先期加载历史对堆石料体积蠕变的影响研究

为深入研究堆石料的体积蠕变特性,对风干板岩堆石料开展了一系列不同先期应力速率和前期固结条件的侧限蠕变试验。先期应力速率与后继蠕变初期速率正相关,但先期应力速率高于一定数值后,对后继蠕变初期速率的影响减弱。正常固结状态下,采用较高先期应力速率时,后继蠕变速率发展过程与Singh-Mitchell模型符合较好;当先期应力速率较低时,蠕变初期速率小于较高先期应力速率对应的蠕变初期速率,且减小较慢,直到蠕变持续一定时间后,蠕变速率及其随时间的减小规律开始与较高先期应力速率对应的蠕变速率发展一致,蠕变速率与时间在双对数坐标中恢复为负相关的线性关系。经历先期加载、压密而存在超固结的状态下,后继蠕变初期速率、蠕变量仍与蠕变应力和先期应力速率正相关,但数值远小于正常固结状态相同蠕变应力和相同先期应力速率条件下的相应数值;与正常固结、较低先期应力速率下的情况类似,超固结条件、较高先期应力速率加载后的后继蠕变初期速率下降较为缓慢,直到蠕变发展一定时间后,蠕变速率开始与正常固结、较高先期应力速率条件下的蠕变速率过程一致。当超固结且具有相同前期固结压力时,蠕变应力越大,则蠕变量、后继蠕变速率越高。

级配缩尺对堆石压缩特性影响试验研究

选用两项工程筑坝堆石材料,将原级配堆石料按不同的缩尺方法和不同最大控制粒径进行缩尺,并对同种堆石材料选取相同的相对密度控制指标,研究了缩尺后堆石材料压缩特性的变化规律和级配特征对压缩特性影响规律。结果表明:缩尺后堆石材料的压缩模量随缩尺后最大粒径和各特征粒径的增大而减小,粒径增大约3倍,压缩模量减小幅度可达约1/2,随原级配最大粒径的增加,缩尺后材料的控制粒径对压缩模量的影响更为显著;缩尺后材料级配的不均匀系数越大,压缩模量越小,曲率系数越大,压缩模量越高,采用等量替代法缩尺获得的堆石材料压缩模量随粒径增大的减小幅度大于采用相似级配法后的值。对于不同的堆石材料,由于母岩岩性以及材料原级配等方面存在差异,研究成果有待更多验证。

土石混合料固结流变试验研究

堰塞坝料大多为土石混合料且具有级配分布范围较宽的特点,其流变变形将影响堰塞坝的长期运行安全。本文选择典型的反映宽级配特征的三组试验材料,采用大型固结仪开展固结流变试验。根据试验结果,分析了竖向应力对流变应变的影响规律,发现流变应变随竖向应力的增大呈对数趋势增大,且在高应力范围内应力增大时流变变形增量更为显著;探讨了级配特征对流变变形的影响,认为级配良好且不均匀系数较大的材料,流变量值相对较小,而对于级配特征值均较小且细颗粒含量较高的材料,流变量值更为显著;基于流变试验时程规律,建立了四参数双曲线型的固结流变模型。模型结果较为准确,能较好地反映宽级配粗粒料固结流变特征。

土石混合料固结湿化变形试验研究

堰塞坝料大多为土石混合料且级配分布范围较宽,其湿化变形影响坝体的长期稳定安全。选择典型的具有宽级配特征的三组试验材料,采用大型固结仪开展固结湿化试验。根据试验结果,分析了竖向应力对湿化应变的影响规律,发现湿化应变随竖向应力的增大呈对数趋势增大,且在高应力范围内应力增大时湿化变形增量更为显著;探讨了材料级配特征对湿化变形的影响,对于级配特征值均较小且细颗粒含量较高的材料,湿化变形更为显著;基于湿化变形试验时程规律,建立了四参数双曲线型的固结湿化变形模型,模拟结果较为准确,能较好地反映宽级配粗粒料固结湿化变形特征。

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。通过对已有研究成果总结分析,认为在降雨入渗引起的堆石料湿化变形及湿化稳定标准选取等方面还需深入研究。

