考虑孔隙比影响的堆石料湿化试验及湿化模型

对某堆石坝的坝壳料进行了不同密实状态下的单线法三轴湿化试验,分析了湿化变形随围压、应力水平以及初始孔隙比的变化规律。结果表明:在围压和应力水平相同条件下,随着初始孔隙比的减小,堆石料湿化轴向应变和体积应变均明显降低;初始孔隙比对湿化应力剪胀规律影响不大,采用对数形式的湿化剪胀方程可对不同初始孔隙比条件下的湿化应力剪胀关系进行统一描述。对指数形式的湿化轴向应变经验模型进行修正,构建了考虑初始孔隙比及应力状态影响的湿化轴向应变计算模型,并联立湿化剪胀方程推导了湿化体积应变的计算公式,通过对三轴湿化试验结果进行模拟验证了该公式的合理性。

温湿度联合作用下软岩粗粒料三轴剪切力学特性研究

软岩粗粒料具有风化程度高、易破碎等特点,其力学特性易受温湿环境的影响。利用自主研制的温湿控制粗粒料大型三轴仪开展了一系列控制温湿度的软岩粗粒料三轴剪切试验,探究了温湿度对软岩粗粒料剪切强度、剪切变形、颗粒破碎及临界状态的影响规律。研究发现:(1)软岩粗粒料的力学行为受温湿度影响显著,随着温湿度的升高,其峰值剪切强度降低,剪缩变形量增加,颗粒破碎程度增大,p-q空间内的临界状态线向下旋转,同时e-(p/pa)^(ξ)空间内的临界状态线向下平移;(2)温湿度对力学特性的影响在低围压条件下更显著,随着围压的升高,温湿度引起的差异性变小。(3)基于不同温湿度作用下的颗粒破碎等效对应关系,实现了不同温湿工况下颗粒破碎及临界状态试验规律的归一化,为建立统一考虑温湿度影响的本构模型提供思路。

轮胎加筋砂垫层抗液化性能振动台试验研究

将废弃橡胶轮胎内填充散体材料形成加筋土结构,已被应用于地基、挡土墙和边坡加固等工程,表现出较好的减震隔振效果,而轮胎加筋土的抗液化性能尚缺乏研究。开展3组小型振动台试验,通过改变轮胎垫层的排水条件,验证轮胎加筋砂垫层的抗液化效果。结果表明:轮胎加筋砂垫层具有良好的抗液化效果,与刚性垫层相比,超静孔压比峰值差值范围在0.01~0.19,残余超静孔压比差值范围在0.08~0.16,轮胎加筋砂垫层提供的排水通道具有抑制超静孔隙水压力发展和加速超静孔隙水消散的作用,孔隙水会沿着轮胎与下部土体的界面以及胎间的排水通道排出;采用量测侧向动土压力的方法,定义土体液化程度量化指标,进一步验证轮胎加筋砂垫层抗液化效果;振动过程中轮胎加筋垫层表面沉降范围为11.3~15.7 mm,表现出较好的变形协调性能。

循环剪切作用下土工袋组合体动力特性试验研究

土工袋具有承载力高、阻尼大、造价低等诸多优点,是一种适用于村镇地区中、低层房屋的减/隔震材料。通过开展室内循环剪切试验对土工袋组合体的剪切应力⁃剪切应变关系、动力特性参数以及抗剪强度进行分析讨论,探究不同竖向应力与剪切应变幅值条件下土工袋组合体动剪切模量与等效阻尼比的变化规律,同时研究了循环次数对土工袋组合体动力特性参数以及抗剪强度参数的影响。试验结果表明:在小变形情况下,土工袋组合体的峰值剪切应力和动剪切模量随着循环次数的增加而逐渐增大,等效阻尼比则随着循环次数的增加而逐渐减小;在大变形情况下,土工袋组合体发生层间滑移并出现界面软化现象,此时的峰值剪切应力(抗剪强度)随着循环次数的增加而逐渐减小,动力特性参数随循环次数的变化与小变形情况下完全相反。随着循环次数的增加,土工袋组合体的抗剪强度参数似摩擦角逐渐减小,似黏聚力逐渐增大并趋于稳定。在剪切应变幅值较大的情况下,土工袋组合体通过袋内土体的剪切变形以及土工袋层间滑移产生摩擦耗能,具有较好的减振消能效果。

