土坝劈裂灌浆在二龙口水库实践应用及效果分析

本文通过总结分析土坝劈裂灌浆施工的实践经验,阐述了二龙口水库土坝劈裂灌浆的机理与缘由、施工技术指标控制等,分析了灌浆的实际效果和成功原因,进一步说明了劈裂灌浆对处理土坝渗水的可行性.     

饱和土中劈裂灌浆压力研究

在塑性力学和大变形理论的基础上,分析土体在劈裂灌浆初始阶段的力学机理。将劈裂灌浆的初始阶段视为无限土体中的圆孔扩张问题,并将圆孔周围土体中的应力分布分为两个区域。在弹性区中土体服从小变形假设,在塑性区中服从大变形假设。利用水力压裂理论和圆孔扩张理论,假设孔隙水压力大于或等于初始应力与扩张应力增量之和时,土体将出现拉应力,若拉应力超过土的抗拉强度,土体将产生开裂,此时的灌浆压力就为初始劈裂灌浆压力。当土体在灌浆压力作用下,大小主应力正好换位时,则出现劈裂时的灌浆压力就为二次劈裂灌浆压力值,推导出饱和土体劈裂灌浆压力的理论公式。该理论的计算结果与工程实测结果比较接近,初步证实了该理论的可靠性。     

考虑中主应力时土体劈裂灌浆力学机制的大变形分析

在塑性力学和大变形理论的基础上分析土体在劈裂灌浆初始阶段的力学机制,将劈裂灌浆的初始阶段视为无限土体中的圆孔扩张问题,并将圆孔周围土体中的应力分布分为两个区域。在弹性区中土体服从小变形假设,在塑性区中服从大变形假设。假设初始劈裂灌浆压力是圆孔扩张到极限时极限扩孔压力;当土体在灌浆压力作用下,大小主应力正好换位时,则出现劈裂时的灌浆压力就为二次劈裂灌浆压力值,推导出塑性区半径、劈裂灌浆的竖向劈裂灌浆和水平向劈裂灌浆压力的理论解答,同时也获得了弹塑性区中的应力场分布规律。该理论的计算结果与工程实测结果比较接近,初步证实了该理论的可靠性。     

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。     

中主应力与大主应力方向角对软黏土排水变形特性影响

为研究中主应力系数和大主应力方向角对各向异性软黏土变形特性的影响,利用GDS空心圆柱扭剪仪对温州原状软黏土进行了一系列不同中主应力系数和大主应力方向角的排水定向剪切试验。试验过程中在大主应力方向角和中主应力系数不变的条件下,逐渐增加剪应力直至试样破坏。分析了中主应力系数和大主应力方向角对温州原状土偏应力与大主应变关系、体应变、中主应变和小主应变与大主应变关系的影响。试验结果表明：试样的应力-应变关系在中主应力系数和大主应力方向角不同时表现出明显的各向异性。当中主应力系数为0.00和1.00时,大主应力方向角对应力-应变关系的影响较小;而当中主应力系数为0.50时,应力-应变关系中的割线剪切模量随大主应力方向角变化明显。当大主应力方向角为30°时,随着中主应力系数从0.00增加到0.50,中主应变由压缩状态变为拉伸状态;当大主应力方向角为45°时,随着中主应力系数从0.00增加到1.00,中主应变由压缩状态变为拉伸状态。     

土坝坝体底部劈裂灌浆加固效果研究

介绍了传统堤坝劈裂灌浆工存在的主要问题,通过对灌浆起始劈裂点的力学求解,分析了劈裂灌浆浆液扩散规律;提出了坝体底部首先劈裂的灌浆工艺。以山东某水库堤坝劈裂灌浆工程为研究对象,利用三维有限差分数值方法分析了坝体底部劈裂灌浆引起坝体的应力和变形特征。结果表明,采用应变软化模型能有效的模拟土体材料的弹塑性力学行为,反映灌浆完成后浆脉的固结和周围土体的湿陷作用,即“浆坝互压”的作用机制,分析结果与实测结果吻合较好;同时得到了一些有价值的结论,为劈裂灌浆防渗加固工程的施工和设计提供理论指导。     

