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堆石料的颗粒形状特征及颗粒破碎特性试验研究

田继荣  
【摘要】:随着我国经济发展对能源需求的持续增加,水电作为一种清洁可再生能源,在我国经济发展的过程中扮演着越来越重要的角色。土石坝因工程性能好、稳定性强、抗震性能高等众多优点,在工程实践中被广泛使用。堆石料是土石坝等大型基建工程的主要填筑材料,然而筑坝堆石料由于尺寸较大,必须对其按一定比例缩尺后才能用来开展室内三轴试验。缩尺前后的颗粒形状难免会有差异,因此如何评价颗粒形状变化对堆石料变形特性的影响是十分重要的。目前对堆石料的宏细观力学特性、变形控制等基础理论研究不足,这是导致土石坝变形计算理论和方法仍滞后于工程实践的重要原因之一。此外,堆石料在围压较低时就会产生颗粒破碎,颗粒破碎将会引起级配的变化,进而对堆石料的力学特性产生显著的影响。国内外学者对堆石料的颗粒破碎特性开展了大量的试验和数值分析工作,但是目前对堆石料颗粒形状的量化及其对颗粒破碎指标影响的定量研究还不多见,对堆石料级配曲线的准确描述与推求,目前的研究还不够充分。本文综合考虑堆石料的宏观及细观力学特性,系统地研究了堆石料颗粒形状的尺寸效应,从细观颗粒形状和单粒强度的角度分析了堆石料的宏观颗粒破碎特性,对堆石料颗粒破碎引起的级配曲线的变化规律进行了研究。在国家自然科学基金项目(51678113,51379028,51608095)和国家重点研发计划(2017YFC0404900)的支持下,具体开展了以下工作:(1)对某筑坝堆石料10~20mm、20~40mm及40~60mm三个粒组的颗粒三轴试验前后的形状特征进行了测试与统计分析,研究了各形状参数随着颗粒尺寸大小的变化规律,比较了试验前后堆石料颗粒形状指标的变化规律。(2)引入高精度三维激光扫描技术对紫坪铺面板坝筑坝堆石料2.5~5mm、5~10mm以及10~20mm三个粒组的堆石料进行了空间形状分析,并且分析了单粒强度的尺寸效应。在此基础上开展了单一粒组三轴剪切试验,研究了颗粒形状指标与颗粒破碎率的相关性,研究结果为从细观颗粒角度揭示粒组尺寸效应机理提供了一定的参考依据。(3)对紫坪铺堆石料单一粒组三轴试验颗粒破碎后的级配曲线进行了分析,研究了堆石料三轴试验颗粒破碎的分形特性,基于Weibull分布函数提出了一种可以推求堆石料三轴试验级配曲线的方法,并且验证了该方法的有效性。


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