土工袋抑制膨胀土冻胀性能试验及机制探讨

寒区膨胀土输水渠道普遍存在严重的冻胀破坏问题,严重损害工程效益。为探究不同含水率、不同干密度下土工袋抑制膨胀土冻胀性能演化规律及其物理机制,开展了土工袋制样标准率定试验和有无袋体约束下膨胀土的冻胀变形试验。试验结果表明:土工袋试样的压实高度与其干密度存在一一对应关系,可以通过控制土工袋的压实高度来精确控制土工袋的制样干密度;无论是否有袋体约束,试样的冻胀变形与时间关系曲线均可划分为冷缩、快速冻结和冻结稳定3个阶段;对于初始状态相同的膨胀土试样,袋体约束作用下其冻胀量显著减小,也即土工袋可有效地抑制膨胀土冻胀;随着含水率的增加、干密度的增大,试样的冻胀率均显著增大;土工袋的冻胀抑制率随着干密度的增加而显著增大,但含水率增加后土工袋的冻胀抑制率并未显著提升;通过分凝势理论和加筋约束原理,揭示了土工袋抑制膨胀土冻胀的内在机制;基于压汞试验获取的膨胀土孔径分布曲线,提出了袋体约束作用下冻结膨胀土的骨架结构概念模型,较好地解释了含水率和干密度对土工袋冻胀抑制率演化规律的影响差异。

土工袋隔震农村民居现场激振测试及效果评价

为验证土工袋垫层在城乡中低层民居中的减隔震效果,在地震多发区金沙江白鹤滩水电站坝址附近的民居点修建了中国首幢含有土工袋隔震垫层的农村民居。土工袋隔震垫层主要由土工编织袋包裹建筑级配砂堆叠而成,具有就地取材,价格低廉、施工简单等技术优势,适用于广大农村地区的中低层房屋建筑。现场大型原位激振试验结果表明:经过土工袋垫层处理后,地基结构三向峰值加速度的绝对值和隔震系数较未处理时均显著减小,验证了原位条件下土工袋垫层房屋基础具有良好的隔震效果,有望在实际地震来临之时保障民居免遭严重损失,为城乡综合隔震减灾提供新技术思路。

改进hhu-SH模型及其在面板堆石坝工程中的应用

针对粗粒料的剪胀特性,引入4次幂函数剪胀方程对基于细观结构的粗粒料弹塑性本构模型(hhu-SH基本模型)进行改进,并给出了改进hhu-SH模型屈服函数、硬化参量、初始弹性模量的推导过程以及参数确定方法。基于某抽水蓄能电站下水库面板堆石坝工程,利用其筑坝粗粒料的三轴CD试验和等向压缩试验结果,整理出改进hhu-SH模型的参数,模拟大坝填筑和蓄水过程,并将计算结果与邓肯E-B和南水模型的计算结果进行对比。结果表明:在坝体位移的定性分布规律上,改进hhu-SH模型、邓肯E-B模型以及南水模型的计算结果基本一致,验证了该模型的工程适用性;基于改进hhu-SH模型计算的坝体变形、面板变形和应力以及接缝位移预测值均小于E-B模型,但与南水模型较为接近;基于改进hhu-SH模型计算得到的面板顺坡向应力整体受压,结果更符合实际。

基于颗粒堆积算法的堆石料压实密度预测研究

堆石料的压实密度是反映其工程力学特性的重要指标。提出了一种基于降维映射的颗粒堆积算法,仅有一个模型参数即可在给定堆石料级配的情况下实时预测当前级配下的最大干密度。与试验结果对比发现,该算法能够较好预测给定的连续、间断级配堆石料最大干密度,为堆石料级配的高效优化设计提供了新思路。采用该算法模拟了堆石料细料截断和缩尺对堆石料压实密度的影响,结果表明:本算法可以较好地根据缩尺后的结果预测原型级配的堆石料压实密度,但堆石料压实密度的缩尺效应预测存在细料截断误差,误差与细料含量呈正相关;堆石料缩尺后粗料部分骨架的孔隙尺寸降低,有降低压实密度的趋势,而缩尺时增加的细料含量对密度的影响并无统一的规律,而是与粗料和细料的具体粒径分布相关。