考虑主应力方向变化的原状软黏土应力应变性状试验研究

为反映真实工程条件下主应力轴旋转应力路径引起土体性状的变化,对杭州地区正常固结原状软黏土在固结不排水的主应力轴定向剪切和主应力轴单调旋转条件下的应力-应变关系进行试验研究。研究发现,不同主应力方向的定向剪切路径下,随主应力方向变化,试样中各应变发挥程度显著不同,但破坏时的临界八面体应变变化较为稳定,且当八面体应变达到5%时,强度发挥程度已接近甚至超过90%。若剪切过程中增加了主应力幅值不变的不排水主应力轴单调旋转应力路径,只要破坏时主应力方向一致,经历与未经历主应力轴旋转试样的临界应变分量接近,但主应力轴旋转会影响加载阶段试样主应力、主应变增量方向所表现出的不共轴性,并且此影响随旋转时剪应力水平的提高而趋于显著,即使在临界破坏状态下依然明显。试验结果表明,由于土体原生各向异性、黏塑性等性质的存在,并不适宜用相关联流动法则来分析主应力轴旋转条件下土体的应力-应变关系特征。     

偏应力比和应力主轴偏转角同时变化下饱和砂土变形特性研究

利用空心圆柱扭剪仪对饱和砂土进行了应力主轴固定和偏应力比增大（即定向剪切）、偏应力比不变和应力主轴单调旋转（即纯应力主轴单调旋转）、偏应力比和应力主轴偏转角同时增加、偏应力比和应力主轴偏转角分段增加4个系列的排水剪切试验,着重分析不同应力路径下饱和砂土的变形特性及主应力和主应变增量方向变化规律。试验结果表明,纯应力主轴单调旋转下,主应力增量方向在45°～135°范围内变化,主应变增量方向逐渐偏向主应力方向;偏应力比和应力主轴偏转角同时增加下,砂土变形不断增大,当主应力增量方向 45°时,主应变增量方向与主应力增量方向基本一致,但当 45°时,主应变增量方向逐渐偏离主应力增量方向。当应力状态在偏应力比 0.75、应力主轴偏转角 45°范围内时,体应变、最大剪应变与应力路径无关,且后期纯应力主轴旋转下砂土变形不受前期加载历史的影响。     

圆形应力路径下软黏土的动力特性试验研究

实际交通荷载作用下,路基土单元内的竖向应力和水平应力大小不断发生变化,剪应力幅值和方向也不断变化,从而导致土体中的应力路径呈现出主应力轴连续旋转的现象。本文通过GDS空心圆柱扭剪仪模拟类似交通荷载作用下的应力路径,开展不同围压和不同循环应力比下的主应力轴连续旋转试验,旨在研究在交通荷载类轴向纯压缩条件下主应力轴方向连续旋转时循环应力比与围压对原状软黏土的强度、累积应变、回弹应变、软化等因素的影响。试验结果表明：随着孔压的不断累积,原状饱和软黏土试样逐渐软化,轴向模量和剪切模量均随着循环应力比和围压的增加逐渐降低,并在主应力轴旋转一定的圈数后达到稳定。当循环应力比较小时,轴向和剪切应力应变滞回曲线均呈线性,不同主应力轴旋转圈数下的轴向和剪切应力应变滞回曲线近乎重合。随着主应力轴旋转圈数的增加,轴向和剪切应力应变滞回曲线越来越表现出明显的非线性,不同旋转圈数下试样的轴向和剪切应力应变滞回圈不再重合且滞回圈逐渐向x轴倾斜。随着循环应力比的增加,在主应力轴连续旋转初期,轴向模量和剪切模量迅速衰减,且随着加载圈数的增加达到稳定,并且试样的轴向模量和剪切模量达到稳定时的主应力轴连续旋转的圈数随循环应力比和围压的增大而不断增大。     