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。

糯扎渡高心墙堆石坝离心模拟试验研究

近年来,随着高土石坝建设的迅速发展,研究坝体在施工期和运行期的各种性状已成为土石坝研究领域中最为重要的课题。同时,离心模拟试验技术在高土石坝的研究中也有了更加广泛的应用。本文结合坝高261.50m的糯扎渡心墙堆石坝,利用小比尺离心模型进行了模拟试验,研究坝体在施工期和运行期的应力和变形性状,论证采用小比尺离心模型研究高坝变形和应力性状的可行性,同时提出了原型坝体在竣工期和蓄水期的应力变化和变形情况,为该坝的设计和施工提供了科学依据。

土石坝掺砾心墙料的压缩特性研究

土石坝施工完成后的坝体沉降变形是工程上重要的关注点。本文选用一种风积土料和一种花岗岩砾石料,对掺砾土料的压缩特性开展试验研究,探讨掺砾比例、应力等级以及压实度对掺砾土料压缩特性的影响规律。试验结果表明:心墙土料掺砾后压缩性有着明显的改善,土料压缩模量随竖向应力的增大而提高,但随着竖向应力的持续增大,压缩模量的增加速度逐渐减小;掺砾比例和压实度均对土料压缩模量有较为明显的影响,随着掺砾比例和压实度的增加,压缩模量基本呈现随之提高的变化规律,但也发现过高的掺砾比例将会因砾石受到竖向应力产生颗粒破碎而使压缩模量降低;掺砾土料的孔隙比随竖向应力的增大而减小,低应力条件下孔隙比减小的速率较快,高应力条件下孔隙比减小速率下降并趋于稳定;结合掺砾后压缩模量的变化规律,对坝体不同高度处心墙掺砾比例的优化调整进行了探讨。

玉滩水库筑坝材料现场碾压试验研究

为深入了解以砂岩和泥岩为代表的软岩材料作为坝体填筑料的压实特性,以重庆玉滩水利枢纽工程为例,通过对2种筑坝料进行现场碾压试验研究。探讨了铺土厚度、碾压遍数、激振力等参数对压实干密度的影响,分析了振动碾压引起的颗粒破碎及表面沉降现象,提出了坝体碾压参数建议值,为坝体设计及施工提供了依据,并为同类型筑坝材料现场碾压试验研究提供参考。

仁宗海水库坝体堆石料现场碾压试验分析

对堆石坝而言,堆石料的干密度是影响坝体变形的主要因素,也是大坝填筑的主要控制指标。本文通过主要填筑料的碾压试验,为仁宗海水库大坝确定了合理的坝体堆石体的填筑密度,并推荐了合适的碾压施工参数,为大坝设计提供了参考依据。

基于图像识别技术的土石料级配检测系统

本文开发了一种基于图像识别技术的土石料粒径级配检测系统。该系统修建在土石料填筑现场,通过对车辆运送的土石料进行拍照,将图片传输到识别系统,采用图像识别技术,分析土石料粒径并绘制级配曲线以判断土石料是否满足设计包络线要求。在此基础上,设计建造了一个小型土石料粒径识别系统样机,选取不同粒径范围的石英岩土石料,将图像识别得到的级配曲线与传统人工筛分法得到的级配曲线进行对比,发现二者级配曲线吻合度较好。表明本文开发的土石料级配检测系统是稳定可靠的,可以运用于现场坝料级配检测。

土石料湿化变形计算方法探讨

土石料的湿化是一种普遍现象,虽然可以利用非饱和理论计算湿化变形,但人们更愿意采用常规的初应变法进行计算,湿化试验则常用单线法或双线法进行。对湿化试验和相关计算方法进行分析,提出考虑湿化变形及其影响的新思路,(1)在某一应力状态下的湿化变形是由两部分组成的,一部分是由于材料本身刚度变'软'引起的湿化变形,另一部分变形是湿化引起的附加变形;(2)在双线法试验中直接将相同应力状态下对应干土和湿土的应变相减计算是不合适的,应当采用相同应力状态下各自的切线模量计算;(3)基于广义位势理论,根据应力和应变的对偶特性,可以把湿化附加变形变换为一种湿化等效应力,虽然其是一种近似处理方法,但它比较简单,容易直观地量化湿化的作用。文中思路对于颗粒破碎、干湿循环引起的变形、流变变形等也具有借鉴意义。