土工袋竖向承载及循环压缩特性试验研究

土工袋技术近年来已被成功应用于房屋地基加固,具有较好的隔震效果,但其在动荷载条件下的变形特性尚未深入研究.为了进一步分析土工袋竖向承载能力及变形特性,开展一系列室内土工袋组合体无侧限极限抗压强度试验以及循环压缩试验,并通过控制循环次数、上部静荷载及循环荷载比值的大小研究其对土工袋组合体竖向应力、应变和动压缩模量的影响.试验结果表明:随着层数的增加,土工袋组合体极限抗压强度逐渐减小并趋于稳定值0.7 MPa,压缩模量峰值也随之减小并稳定于6.73 MPa;循环压缩试验初期土工袋组合体塑性变形显著,每一循环周期产生的竖向残余应变随着循环次数的增加逐渐减小并趋于0;动压缩模量在试验过程中基本保持稳定,不受循环次数的影响;随着上部静荷载的增大,土工袋组合体动压缩模量逐渐增大,上部静荷载为50 kN的土工袋组合体经过200次循环荷载作用后动压缩模量达到53.87 MPa;反之,循环荷载比值越大,动压缩模量越小,循环荷载比值为0.4条件下土工袋组合体在200次循环荷载作用后仍能达到49.39 MPa;在竖向动荷载作用下,土工袋能够满足其作为隔震材料的承载能力及稳定性要求.

混凝土面板堆石坝跨尺度有限单元模拟技术的开发与应用

混凝土面板的薄板结构特性以及计算成本的控制需要,导致面板模拟精度相比面板复杂的工作条件、结构重要性而言过于粗糙,严重影响数值模拟计算的可靠性。【目的】为了实现面板的精细化模拟,【方法】通过在面板堆石坝的有限元计算中引入六面体任意节点单元,开发了一种混凝土面板堆石坝跨尺度有限元模拟技术,采用该技术对某面板堆石坝进行数值模拟,并与常规有限元模拟结果进行对比。【结果】结果显示,采用跨尺度精细化模拟技术,面板拉、压应力均有显著增大趋势,其中水平向压应力和顺坡向拉、压应力的增幅分别达到10%、40%和70%左右,两岸局部水平向拉应力甚至出现8倍以上增幅;沿面板厚度方向应力、变形也显示出压应力向表层发展、拉应力及结构缝张开度向底部发展的现象,尤其是顺坡向拉应力,表层、底层拉应力比值超过2.0;计算结果与面板堆石坝实际运行表现相互吻合。【结论】对比研究表明,跨尺度模拟技术不仅可以精细地反映单块面板的应力变化、接缝位移变化,而且可以反映面板变形与应力沿厚度方向的变化规律,为复杂面板堆石坝结构设计提供了更加可靠的依据。该技术计算效率、模拟精度高,具有很大的推广应用价值。

土工合成材料缓冲层减压膨胀土挡墙侧向压力的实用预测方法研究

回填膨胀土吸水至饱和状态时,土工合成材料缓冲层减压膨胀土挡墙墙后侧向压力的预测方法,对减压膨胀土挡墙的设计至关重要。假定膨胀土变形由吸水膨胀变形和外力压缩变形组成,以弹性理论为基础推导了膨胀土弹性模量和膨胀力的计算公式,公式参数通过膨胀土有荷膨胀试验确定;基于减压挡墙中回填膨胀土吸水至饱和时土工合成材料缓冲层与回填膨胀土间相互作用关系与变形协调条件,建立了一种土工合成材料缓冲层减压膨胀土挡墙侧向压力的实用预测方法。根据土工袋缓冲层减压膨胀土挡墙和土工泡沫板缓冲层减压膨胀土挡墙模型试验结果,对提出的预测方法进行了验证,结果表明通过预测方法得到的计算结果与模型试验中实测结果具有良好的一致性。