各向异性对土质心墙坝水力劈裂的影响

应力诱导各向异性对复杂应力状态下土体的应力-应变规律有重要影响,而建立在各向同性假设基础上的常用土体本构模型并不能反映土体的这种特性,因此需要分析土体各向异性对土质心墙坝水力劈裂的影响。采用各向异性非线性弹性模型,对水荷载作用下粘土心墙坝进行有限元数值分析,并与邓肯模型计算结果比较。结果表明,各向异性模型考虑了蓄水期间从小主应力方向加荷引起的土体应力各向异性,计算得出的小主应力σ3较邓肯模型的大,且相应抗水力劈裂能力亦大,则邓肯E-v模型由于不能模拟蓄水期土体各向异性特性,对于水力劈裂发生的评估可能偏于危险。     

水库土坝劈裂式灌浆施工技术

某水库主坝为均质土坝,劈裂灌浆施工前,坝体出现多条裂缝,坝坡及坝坡脚等多处渗漏水,坝土体渗透系数为6.41×10-4cm/s,坝体稳定性差。经采用劈裂灌浆施工后,其渗透系数降低至2.62×10-8cm/s,帷幕泥墙厚度及其连续性达到设计要求;坝坡及坝坡脚的渗漏水点已消除,坝体未出现新的裂缝,达到除险加固的目的。     

深厚覆盖层上高土石坝极限抗震能力分析

针对强震区深厚覆盖层上高土石坝的特点,在三维真非线性有效应力地震反应分析基础上,提出了一套深厚覆盖层上高土石坝极限抗震能力的研究方法。从稳定、变形、防渗体安全等方面,对建在深厚覆盖层上的长河坝高心墙堆石坝的极限抗震能力进行了研究和分析。根据坝坡稳定性、地震残余变形、液化可能性、单元抗震安全性、防渗心墙及坝基防渗墙安全等多角度的评价结果,初步认为,长河坝的极限抗震能力为0.50～0.55g。     

淤泥土应力-应变矢量增量的真三轴试验研究

保持大主应力、中主就力不变,增大小主应力是实际工程中可能存在的一种应力路径,土石坝蓄水和土方回填等就类似这种加荷方式。就该应力路径对宁波淤泥土进行了真三轴试验,针对真三轴试验结果,对弹塑性本构关系中涉及到的应力矢量增量与庆变矢量增量的方向变化规律进行了特定条件下的研究。结果表明,在这种应力路径下排水剪切,应变知音一增量与应力矢量增量的方向不仅不一致,而且与π平面上相应的径向应力路径的偏角也不一致,这种应力路径下的现象和结果是岩土塑性力学和计算土力学中极少考虑的。     

小主应力方向加载条件下的掺砾黏土真三轴试验

对土石坝心墙掺砾黏土开展模拟心墙单元小主应力方向加载的真三轴试验,首先对试样进行不同围压条件下等向固结,然后保持小主应力恒定,通过调整大主应力和中主应力,以模拟土石坝竣工后的初始三向应力状态。试验过程中保持大主应力和中主应力恒定,从小主应力方向单向加载,以模拟土石坝蓄水过程中心墙单元所经历的应力路径。试验结果与常规三轴试验以及复杂应力条件下大主应力方向真三轴加载试验结果都有显著不同。不同初始应力条件下,不同主应力方向的初始切线模量和初始切线泊松比的变化规律非常复杂,应力–应变显现出明显的各向异性。在心墙堆石坝施工过程及蓄水过程中,心墙单元所经历的应力路径明显不同,合理的土体本构模型应该对这种由于加荷路径不同所引起的不同方向模量和泊松比进行合理描述。     

