合料现场压实特性的影响。研究发现：当粗料含量逐渐增加时干密度呈逐渐增大趋势,但达到90%左右时,干密度离散性较大,建议粗料含量的合理值为60%～80%;同样,当填料最大粒径逐渐增大时干密度也随着最大粒径的增大而呈逐渐增大趋势,但当超过松铺厚度（800 mm）的30%以后,干密度则逐渐减小,且离散性较大,建议最大粒径的合理值为松铺厚度的30%;填料级配良好与否和压实特性无明显的相关性,但级配应连续。该研究对类似工程有一定的借鉴意义。     

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。     

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。