附加质量法在土石混合料密度检测中的适用性研究

附加质量法已经在多座土石坝工程的不同筑坝料密度检测中得到了应用,随着近年来水利水电工程的发展,宽级配高细粒含量的土石混合料也逐渐被应用在坝体填筑中,而附加质量法在土石混合料中的适用研究开展的仍较少。依托某抽水蓄能电站工程,对不同风化玢岩含量的混合填筑料开展了附加质量法试验和坑测密度试验,并对附加质量法密度求解的准确性进行了讨论和分析。经过研究发现:附加质量法在玢岩含量较低的试料中表现良好,但随着混合料玢岩比例的提高,试料的实测干密度以及附加质量法测得的频率和刚度均表现出一定的随机性,部分测点结果的合理性较差,需要开展ω^(-2)-Δm相关性分析来验证测点结果合理性才能取得准确的密度结果。

水平循环剪切作用下土工袋竖向变形特性试验研究

土工袋作为一种地基加固材料在工程中的应用越来越广泛,研究表明土工袋具有较高的阻尼比,能够有效地消能并阻隔地震波由场地向上部结构的传递。为了解土工袋在水平循环荷载作用下的竖向变形特性,开展了一系列土工袋组合体的水平循环剪切试验,研究了循环次数、竖向应力以及剪切应变幅值等加载特征对土工袋组合体竖向变形的影响,探讨了水平循环荷载作用下土工袋组合体的变形机制。结果表明:(1)土工袋组合体的累积竖向应变在试验初期变化较为显著,随着循环次数的增加,其累积竖向应变逐渐趋于稳定;(2)竖向应力和剪切应变幅值对土工袋组合体的竖向应变影响显著,随着竖向应力与剪切应变幅值的增大,其竖向应变也随之增加;(3)土工袋组合体在较大剪切应变幅值条件下开始出现层间滑移,试验初期土工袋组合体在层间滑移阶段竖向应变基本保持稳定,但是随着循环次数的增加,土工袋组合体层间界面反复摩擦使层间的咬合作用发生变化,靠近土工袋组合体层间界面的砂土颗粒在此过程中又进行了重新排列,最终导致试验后期土工袋组合体单次循环产生的竖向应变增量呈现出增长趋势。

膨胀土巴西劈裂强度及其破坏能量演化规律

为探究膨胀土的抗拉强度及破坏特征演化规律,完整描述其拉伸破坏特性,通过试验验证巴西劈裂试验在膨胀土试样抗拉强度测定中的适用性,并在此基础上较为系统地探讨含水率和干密度对膨胀土抗拉强度及加载过程中能量演变的影响。结果表明:巴西劈裂试验对试验范围内的重塑膨胀土样具有较好适用性;试样抗拉强度随含水率升高而减小,且干密度越大减幅越大,随初始干密度增加而增大,且含水率越高增幅越小;膨胀土试样的破坏能与抗拉强度具有类似的变化趋势,但存在一“临界含水率”使得破坏能随含水率增加近似呈现双线性降低趋势,且该“临界含水率”随试样初始干密度的增加而增大。研究结果拓展了巴西劈裂试验的应用范围,并得到了将能量指标作为土体抗破坏能力辅助指标的工程启示。

不同袋内材料对土工袋单元体静动力剪切特性的影响

为了进一步研究不同袋内填充材料对土工袋单元体在静动力作用下剪切特性的影响,采用室内大型剪切系统对不同袋内填充材料土工袋单元体进行了一系列单剪试验和循环剪切试验。结果表明:土工袋单元体表现出的剪切变形规律基本符合摩尔-库仑屈服准则,其抗剪强度主要由土工袋表面张力和袋内土体颗粒之间的摩擦力共同提供;不同袋内填充材料对土工袋单元体的剪切变形特性有一定的影响,相对于壤土土工袋、碎石土工袋,天然河砂土工袋单元体的抗剪强度、阻尼消能效果与抵抗变形的能力均相对更好,因此从抗剪强度及减振消能特性的角度看,实际减隔震工程中采用河砂装填是一个较好的选择。