三轴试验抗剪强度指标线性回归方法的讨论

利用线性回归统计抗剪强度指标是岩土工程中的常用手段。对于常规三轴试验,可以通过线性拟合p-q曲线或者拟合大小主应力的方法来求解抗剪强度参数,并给出了这两种方法的完整计算公式,同时应用矩法和线性回归方法统计了小浪底64组320个固结排水三轴试验和多个水利工程大坝填筑料的试验资料,发现对于常规三轴试验,拟合p-q曲线求解抗剪强度参数存在高估摩擦系数、低估粘聚力的问题;利用概率理论对两种方法进行了对比分析也发现了同样的趋势。因此,根据常规三轴试验统计抗剪强度参数时采用直接拟合大小主应力更为合理。     

基于中主应力修正关系的边坡稳定性分析

边坡稳定性分析时通常将应力条件简化为平面应变状态,采用三轴试验强度计算出的边坡稳定性偏于保守。在充分考虑中主应力物理含义及力学机制的基础上,将Mises屈服准则与Mohr-Coulomb（简称M-C）内切圆屈服准则进行匹配,得到了平面应变条件下土体屈服破坏时中主应力的理论修正关系,进而也得到了该条件下最大主应力与最小主应力的比值关系,从理论上证明了该比值关系是与土体平面应变破坏时内摩擦角成一定关系的常数,也在平面应变试验中得到了验证,从侧面反映出中主应力理论修正关系的合理性。由上述两种关系建立了土体平面应变破坏条件下的应力路径,结合Lade-Duncan强度准则,建立了平面应变条件下强度参数与三轴试验试验条件下强度参数转换公式,由该转换公式得到的平面应变条件下的强度参数与平面应变试验实测值误差在2%左右,大幅缩小了三轴试验实测值与平面应变试验实测值的误差。在均质边坡稳定分析中分别采用常规三轴试验强度值与由公式转换得到的平面应变强度值进行计算。研究结果表明,三轴试验条件下内摩擦角为10°～20°之间时,基于两种强度参数得出的安全系数相差不大;当三轴试验条件下内摩擦角大于20°时,平面应变条件下安全系数较三轴试验条件下提高19%左右,但该成果只在文中计算案例有效,两者误差的准确关系还有待于进一步研究。值得关注的是,由于平面应变条件下土体强度变大,边坡的临界滑面深度变浅了,其形态相应变陡。     

空心包体应变计地应力分量计算方法及应用

为进一步改进和完善空心包体应变计地应力计算方法,基于地应力现场实测过程中空心包体应变计的安装方式,采用线性参数的最小二乘拟合方法对地应力分量计算公式进行了推导,得出了6个地应力分量的改进算法及其标准误差的计算公式。采用实现完全温度补偿并考虑岩体非线性的地应力测量技术,对弓长岭井下矿-160、-220、-280 m 3个水平3个测点进行了地应力现场实测,得到了3组孔壁应变数据。分别使用常规算法和改进算法对3个测点的地应力分量进行计算并分析其标准误差。结果表明：采用改进算法计算得到的地应力分量其标准误差普遍小于常规算法计算地应力分量产生的标准误差,说明改进算法比常规算法具有更高的可靠度。在此基础上,对弓长岭井下矿地应力赋存规律进行了研究。结果显示：矿区地应力场以水平构造应力为主导,最大水平主应力的走向总体上为南东东-北西西方向,最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力均随深度呈增长关系。     

硬填料坝应力计算方法探讨与特性分析

通过对一个100 m高典型硬填料坝的应力变形分析,指出坝体填筑过程和硬填料随龄期和应力状态变化的应力-应变特征的模拟对坝体应力变形结果影响显著不容忽略。采用二元本构模型和仿真计算方式,研究了地基弹性模量对坝体应力和强度安全性的影响。地基的变形对坝体应力有显著的影响。地基弹模较低时与较刚性地基的坝体应力情况差异很大。地基弹模较低时,竣工期坝基面中部的拉应力和坝址与坝踵处的压应力都很大,可能并不满足抗拉和抗压强度。与竣工期相比,挡水期坝基面的压应力增加,拉应力减小,抗压强度安全性减小,抗拉强度安全性增加。对于硬填料坝,竣工期和挡水期的抗剪强度安全系数均很高,一般可不进行抗剪强度的计算。