钙质砂一维蠕变分形破碎特性宏微观试验研究

钙质砂是远洋地区港口、机场和民用建筑等构筑物的天然地基材料。通过钙质砂一维压缩蠕变试验和微观结构测试,发现了蠕变前后表面孔隙面积减小且呈分散分布的规律以及试验过程中试样瞬时变形、快速变形和衰减变形特征与粒径的高度相关性;利用基于分形理论改进的相对颗粒破碎率和质量分形维数描述了蠕变前后颗粒破碎程度,得到了分形维数和蠕变与时间的衰减形态曲线关系以及宏观质量分形维数和微观表面分形维数的线性关系,并在此基础上对单一粒径组钙质砂蠕变过程中的分形破碎行为进行了多尺度分析和宏微观跨尺度关联性研究,获得了蠕变过程中颗粒破碎发展以及微观孔隙变化规律,证明了钙质砂蠕变过程中的颗粒重组排列、破碎和研磨行为,揭示了钙质砂蠕变机制。     

九甸峡堆石料三轴蠕变试验初探

堆石料蠕变变形,是高土石坝设计中关注的主要问题之一,目前尚未很好解决。针对当前高土石坝的需要,采用大型高压三轴蠕变仪进行了堆石蠕变试验。通过试验,对堆石的三轴蠕变试验方法进行论述,并对堆石三轴蠕变试验中的蠕变时间起点、蠕变变形稳定标准进行了讨论,同时建议了三轴蠕变试验中蠕变时间起点和蠕变稳定的参考标准。试验结果表明,堆石的蠕变变形与围压及应力水平有关,特别在高围压、高应力水平作用下,蠕变稳定明显缓慢;在双对数坐标下,蠕变变形与时间呈较好的线性关系,且不同应力状态下的堆石蠕变规律基本相似。     

不同含水率条件下EPS颗粒轻量土蠕变特性试验研究

为了得到轻量土路基中央部位在长期荷载作用下的蠕变规律,通过单向固结蠕变试验,分析了不同含水率EPS颗粒轻量土、素土在不同轴向压力下的蠕变特性。研究表明:固定其他因素,轴向压力越大,含水率越高,土样蠕变变形越大。轻量土加载1d基本上可以达到总变形的93%～98%,蠕变变形具有明显的衰减特征。轻量土是一种结构性土体,与素土蠕变机理完全不同。当轴向压力小于压缩屈服应力时,轻量土蠕变变形主要是孔隙闭合、水分的排出、固体颗粒移动的结果;当压力大于压缩屈服应力时,轻量土土样原有结构被破坏,EPS颗粒自身会被压缩。基于土体衰减蠕变特征,本文依据双曲线模型建立了轻量土经验蠕变模型,基本上可以反映路基中央部位轻量土的蠕变规律,经验模型适用于轻量土条件为轴向压力小于土体压缩屈服应力。试验与理论计算分析表明,轻量土固结特性优于素土,路基沉降在施工过程中就可以达到稳定,运营期间的工后沉降基本可以忽略。     

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。     

上海砂土蠕变变形特征的试验研究

采用室内单向压缩试验研究了上海砂土的蠕变变形规律和蠕变机制以及蠕变变形与应力历史的关系。试验结果表明,上海砂土具有明显的非线性蠕变特征,应变与应力、时间的关系可以用幂函数拟合;应力历史对砂土的蠕变性有显著影响,当荷载小于预压荷载时砂土的蠕变性显著减小。上海砂土的蠕变原因主要是砂土颗粒间的相互错动滑移所致。     

珊瑚砂高压力下一维蠕变分形破碎及颗粒形状分析

珊瑚砂是一种含钙极高的海洋生物成因材料,具有高棱角性、形状不规则、易破碎等特点。通过珊瑚砂的高压一维蠕变试验,研究颗粒破碎引起颗粒分布曲线和形状因子的演化规律。借助于高速动态图像的激光粒度粒形仪器,从统计学的角度分析试验前后颗粒形状随压力演化的关系,发现颗粒的形状因子,如长宽比、球形度和凹凸度等,随压力增加而逐渐增加。不同粒径的颗粒形状因子均向一个窄幅范围趋近,说明颗粒破碎具有无尺度性和自相似性的分形特性,分形维数随压力增加而逐渐增大,且趋近分形破碎极限。采用Hardin和Einav的方法计算相对破碎量,发现在两种计算方法下相对破碎量与压力呈幂函数关系,且幂指数相同。相对破碎量随时间增加的现象并不明显,说明在高压力下颗粒破碎主要为压缩破碎,且颗粒细化滑移填充孔隙引起的变形是造成蠕变的主要原因。     