土工袋垫层不同结构形式的振动台模型试验研究

为了研究土工袋垫层不同结构形式对减隔震特性的影响,考虑输入振动波峰值加速度、土工袋垫层铺设形式、支挡结构、袋间缝隙等因素对垫层减隔震特性的影响,开展了一系列小型振动台模型试验。试验结果表明:随着输入峰值加速度的增大,3种常见铺设形式(直立式、扩散式、交错式)的土工袋垫层模型均表现出一致的规律,即输入峰值加速度越大垫层模型整体表现出的减隔震效果越好。通过对3种不同铺设形式土工袋垫层模型沿高度方向的加速度响应情况进行对比,发现交错式土工袋垫层对振动波的衰减作用最显著;通过进一步开展在垫层周围设置支挡结构工况的模型试验,发现在设置支挡结构不仅可以有效提高垫层整体的减隔震效果,还能有效防止周围土体流入到袋间缝隙中;土工袋袋间缝隙可以对振动波的传递起到一定的阻隔作用,通过在土工袋袋间设置缝隙的方式能够进一步提高土工袋垫层整体的减隔震作用。

土工袋层间摩擦特性试验研究

土工袋层间摩擦是土工袋柔性挡土墙设计中应该考虑的关键因素,其大小直接决定了土工袋挡墙的内稳定性。通过铝棒土工袋的摩擦试验说明柔性土工袋层间摩擦与刚性体间摩擦特征的不同,进行了不同袋内材料、土工袋排列方式以及运行环境(水上或水下)等条件下的土工袋层间摩擦试验。结果表明:土工袋层间摩擦力随着袋体沿受力方向变形的增大而逐渐增大,当层间发生整体滑动时达到最大值,并趋于稳定;土工袋层间摩擦不仅与编织袋体的摩擦有关,而且受袋内材料粒径大小及排列方式的影响;土工袋浸泡于水下时,由于水的润滑作用使得编织袋间的摩擦作用减小,袋内材料为细颗粒的土工袋层间摩擦作用减小,而袋内材料为粗颗粒的土工袋层间摩擦变化不大。

土工袋技术在市政沟槽回填中的应用研究

市政工程中管线埋入地下采用的基本流程是先开挖沟槽,将开挖的原土作为渣土处理,待管线在沟槽中安放后再用二灰土石填埋沟槽,经夯实后铺设沥青或混凝土路面。为了有效利用沟槽开挖土、减少二灰土石用量,建议采用土工袋技术处理,即将沟槽开挖土装入土工编织袋后回填至沟槽中。阐述了土工袋技术原理,并依托南京市雨污分流工程,对用土工袋回填的沟槽进行了平板载荷试验、落锤式挠度检测和路面振动测试,评价土工袋沟槽的回填效果。结果表明:土工袋在提高沟槽承载力、减少沉降变形、削弱交通振动干扰等方面具有明显效果。土工袋避免弃土外运,减少了扬尘污染,不失为一种绿色、环保、经济的工程新技术。

宜兴抽水蓄能电站上库堆石料的新型现场直剪试验

介绍了一种适用于大颗粒堆石材料的新型现场直剪试验法。该试验法用链条张拉剪切框使试样受剪,克服了剪切框内壁摩擦对剪切面上正应力的影响,从而能精确地测定出试样的抗剪强度。该试验法在日本应用于多个工程,江苏宜兴抽水蓄能电站上库工程中属于国内首次应用,取得了满意的结果。

土工袋加固软土地基现场荷载试验的数值模拟

为预测土工袋加固后软土地基的变形特性,采用弹塑性有限元法对某一土工袋加固后的软土地基承载力试验进行了模拟,将袋子张力的作用等效为附加应力作用在土骨架上,即在修正Camclay模型中将土工袋的黏聚力cT转换为土性参数σ0,从而可以把土工袋加筋土当成素土来计算。计算结果表明:该方法将土工袋加筋原理与有限元算法有机结合,较采用杆单元模拟土工袋的计算方法简单;数值模拟计算值与试验实测值(变形、土压力、孔隙水压力)基本一致,验证了该土工袋数值模拟方法的合理性。