应力状态对粗粒料力学特性影响的大型真三轴试验

土石坝所处的应力状态较接近平面应变应力状态或三维应力状态,而常规三轴试验低估了粗粒料的力学性能。应用大型真三轴仪对常规三轴应力状态、平面应变应力状态和真三轴应力状态（ 0.25, 为中主应力系数, 、 、 分别为大、中、小主应力）下粗粒料的力学特性进行了压缩试验研究。试验结果表明：相同小主应力下,常规三轴试验、平面应变试验、真三轴试验的大、小主应力之差与大主应力方向应变的关系曲线依次变高变陡。某一试验加载条件下,体应变随球应力的增大而增大,初始剪切阶段增加较慢,随后呈线性增大,不同小主应力的体应变曲线较为接近。平面应变试验强度和真三轴试验强度比常规三轴试验强度有较大增长,真三轴试验强度增加百分比大于平面应变试验强度增加百分比。初始弹性模量随小主应力的增大呈线性增大。平面应变状态下中主应力系数随大主应力方向应变的增大而增大,初始剪切阶段增长较缓,之后近似呈线性增大。相同小主应力下,从常规三轴应力状态至平面应变应力状态再到真三轴应力状态,小主应力方向应变均为膨胀变形,且膨胀变形依次增大。同一试验加载条件下,小主应力较小时,应力比（偏应力与球应力之比）与偏应变的关系曲线位于上方。     

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。     

考虑应变局部化的粗粒料剪切损伤力学机制

针对粗粒料的应变软化、剪胀等力学特性,通过考虑以剪切带为标志的应变局部化现象,建立了具有广泛适用性的剪切损伤力学模型。损伤模型采用了包体理论中的剪切带数学简化,基于应变等价原理、Weibull分布,推导了粗粒料的应力-应变关系方程。从剪胀作用的机制出发,提出可以描述剪胀弱化的轴向塑性应变和体积塑性应变的非线性函数关系。结合粗粒料三轴压缩试验中的伺服过程,提出了基于遗传算法的损伤模型参数确定方法。通过开展不同围压下的粗粒料三轴压缩试验,对剪切损伤力学模型进行验证,进一步分析了参数演化对粗粒料强度和变形特征的影响。研究结果表明,考虑应变局部化特征的剪切损伤力学模型可以高精度的模拟粗粒料的应变软化和剪胀等特征,有效揭示剪切带内部变形对试样整体宏观变形的影响机制,模型中剪切带参数和围压的关系与粗粒料细观机制一致,计算得到强度组成与颗粒破碎、重组特征较为吻合。     

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。     

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。     

三维应力状态下粗粒料强度特性试验研究

粗粒料所处的应力状态具有随时间和空间而变的特点,往往处于较复杂的三维应力状态下。通过粗粒料大型真三轴各向等压固结等比例加载试验,研究了不同中主应力系数条件下粗粒料的强度特性。试验结果表明：中主应力对粗粒料的强度有重要影响,三维应力状态下,粗粒料的强度比常规三轴应力状态下有较大提高,大小主应力之差与大主应变关系曲线也更加陡峭;中主应力系数b从0增大到0.25时,破坏时大小主应力之差增加了39%～50%;摩尔–库仑强度参数咬合力c和内摩擦角? 均随着中主应力系数b的增大而增大,其中咬合力c的增长较为显著,特别是b从0增大到0.25时;相同小主应力条件下,b = 0时,破坏偏应力与球应力之比最小,b = 0.25时,破坏应力比达到最大值,随着b的增大破坏应力比又有所减小;相同中主应力系数条件下,随着小主应力的增大,破坏应力比逐渐减小。     

不同应力路径下粗粒料力学特性试验研究

采用大型三轴试验机,对粗粒料进行了常规三轴、等p和等应力比等不同应力路径的试验。通过对试验结果进行对比分析,研究了粗粒料在不同应力路径下的应力-应变、变形和强度特性,并对粗粒料的卸载体缩现象进行了分析和探讨。结果表明,应力路径对粗粒料的应力-应变和变形特性影响较大,而对强度特性影响较小;卸载体缩主要是由偏应力比η的变化所引起的,与应力路径关系很大。     

不同密度粗粒料强度特性的大型真三轴试验

干密度对粗粒料的强度特性有重要影响,特别是三维应力状态下影响更为显著。通过不同密度粗粒料大型真三轴等小主应力等中主应力系数(b=0.25)加载试验和大三轴试验研究了干密度对粗粒料强度特性的影响。结果表明,大型真三轴试验的应力曲线基本呈爬升型,高于和陡于大三轴应力曲线,表现出较强的硬化性;粗粒料强度基本随初始干密度的增大或小主应力的增大呈线性增大;大型真三轴试验强度比大三轴试验强度增大20%～97%,且小主应力越小,强度增大幅度越大;令粗粒料黏聚力为0,则内摩擦角随初始干密度的增大基本呈线性增大,随小主应力的增大而减小;破坏应力比随初始干密度的增大呈线性增大,随小主应力的增大而呈线性减小,大型真三轴试验的破坏应力比小于大三轴试验的破坏应力比。     

粗粒料大型三轴试验的尺寸效应研究

采用大型三轴仪,对双江口高土石坝的砂岩过渡料进行试验研究。通过对不同试样直径D和不同最大粒径dmax的过渡料进行等?3应力路径试验,分析了D、dmax对应力-应变-强度特性的影响,研究了室内试验存在的尺寸效应。结果表明,对同一种级配试样,破坏主应力差、内摩擦角和初始切线模量随试样直径的减小而增大;在低围压下破坏主应力差和内摩擦角的增大趋势明显,但随围压增大,增大幅度减小;对同样的试样直径,最大粒径增大,破坏主应力差和内摩擦角增大,同样这种增大趋势在低围压下明显。     

