堆石料湿化变形特性研究综述

堆石料是一种重要的土石坝筑坝材料,其湿化变形对土石坝安全运行的影响较为显著.着重梳理总结了堆石料湿化变形特性方面已有的研究成果,指出目前湿化试验仪器主要有固结仪、三轴仪及平面应变仪;试验方法主要包括单线法和双线法;堆石料湿化变形的影响因素主要分为内因和外因;堆石料湿化变形模型主要包括理论模型和经验模型.通过对已有研究成...     

堆石料湿化变形特性试验研究

通过室内大三轴单线法对堆石料的湿化变形进行了试验研究,探讨了在不同密度、不同围压、不同应力水平状态分别对堆石料进行浸水后变形特性的规律性研究,根据建议的湿化模型整理了计算参数。试验结果表明:随着围压增大、浸水应力水平提高,堆石料的湿化轴向应变变大,在围压和应力水平增加超过某一范围后,堆石料的湿化轴向应变明显增大。湿化轴向体变随围压浸水应力水平的变化不是很明显。随着堆石料密度的提高,堆石料的湿化变形量产生一定量的减少。     

不同试验方法对堆石料湿化变形的影响

堆石料的浸水变形是引起土石坝后期变形的主要因素之一。为了研究不同试验方法对堆石料 湿化变形的影响,采用大型压缩仪对五通组堆石料进行了单线法和双线法湿化试验,研究了一维湿化变 形条件下单线法和双线法对试验成果的影响,比较了两种试验条件下堆石料的湿化变形规律及湿陷系 数,根据试验结果建议采用采用单线法对堆石料湿化特性进行研究。     

竖向应力对堆石料降雨湿化变形影响研究

堆石料遇水后产生的湿化变形对堆石坝的安全运行造成一定影响,但目前对降雨作用引起的堆石料非饱和湿化变形的认识还不够充分。以某工程软岩堆石料为研究对象,开展不同竖向应力条件下的降雨湿化变形试验,分析材料湿化变形基本规律及竖向应力对材料湿化变形的影响。结果表明：不同竖向应力条件下材料湿化变形发展规律相似,其湿化应变增长经历了快速、缓慢及稳定三个阶段,各阶段湿化变形量值、发展速率及稳定时间有所差异;竖向应力对初次降雨时材料湿化变形的影响十分显著,随着竖向应力的增大,湿化应变时程曲线呈完全不同的发展趋势。同时,分析了竖向应力对多次降雨循环下材料湿化变形的影响,发现低竖向应力时材料颗粒滑移、位置重排引起了大部分湿化变形,其应变增加幅值小;竖向应力较高时,颗粒破碎等加剧了湿化变形的发展,应变大幅增加;随着竖向应力的进一步增大,颗粒破碎率降低,试样密实度提高,颗粒间咬合约束作用凸显,湿化变形增幅减小。     

堆石料湿化变形计算模型及方法研究

水库蓄水和降雨入渗可导致土石坝发生显著的湿化变形,从而对坝体的应力变形性状产生重要的影响。合理的湿化变形模型和计算方法是模拟分析土石料浸水湿化变形特性的重要前提。论文基于三轴湿化试验研究成果,建议了一种新的堆石料湿化变形计算模型。该模型利用湿化变形方向的平行特性,采用堆石料本构模型计算相应的湿化体应变分量。新提出的模型仅需要一个湿化轴向应变模型参数。分别采用邓肯张EB和沈珠江双屈服面模型讨论了新湿化变形模型的具体计算模式,并通过与试验结果的对比验证了新模型的实用性。用改进的沈珠江三参数模型计算最终体应变和最终剪应变,湿化后的饱和流变规律与饱和试样的流变规律一致,湿化过程不会影响堆石料的饱和流变数值和规律。     

围压对堆石料和砂砾料强度及变形特性的影响

大石峡混凝土面板砂砾石坝主要采用砂砾料和堆石料两种不同的筑坝材料,对上述两种粗粒土开展了不同围压下的大型三轴试验,对堆石料和砂砾料的强度及变形特性进行了对比分析。结果表明,在试验的孔隙率和相对密度条件下,上述两种材料基本呈应变硬化型,在低围压下剪胀、高围压下剪缩;相比砂砾料,堆石料强度、体变模量和剪切模量参数均较低,受围压影响更大。图4幅,表3个。     