高应力下颗粒材料一维力学特性研究(Ⅱ):蠕变性质

现场和试验观测表明,高应力下砂土的蠕变过程伴随着颗粒破碎现象。通过开展砂土的一维蠕变试验发现,试样的颗粒破碎量随时间增加而增加,且蠕变速率与颗粒破碎速率成正比。在此基础上,分析了蠕变过程中能量转化关系,利用表面物理学和分形几何学理论,得到了一维蠕变条件下颗粒破碎速率与宏观蠕变速率之间的关系表达式。研究结果表明,高应力一维蠕变条件下颗粒材料的宏观蠕变速率与颗粒破碎速率成正比。最后,对该研究采用的等效化方法进行了讨论。     

基于颗粒流的堆石料三轴剪切试验研究

近年来频发的地质灾害使得深入研究大坝堆石体受力变形机制显得愈发迫切和重要。针对堆石颗粒具有形状极其不规则、咬合作用突出的特点,编写了一个简单易用的程序来随机生成形状不规则的数值颗粒。以正四面体为核,按照晶胞繁衍的方式,生成堆石的仿真颗粒集合体。模拟排水剪切条件下的大三轴试验,通过分析数值试验过程中细观参量的变化规律,探讨三轴剪切条件下堆石体变形的细观机制。分析表明,按照晶胞繁衍法生成的数值颗粒与圆颗粒相比能更好地模拟堆石,由颗粒簇形成的咬合力能形成更真实的力-变形关系;数值试验得到的应力-应变曲线和体变曲线与室内三轴试验结果基本一致;颗粒的破碎速率是联系堆石体宏、细观力学性质的重要纽带,通过分析堆石体颗粒破碎4个阶段细观参量的变化规律,深化了对堆石体变形机制的认识。     

砂土高压蠕变微观机理分析

砂土层在地面沉降过程中呈现一定的蠕变特性。文章采用一维压缩试验对4 MPa 下砂土的变形特征进行了研究,并 采用改进的试验装置对砂土的微观结构进行了提取。通过对8 组不同级配砂土样的蠕变特性和微观结构分析,得到如下结 论：粒径单一的砂土在蠕变过程中更容易出现突变,砂粒受力后更容易发生破碎,产生滑移错动;砂土蠕变的蠕变量与砂 粒级配密切相关,砂土的粒径越单一且粒径越大时,砂土的蠕变量也越大;采用表征砂土颗粒形状复杂程度的形状系数, 从微观上定量分析了砂土在蠕变过程中发生破碎的情况和蠕变量大小,且形状系数越小,表明该种砂土形状越复杂,在蠕 变过程中砂土的破碎性越高,蠕变量越大。     

隧道衬砌结构三轴压缩蠕变特性试验研究

使用MTS-815液压伺服系统对隧道衬砌的混凝土试件进行了三轴压缩蠕变试验,当压缩蠕变强度达到混凝土试件抗压强度的85%时进入加速蠕变阶段。分析了隧道衬砌混凝土三轴压缩蠕变变形的特点,确定采用摩尔-库仑准则和Burgers模型串联组合而成的黏弹塑性模型可以合理地描述衬砌混凝土的蠕变特性。组合模型的黏弹性状态与Burgers模型一致,塑性状态与Mohr-Coulomb模型一致,它不仅能够反映衬砌结构蠕变的全过程,且能模拟材料的黏弹塑性变形特性,解决了典型Burgers蠕变模型只能描述黏弹性蠕变的缺陷。同时也研究了三轴试验条件下组合蠕变模型参数的求解方法,得到隧道衬砌混凝土的蠕变参数。     

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。     

堆石料湿化变形特性试验研究

湿化变形是土石坝的主要后期变形之一,对坝体的应力变形性状具有显著影响。采用糯扎渡高心墙堆石坝的弱风化花岗岩堆石料进行了常规三轴试验、不同围压和应力水平条件下的流变-湿化组合试验和快速湿化三轴试验等,分析了流变-湿化组合试验各阶段的变形特征,重点研究了堆石料湿化变形的过程、特性及发生机制。结果表明,可将堆石料湿化变形划分为湿化瞬时变形和湿态流变变形两个部分。其中,湿化瞬时变形是堆石料随浸水饱和过程发生的变形,其应变增量的方向平行于相应应力状态下应力加载应变增量的方向,且具有非硬化特性;湿态流变变形是堆石料试样在饱和浸水完成后发生的随时间的变形,和一般堆石料的流变变形具有相类似的特性。湿化变形是堆石料浸水后所导致的物态弱化变形。可将堆石料湿化看作一种广义的荷载。     

