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平面应变条件下堆石料强度和中主应力研究

石修松  
【摘要】:堆石料是堆石坝的主要填筑材料,由大小不等的颗粒彼此充填而成的散粒体,具有强度高、变形小、透水性强等优良工程性质,因此在工程建设中得到了广泛的应用。随着筑坝高度和规模的扩大,对高围压下堆石料强度和变形特性的研究就显得愈加重要。 堆石料在高应力下的力学性质对堆石坝的安全和正常使用起到关键性的作用,必须对堆石料在平面应变条件下的应力应变特性进行深入的试验研究。针对以往的研究中存在的问题,本文对三种堆石料进行常规三轴实验、方形三轴实验和平面应变实验,通过对试验成果的整理和理论分析,研究了堆石料的强度特性、平面应变条件下的中主应力和不同试验条件下的颗粒破碎特性。本文的主要成果如下 (1)在实验的基础上指出了堆石料常规三轴试验、方形三轴试验和平面应变实验对应的应力应变曲线的显著差异。对本文所用的堆石料而言,固结压力相同时,方形三轴试样的峰值强度高于常规三轴试样,平面应变试样的峰值强度高于方形三轴试样,堆石料密度较大时,方形三轴试验对应的应力应变曲线接呈现软化特征,存在明显的偏应力峰值。本文从实验过程中颗粒运动的自由度的角度给出了解释。 (2)任何一组方形三轴试验对应的摩尔圆大致具有同一条公切线,平面应变试验成果也具有类似的强度特征,因而可以采用Mohr-Coulomb破坏准则描述堆石料的强度特性,此外,同一种堆石料在平面应变条件下破坏时的Lode参数基本保持不变,且在数值上近似等于方形三轴试验对应摩擦角的正弦值。 (3)在试验的基础上,通过双剪强度理论建立了平面应变条件下堆石料强度与三轴应力条件下强度的关系式,通过与实验数据的对比认为,本文建立的强度关系式基本可以描述小主应力为常数时堆石料平面应变条件下的强度特性。对平面应变状态下堆石料强度影响因素的分析表明,在本文的模型框架内,平面应变状态下的摩擦角仅与三轴应力状态下的摩擦角相关,而对应的粘聚力主要取决于方形三轴试验对应的粘聚力,三轴应力状态下的摩擦角对其影响较小。 (4)通过堆石料平面应变实验揭示了在小主应力为常数时,中主应力在整个变形和破坏过程中的变化规律。以Mohr-Coulomb强度准则为基础,通过平面应变条件下与之等价的广义Mises准则确定破坏时的Lode参数和加载比,在假定Lode参数和加载比在加载过程中服从线性规律的基础上,通过各向等压固结渐进状态和破坏状态时的各主应力之间的关系确定了线性系数,并给出了中主应力的计算公式。讨论了Mohr-Coulomb强度准则对应的强度参数c、φ对主应力关系的影响。将本文提出的理论公式与实验数据进行对比,表明本文提出的中主应力计算公式基本可以描述小主应力为常数时堆石料在平面应变条件下的主应力关系。 (5)对伊江上游其培水电站大坝垫层料进行4组高围压大型三轴试验,依据实验前后粒径分布资料,通过建立分形模型,研究了堆石料的破碎分形特性。结果表明,相同的密度下,随着围压的增加,堆石料破碎分维数增大;在相同的围压下,破碎分维数随着密度的增加而增大。破碎分维数反映了颗粒破碎后粒径的大小,分布的均匀程度,分维数越大,破碎量越大,并与Marsal颗粒破碎率存在较为显著的线性回归关系。对于不同试验条件下的颗粒破碎成果进行分析表明,在试验围压范围内,平面应变条件下堆石料的的破碎分维数高于同围压下的方形三轴试验,同时方形三轴试验的破碎分维高于常规三轴试验。


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