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。     

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     

基于分形理论的堆石料级配优化研究

建立颗粒粒径的质量分布分形模型,收集不同堆石坝工程32条堆石料级配曲线,统计分形维数D的分布特性。各堆石坝工程堆石料级配具有良好的分形特性,可考虑将D作为反映和描述堆石料级配特性的新指标,D在2.348～2.699之间,大多数堆石料的分形维数在2.6左右。以古水垫层料为研究对象,设计了6组不同分形维数的级配曲线,采用随机颗粒不连续变形方法（SGDD）研究不同分形维数对堆石料压实性能和宏细观力学特性的影响。分形维数从2.0到2.8,孔隙比呈先减后增趋势,在D =2.7时压实性能最优,而力链的非均匀程度随分形维数的增大而增大。综合考虑试样压实性和力链的非均匀程度,确定D =2.7时的级配为优化级配。     

高聚物堆石料回弹特性试验

基于中型三轴仪开展了高聚物堆石料回弹模量试验,分析了高聚物堆石料卸载－再加载的力学特性和回弹模量变化规律。结果表明：围压和应力水平对体积变化规律有明显影响,随着试验围压的增大,试样由初始状态的剪胀逐渐变为剪缩;高围压下,随着应力水平的增大,试样的卸载体缩量呈非线性增大;而围压在100 kPa下,卸载时表现为体胀,不同应力水平下的卸载体缩量相近且较小。平均回弹模量与初始模量的比值大约在3.9～4.2之间,应力水平为0.7条件下对应的回弹模量与平均回弹模量较为接近。高聚物堆石料的回弹模量满足邓肯-张模型关系,数值计算过程中回弹模量系数近似为初始模量系数的4.0～4.2倍。     

堆石料动力特性大型三轴试验研究

采用大型高压多功能静动三轴试验机,对某面板堆石坝闪长岩类堆石料进行了动弹性模量与阻尼比试验和动残余变形试验,研究了主堆石料、过渡料和垫层料3种坝料在循环荷载下的动应力-应变特性和动残余变形特性及其主要影响因素。试验结果表明,材料的动应力-应变关系受剪应变水平的影响较大,各种材料的动弹性模量随剪应变的增加发生衰减,而阻尼比则相应增大;围压的增加引起材料的最大动弹性模量的增加,但围压力对材料动弹模增长的影响是有限的;固结主应力比的增大,会引起有效球应力的增加,从而使材料的最大动弹性模量增大。此外,从试验结果和模型参数来看,各种材料的动应力-动应变变化规律以及动变形随振次的发展规律均可以用修正等价黏弹性模型和沈珠江残余变形经验公式进行描述     

Study on wetting deformation characteristics of coarse granular materials and its simulation in core-wall rockfill dams

The wetting deformation of coarse granular materials is often considered to be an important cause of the core wall rockfill dam cracks during impounding. By analyzing existing research results, this paper proposes a hyperbolic relationship between the wetting axial strain and wetting stress level and puts forwards a warped surface relationship among spherical stress, shear stress, and the ratio of wetting volumetric strain to wetting axial strain. To illustrate its practicability, the wetting strain model's parameter determination process is introduced and the rockfill materials wetting parameters are determined using the triaxial wetting test data. Moreover, the collapse settlement of Guanyinyan rockfill dam during first impounding is numerically simulated using the proposed method to calculate rockfill wetting deformation and verified by field measurements and monitoring data. The results show that the calculative method of wetting deformation proposed in this paper is reasonable and practical; the wetting deformation of upstream rockfill materials would cause an adverse deformation trend, which may lead to crack occurrence at the upstream slope and dam crest; and the Guanyinyan rockfill dam cracks on the top of junction mainly caused by the wetting deformation of upstream rockfill.     

堆石料残余变形特性与参数敏感性分析

基于搜集的国内多座土石坝堆石料的动力试验成果,研究了堆石料的振动残余变形特性。在整理试验数据过程中,尝试对沈珠江模型进行改进,改进模型充分考虑固结比对堆石料振动残余变形特性的影响,并能更好地拟合试验数据。通过对理想面板堆石坝进行地震动残余变形计算,对比分析了与沈珠江模型、孔宪京改进模型以及凌华改进模型的异同,阐述了本次改进模型的合理性。此外,在统计大量试验数据的基础上,给出了 - 与 - 关系曲线的平均线及上、下包络线,采用该统计曲线对理想面板堆石坝进行了地震残余变形敏感性分析。计算结果表明：参数c4、c5对坝体残余变形影响较大,参数c1、c2影响程度较小;选取均值曲线参数可应用于缺乏动力试验的中小型土石坝抗震设计。     

面板堆石坝筑坝材料动力特性试验研究

某抽水蓄能电站上水库主坝为沥青混凝土面板堆石坝,坝址区地形地质条件复杂且处于强震区,需研究其坝体和坝基料的动力特性。采用清华大学大型高压多功能静动三轴试验机,对坝基和主要坝体材料进行了动弹性模量与阻尼比试验和动残余变形试验。试验结果表明,与普通堆石料相比,软岩次堆石料和覆盖层料的动弹性模量较低且变形较大,但其动应力应变关系与动变形特性同样可以分别用修正的黏弹性动本构模型和残余变形经验公式进行描述。此外,根据动力试验结果初步论证了利用软岩和直接在覆盖层上筑坝的可行性。     

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。     

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60mm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。