堆石料湿化试验变形过程分析

堆石料湿化变形是堆石坝变形的主要组成部分之一。由于堆石料具有流变特性,难以区分堆石料湿化过程中的湿化变形和流变变形。本文采用糯扎渡高心墙堆石坝弱风化花岗岩堆石料,进行了常规三轴试验与饱和湿化三轴试验,对饱和湿化试验中堆石料试样充水饱和过程以及发生的各类变形进行分析。研究表明,在三轴湿化试验中,堆石料试样的充水饱和过程通常会持续一定长的时间。在这个过程中,堆石料试样不仅发生湿化瞬时变形,也会发生一定大小的湿化湿态流变。本文提出了一个进行堆石料饱和湿化试验过程分析的迭代方法,可分离计算在堆石料试样充水饱和过程中所发生的湿态流变的大小,并采用迭代分析后的模型参数,对本文进行的饱和湿化试验进行了定量分析和全过程模拟计算,拟合效果较好,验证了方法的合理性和实用性。     

堆石料湿化软化特性及计算模型研究

在分析堆石料工程特性的基础上,提出了堆石料浸水软化和湿化计算模型,并以某面板堆石坝为例进行了计算,结果表明:堆石体湿化变形将引起坝体沉降量增加,从而导致混凝土面板挠度和面板内应力增大;浸润线以上堆石体湿化变形随降雨量增大、饱和度提高而增加,当堆石体完全饱和时湿化变形最大;堆石体湿化和软化变形主要受饱和度及风化胶结物含量的控制.     

堆石料的动力变形特性

本文介绍了新疆吉林台面板堆石坝堆石料的大型振动三轴试验结果，重点研究了堆石料的振动残余变形特性。试验结果表明，堆石体具有相当大的体积收缩特性，如何在堆石坝的地震永久变形中无视这一点，将会带来不可允许的误差。     

筑坝堆石料三轴剪切特性及变形破坏试验研究

为研究不同围压下筑坝堆石料强度及变形特性,利用室内大型三轴压缩试验机进行试验,分析不同围压下筑坝堆石料应力-应变特性、非线性抗剪强度指标及剪胀性的变化规律,探讨Rowe剪胀方程对筑坝堆石料剪胀变形特性的适用性,并揭示其变形破坏机理。试验结果表明：中低围压下,筑坝堆石料应力-应变曲线呈软化趋势,而高围压下则呈硬化特征。非线性抗剪强度指标随围压的增大而逐渐降低。筑坝堆石料在低围压下先发生剪缩后发生剪胀,中高围压下则发生剪缩,且围压越大,剪缩特征越明显。Rowe剪胀方程可适用于表征筑坝堆石料的剪胀变形特性。高围压下引起的颗粒破碎现象是影响筑坝堆石料变形破坏的重要因素,颗粒破碎率越大,剪胀率越小。     

水位升降过程中细粒流失促进堆石料湿化变形的试验研究

堆石料在周期性水位循环升降作用下会产生细粒流失现象,从而加剧堆石料的湿化变形。以某发生显著后期变形的心墙堆石坝的上游堆石料为研究对象,采用侧限压缩潜蚀试验装置,针对连续和间断两种颗粒级配的试样,对比开展了恒定水位和升降水位条件下的单轴固结湿化变形试验,得到了轴向应变和细粒流失量的发展过程。试验结果证实,周期性水位升降引起的细粒流失会促进湿化变形的发展,其影响程度与颗粒级配、竖向压力、水位升降速率及初始含水率有关。连续级配试样的内部稳定性优于间断级配试样,细粒流失量更少,因此提高堆石料级配的连续性会降低细粒流失对湿化变形的促进作用。增大竖向压力会提高堆石料内部颗粒间约束力,降低细粒流失量,从而降低细粒流失对湿化变形的促进作用。水位升降速率的提高会增大水对颗粒的渗透力,从而增大细粒流失量,加大湿化变形。增大初始含水率会提高堆石料的压实性,颗粒排列更紧密,细粒流失困难,降低了细粒流失对湿化变形的促进作用。     

堆石料动力残余变形特性试验研究

通过大型动三轴试验,对某水电站土石坝主堆石料的动力残余变形特性进行了试验研究,并结合数据探讨了沈珠江模型的适用性。分析表明沈珠江残余变形模型计算结果与实际结果有时存在较大偏差,不能很好地描述较高动应力情形下的动力残余变形全过程曲线。充分考虑振次和动应力比对残余变形的影响,对沈珠江模型进行了改进,使残余变形与振次的关系更符合实际。不同动应力和围压下堆石料的残余变形实测值和模型计算值对比表明,改进模型对残余体应变和残余剪应变均能较好地拟合。     