高砾石含量心墙土的水力破坏试验研究

心墙水力破坏是高心墙堆石坝主要安全问题之一,采用中型应力路径三轴仪开展高砾石含量心墙土的水力破坏试验,研究了围压、砾石含量和注水速率等因素对其特性的影响,提出了砾石土内部组成的抽象模型和高砾石含量下水力击穿破坏的发生机理,并探讨了水力击穿演进过程及其与水力劈裂的联系。结果表明:试样在偏应力作用下固结后,通过试样中心预置的水流通道不断提高试样内部水压力,当内部水压力升至略高于围压时,试样出现水力破坏;以注入试样中的水量大幅度增加,但注水压力不增加时对应的内部水压力作为水力破坏压力,其与围压的比值随砾石含量的增大而减小,并随围压和注水速率的增大而增大;试验在高砾石含量范围内(砾石含量35%~50%),试样破坏时外表面有分散出水点,破坏路径在试样内部呈不规则线,水力破坏模式为水力击穿。

压实宽级配黏土与刚性面结合带抗渗特性研究

研发了土料与刚性面结合带在相互正交、独立可控的压应力、剪切变形和水力比降作用下抗渗性能试验的大型和中型设备,最大剪切变形量值大于1 m。对压实天然宽级配黏土开展了结合带抗渗特性试验研究,发现了试样渗透系数随剪切变形突然增大后逐步减小并稳定的变化规律,剪切变形启停历史会弱化结合带渗透系数随剪切变形启动而突然增大的现象,初始密度高、应力高、试样尺寸大的土样渗透系数更低。考虑结合带导水系数与初始值的比值和试样渗透系数与初始值的比值之间的关系,分析渗透系数剪切后达峰值时结合带厚度在0.075~1.0 mm之间,结合带厚度随正应力减小、随试样尺寸增大而增厚。提出改进的黏土颗粒不规则形状集簇模型,通过组构变化较好解释了剪切过程中渗透性持续演化的机理,也支撑了结合带厚度的分析结论。

土质心墙土石坝沿革及体型和材料发展历程的回顾

为给工程规划设计、建设和运行的质量、安全管理提供技术参考,对土质心墙土石坝即心墙坝的沿革及体型和材料发展历程进行了回顾。将国际国内心墙坝发展过程划分为早期发展、现代化过渡、高速发展、发展低潮、发展新高潮等5个阶段,对各阶段国内外心墙坝坝高发展,坝体体型结构变化,筑坝材料选择范围拓展,施工工艺进步等代表性发展进行了分析。心墙坝发展适应了世界经济社会发展要求和开发条件变化过程,前期解决了坝坡稳定和单纯渗流问题,后期持续改进,较好应对了不断出现的变形及相关渗流控制新问题。坝高突破的同时,体型趋向标准、坝料来源逐步拓展。岩土力学理论、施工控制技术的进步,是心墙坝发展的持续推动力量之一。通过持续研究,提升预测分析能力和施工控制水平,心墙坝冲击更大坝高的技术条件将逐渐成熟。

基于坝壳湿化过程数值模拟的心墙坝初蓄水力劈裂机理研究

初次蓄水过程中的水力劈裂破坏是土质心墙土石坝面临的最主要安全问题之一。为探索这一难题,回顾了疑似水力劈裂事故及暨有研究尚不能回答的问题,探讨了水力劈裂所需的必备应力条件和可能原因。分析了既有浸水湿化变形试验并建议了采用时间对数演进模式、单位时间湿化体变和湿化剪应变分别取决于围压和剪应力水平的湿化变形时间过程计算模型,并应用于模型坝数值模拟,再现了初蓄过程水力劈裂破坏所需应力条件,得到了顺岸坡方向上后期变形增量空间分布导致心墙拉伸和水力劈裂破坏的机理。最后提出了确保坝壳压实度、控制后期浸水后变形,保证心墙与坝壳后期变形量值和速率协调为核心的水力劈裂防控方法建议。

