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堆石料缩尺效应的试验研究及细观模拟

刘赛朝  
【摘要】:堆石料是土石坝工程常用的筑坝材料,随着土石坝建设高度的不断增加,其施工技术和建设要求不断提高,也就对堆石料的强度和变形等关键性指标提出了更高的要求。土石坝施工现场所用的堆石料最大粒径已经超过1000mm,而目前国内三轴仪的最大直径为1000mm,堆石料的室内试验最大粒径为200mm,就必须考虑对超出粒径范围的颗粒进行缩尺,以满足室内试验的要求,而缩尺后的试验成果与施工现场堆石料力学特性的差异,则是工程安全重点关注的问题。通过对堆石料进行超大型三轴和大型三轴剪切试验,探讨了堆石料经过缩尺后其强度与变形特性、邓肯张E-B模型参数等变化规律,采用颗粒流软件PFC真实再现室内三轴试验过程,揭示了堆石料在剪切过程中颗粒破碎位置、破碎形式和颗粒破碎对剪胀性的影响。(1)对某堆石坝主堆石区料开展试样尺寸分别为φ500×1000mm(最大试验粒径为100mm)和φ300×700mm(最大试验粒径为60mm)超大型三轴和大型三轴剪切试验,整理得到超大型三轴和大型三轴试验后的粘聚力C分别为201.1和199.5k Pa,内摩擦角Φ分别为39.7°和40.4°,与大型三轴相比,堆石料的超大型三轴试验结果均偏低,但主要是内摩擦角,对粘聚力的影响不大。(2)整理两组试验的邓肯张E-B模型参数发现大型三轴和超大型三轴弹性模量参数K分别为1294.1和1106.8,体积模量参数K_b分别为545.9和498.8,即大型三轴邓肯-张弹性模量参数K以及体积模量参数K_b分别比超大型三轴大16.92%和9.44%。分析还发现大型三轴和超大型三轴的初始变形模量呈幂函数关系,泊松比则呈二次多项式关系。(3)采用颗粒流PFC软件建立含有柔性体颗粒簇cluster的试样,分别开展了超大型三轴和大型三轴的细观数值三轴剪切试验。在调节细观参数过程中发现,颗粒的法向刚度和切向刚度越大,其初始弹性模量越大;峰值应力随着摩擦系数的增大而增大;颗粒簇的法向连接力和切向连接力越大,颗粒簇越不易破碎;颗粒的刚度比与试样的剪胀性有关,刚度比越小,试样越容易出现剪胀。(4)分别统计了超大型三轴和大型三轴围压为3000k Pa时几个特殊应变时刻的颗粒破碎情况,发现加载初期颗粒破碎率较低,在偏应力峰值前应变时刻开始产生大量颗粒破碎,随后颗粒破碎迅速增加,初步揭示了超高土石坝中的堆石料在高围压作用下颗粒破碎现象明显的内在机理。(5)分别统计两组数值试验的颗粒破碎类型及分布情况,发现两组试验的颗粒破碎大部分都是在剪切作用下发生的破坏,观察破碎颗粒的分布发现,颗粒破碎量较大的位置与剪切带的位置基本相同,分布上大体呈X型分布。


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