高混凝土面板堆石坝流变的三维有限元数值模拟

采用一种新的能模拟高围压条件的堆石料幂函数流变本构模型,对水布垭面板堆石坝进行了考虑堆石料流变特性的应力-应变仿真分析。结果表明,考虑堆石料流变特性后的坝体变形有明显的增加,坝体应力有所松弛。堆石体的流变特性使得面板的挠度有所增加,面板顺坡向和坝轴向拉应力极值有所增大。对于分期浇筑面板、分期蓄水的高混凝土面板堆石坝,选用合适的流变本构模型正确地模拟堆石体的流变特性,其结果可以为大坝填筑进度及面板分期浇筑时间的确定提供参考,对于正确地预测大坝的应力变形也具有重要意义。     

考虑拱效应的高面板堆石坝流变收敛机制研究

采用一种能模拟高围压条件的堆石料幂函数流变本构模型,探讨狭窄河谷条件下堆石体流变变形的发展规律及相应的控制流变变形的工程措施。数值仿真结果表明,在狭窄河谷中的堆石体存在着拱效应。由于拱效应的影响,如果不考虑堆石体流变导致拱效应减弱而增加的附加变形,数值仿真计算得到的大坝变形将小于其真实的变形。受拱效应影响,堆石体初期变形的速率受到抑制,但随着坝体的升高、蓄水后水压力的加大以及堆石体随时间发展等流变变形因素的影响,堆石体中的拱效应逐渐减弱。要减小面板浇筑后由于其下卧的堆石体流变产生的附加变形,可以尽量利用面板过水及堆石体挡水,以加快堆石体流变变形的完成。采取措施,避免大的陡坡突变以及面板浇筑时间滞后其下卧堆石体断面几个月。     

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。     

Discrete modelling of time‐dependent rockfill behaviour

This modelling study deals with the time‐dependent behaviour of rockfill media, which is of particular interest during the life of rockfill dams. Breakage of rock blocks and crack propagation are the main processes responsible for rockfill creep and collapse. The modelling procedure presented here is performed on two scales: on the rock block scale, where the grain is taken to be an assembly of rigid particles initially endowed with cohesive bonds, and on the rockfill scale, which is taken to involve a set of breakable grains interacting via contact and friction processes. The grain breakage process is described in term of a thermodynamically consistent damage interface model, where the damage is a gradual delayed process. This model was implemented in a non‐smooth contact dynamics code. The effects of the main parameters involved were analysed by performing numerical studies. The ability of the model to predict the creep behaviour of rockfill media is confirmed by presenting several simulations. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

考虑堆石体流变效应的高面板坝最优施工程序研究

考虑高面板坝堆石体的流变变形效应对堆石体的最优施工碾压进度方案进行了研究。结果表明,堆石体的本身流变变形特性对不同施工碾压进度方案下的面板垫层变形影响较大。堆石坝不同材料分区的特点从客观上决定了高堆石坝必然存在一个较优的施工填筑上升方案。堆石体均匀上升的填筑进度方案的面板垫层法向最大位移较小,且沿面板坡向的分布比较均匀,对面板与垫层间的协调变形有利。从最优填筑方案的角度来看,建议高堆石坝采用均匀上升的碾压施工程序。     

Particle mechanics modeling of creep behavior of rockfill materials under dry and wet conditions

Rockfill is an important construction material for infrastructure engineering, such as dams, railways and airport foundations, which display a long-term post-construction settlement. However, the main mechanisms for rockfill creep and weathering influence still remain poorly understood. Particle mechanics method is used to understand the rockfill creep process under dry and wet conditions. Different bond-aging models and wetting models that represent different degradation and weakening mechanisms are compared, in order to clarify the principle and secondary mechanisms for rockfill creep and weathering influence. The results show that rockfill aggregate breakage in terms of angularity abrasion is the main source for rockfill creep under dry state. Wetting can induce additional strain mainly due to the reduction of contact friction coefficient, i.e. lubrication, and the bond strength reduction just plays a secondary role in producing additional strain. The earlier the wetting occurs during rockfill creep, the more rapidly the rockfill becomes stable. The wetting–drying cycles can induce strain evolution in a ‘stepped’ way, which is in agreement with experimental observation. The practical implications from the modeling and the outstanding issues in this study are also discussed.     

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。