加筋堆石料的动力残余变形特性

基于堆石料动力大三轴试验结果,分析研究了加筋前后堆石料残余变形的变化规律。结果表明:随着振次的增加,加筋作用开始体现,加筋前后堆石料残余变形差值越来越大;堆石料残余变形随围压和动应力比的增大而增大;加筋3层的加固效果要好于加筋1层,但随着加筋层数的增加,堆石料残余变形减小幅度将逐渐降低;筋材网孔大小对加筋堆石料残余变形的影响较小。此外,构造了指数型经验式,较好地模拟了加筋堆石料残余剪切应变与振次的关系。     

等应力比路径条件下堆石料的应力应变特性

根据大坝石料在填筑期主应力比（σ1／σ3）保持常数，在蓄水期应力增量比（△σ1／△σ3）为小于1的常数，在此应力路径条件下进行试验，对试验结果进行了计算分析，得出了相应的关系式和规律，并根据日本的观测资料分析，得出填筑期主应力比（σ1／σ3）约为2．7。     

筑坝堆石料尺度效应对坝体应力变形的影响研究

由于试验仪器与试验边界与现场施工条件存在一定的差异,土石坝工程现场堆石料力学性能参数与试验室内三轴试验测的力学性能参数之间不可避免的存在差异,本文通过对某抽水蓄能电站上水库沥青面板堆石坝筑坝堆石料尺度效应对坝体应力变形的影响的分析,得出了筑坝堆石料尺寸效应对坝体应力、变形的影响趋势。     

人工模拟堆石料强度和变形特性试验研究

堆石料的强度与变形机理非常复杂,颗粒破碎是影响堆石料强度和变形的重要因素。本文采用水泥净浆浇筑大量单一粒径、大棱角人工模拟堆石料颗粒,从而基于三轴试验研究了不同围压条件下人工模拟堆石料的强度和变形特性,对颗粒破碎程度和形态进行了细化,探讨了颗粒破碎对堆石料体积变形的影响。结果表明,堆石料的棱角特性对堆石体颗粒破碎有着显著的影响,从而对堆石体的强度和变形特性产生影响。堆石料的颗粒破碎形态可分为棱角破碎、剪切面破碎和完全破碎;以剪切面破碎和完全破碎为主,随着围压的升高,棱角破碎对颗粒破碎的贡献越来越大。剪切面破碎和完全破碎是影响堆石料颗粒破碎增长不均匀性的主要因素。     

考虑级配影响的堆石料强度与变形特性

利用大型三轴仪选用一种典型堆石料,通过设置4种级配、4种相对密度开展一系列不同围压作用下的大型三轴压缩试验,以研究级配、密度、应力状态等因素对堆石料强度与变形特性的影响。基于以上试验,对比分析不同级配、不同密度、不同围压条件下堆石料的应力变形特性,结果表明:试样颗粒越粗,剪切过程中试样越呈现应变硬化和压缩变形特性,随着颗粒逐渐变细,应变软化和剪胀特性愈加明显;堆石料强度与变形特性不仅与其密实和所处的应力状态有关,而且初始级配对其强度与变形特性有显著影响;堆石料强度包络线符合幂函数关系,并通过分析计算验证了其合理性与正确性。分析结果为进一步研究堆石料的状态相关剪胀理论及状态相关本构模型奠定了基础。     

堆石料的压缩模量特性研究

压缩模量作为评价堆石料填筑质量的重要指标,也是大坝变形控制的依据。分析现行压缩模量计算公式存在的问题,通过水布垭室内单轴压缩试验与等应力比三轴试验,建立相同应力路径下考虑泊松比影响的变形模量与压缩模量关系式,并结合水布垭现场荷载板试验与大型压缩试验结果,对变形模量与压缩模量关系进行修正。根据原型大坝的监测沉降量,采用修正后的变形模量与压缩模量的关系式,计算堆石体的压缩模量,更符合实际。     

等应力比路径条件下堆石料的应力应变特性

根据大坝堆石料在填筑期主应力比（б１／б３）保持常数，在蓄水期应力增量比（Δб１／Δб３）为小于１的常数，在此应力路径条件下进行试验，对试验结果进行了计算分析，得出了相应的关系式和规律。并根据日本的观测资料分析，得出填筑期主应力比（б１／б３）约为２．７。