砂砾料流变特性试验研究

针对某工程砂砾料开展了大型三轴流变试验研究,获得了砂砾料流变变形的基本规律,探讨了流变变形速率发展特征及其与围压、应力水平的关系。在双对数坐标中,初期流变速率随时间非线性减小;随着时间的发展流变速率与时间的关系逐步稳定为线性关系。在同一围压下,体积流变速率随时间发展规律基本一致,受应力水平的影响较小;应力水平越大,剪切流变速率初值越大,双对数坐标中不同应力水平下的剪切流变速率—时间曲线斜率基本一致。同一应力水平下,不同围压体积流变速率随时间发展趋势基本一致,但围压越高体积流变速率数值越大;剪切流变速率随时间发展趋势也基本一致,围压越高剪切流变速率数值越大。借鉴Mitchell一维流变速率模型,对体积流变速率与剪切流变速率随时间发展的规律建立了数学模型,提出了基于流变速率的三维流变模型。

堆石料的长期变形特性研究

堆石料的变形控制影响坝体防渗体系和运行安全,是高土石坝建设的关键问题,堆石料的长期变形在坝体变形控制中的作用受到越来越多的重视。总结和梳理了国内外学者在流变、湿化与水位变动、干湿和温度循环,以及尺寸效应等条件下堆石料长期变形的研究成果,介绍了中国水利水电科学研究院研究团队在堆石料长期变形试验研究和模型研究的进展。研究结果表明,堆石料长期变形发展在坝体运行过程中的影响不容忽视,将显著影响坝体不同分区的变形协调以及面板受力分布,进而影响坝体安全。本研究成果可为堆石料长期变形相关研究提供技术支撑。

流变对悬挂式防渗墙应力变形的影响初探

覆盖层中坝下防渗墙竖向应力变形在很大程度来源于覆盖层向混凝土防渗墙传递的负摩阻力。为解决覆盖层防渗墙应力计算值异于工程中实测值的问题,在非线性计算中引入变形黏滞特性,以Maxwell元件模型为基础,融合模拟瞬时变形的Duncan非线性模型和模拟黏性变形的Newton黏性定律,并推广到三维,建立了联合模拟非线性变形和流变(黏性变形)的计算模型。基于某规划中在超深厚覆盖层上修建150 m级心墙堆石坝的实际工程,建立了河谷段覆盖层和混凝土防渗墙的平面应变简化分析模型。深厚覆盖层表面坝体填筑过程被简化为逐级施加的均布荷载。模拟了填筑过程及填筑完成后短期内河谷段悬挂式防渗墙的竖向变形和竖向应力发展过程。考虑剪切变形的黏性时,覆盖层因附加应力作用下沉降变形而向防渗墙传递的负摩阻力会出现应力松弛。覆盖层变形对防渗墙整体向下拖曳、向位于墙体中下部的覆盖层-墙体沉降差中性点处挤压的作用减小,防渗墙较不考虑黏性时存在少量向上整体位移增量,内部沉降梯度减小,竖向应力减小。考虑黏性时,覆盖层顶面荷载施加结束不再提高后,防渗墙应力还会继续下降,直到稳定。假定墙体处于弹性状态,亦暂不考虑墙体混凝土徐变,采用恒定模量计算混凝土应力,河床段防渗墙内部最大竖向应力可从不考虑黏性时的64.8 MPa减小到26.6 MPa,减小幅度超过1/2;考虑黏性对混凝土防渗墙沉降影响较小,仅较不考虑黏性时略有减小。

沉管隧道地基加固区整平船插桩计算分析

对经DCM或高压旋喷桩加固后的外海沉管隧道地基,整平船施工时桩腿下插深度目前并没有成熟计算方法。以传统极限平衡理论为基础,考虑桩腿包围面积的影响、加固桩体强度影响以及加固体对整平船桩腿的约束作用3个因素,提出了加固区整平船插桩深度计算方法,并结合工程实例分析了插桩深度,可为外海整平船稳定性计算及类似工程提供参考。