砾石土料的湿化变形试验技术难点与解决方法

砾石土心墙料的大尺寸样品湿化变形试验难度极大,这主要是砾石土料的性质决定了其饱和固结排水困难、样品难以达到饱和状态、试验周期太长。从试验技术、测试方法等方面进行攻关,分析试验成果出现偏差的原因并修正,针对砾石土湿化变形离散性大、存在应力饱和问题,进行了艰难地研究探索。通过对湿化试验过程中的体变修正、进水量修正、饱和度实时计算、成果离散性处理等关键细节的严格把控,最终成功地完成了典型砾石土料的湿化变形试验,获得了规律性较好的砾石土心墙料湿化变形成果。试验过程中出现的异于常规的现象,如围压施加过程中三轴压力室的整体向上变形、高应力状态下没有湿化变形量等,通过试验数据分析和理论分析,最终都得到了合理的解释,加深了对砾石土心墙料土工试验技术和砾石土料湿化变形的认识。

砾石土心墙料的湿化变形特性试验研究

针对砾石土心墙料,采用大型应力式三轴仪开展了单线法湿化变形试验,较系统地研究了湿化应变与应力水平、围压之间的变化规律。依据试验成果,砾石土心墙料的湿化变形是明显的,且与应力水平、围压密切相关,在高围压、高应力水平条件下,外力改变了试样的饱和状态,砾石土样品逐渐从非饱和状态过渡到饱和状态,砾石土料存在应力饱和现象,导致湿化过程中没有明显的湿化变形。当围压较小时,湿化应变随应力水平的增大而增大,当围压增大到一定量值时,湿化应变反而随应力水平的增大而减小,呈现明显的分叉现象,表现出更加复杂的规律。最后提出了砾石土料湿化变形模型及模型参数,提出的砾石土料湿化模型可作为高土石坝湿化变形分析的基础。

膨胀土边坡稳定性研究

阐述了近年来长江科学院在膨胀土边坡稳定性方面的研究成果。研究了南水北调中线工程膨胀土的裂隙形态及分布规律,在"大气影响深度"以上与以下区域膨胀土的裂隙形态存在差异,以下区域的裂隙具有明显的定向性;介绍了膨胀土的膨胀性,对于起始含水率一定的膨胀土,相同吸湿条件下的膨胀应变与平均应力在半对数坐标系下呈很好的线性关系;阐述了膨胀土的强度特性,提出了膨胀土强度试验新方法;研究分析了膨胀土边坡失稳机理,提出了膨胀土边坡的破坏模式及相应的稳定分析方法。研究成果表明:膨胀土边坡不仅存在重力作用下的整体稳定性,整体稳定性受裂隙面强度控制,而且在吸湿条件下会产生浅层失稳,浅层失稳的主要影响因素为土的膨胀变形;在膨胀土边坡的稳定分析中,膨胀土的强度,不需进行任何折减,直接采用强度试验值,稳定分析成果能正确地反映边坡的稳定状态。

堆石料湿化特性试验研究

采用大型三轴仪,对花岗岩和变质岩两种堆石料,比较系统地进行了单线法和双线法湿化试验。依据试验成果,比较了单线法和双线法试验成果间的差异,明确了堆石料湿化特性试验研究宜采用单线法,确定了单线法湿化变形取值方法,比较了不同堆石料湿化变形规律,得到了堆石料湿化应变与应力状态的相关关系,初步提出了堆石料湿化模型及模型参数。提出的堆石料湿化模型及参数可作为堆石坝湿化变形分析的基础。

粗粒土非线性剪胀模型研究

粗粒土具有明显的剪胀剪缩性,为非虎克材料。对8种颗粒材料进行了11组三轴试验,将体应变分为球应力和偏应力引起的体应变两部分,并假定弹性变形泊松比为常数,对实测体应变两部分大小进行了分离。假定三轴试验的轴向应变和剪应力引起的体应变服从Rowe剪胀方程,分析表明,对任一种颗粒材料而言,Rowe剪胀方程参数Kf的归一性良好,即不同应力状态下参数Kf均近似为一个常数。在此基础上,基于邓肯–张模型和Rowe剪胀方程,建立了体变模量KP、剪胀模量Kq、剪切模量G三参量与应力状态的关系,初步提出了一种新的非线性剪胀模型。该模型可视为邓肯–张模型的改进型模型。经验证,该模型能比较准确地描述各种颗粒材料的体变过程,是一种物理概念明确,简单实用的非线性剪胀模型。

粗粒土试验研究

粗粒土是土石坝的主要筑坝材料,也是土力学的主要研究对象之一。介绍了粗粒土剪胀性、蠕变性、试验成果的不确定性方面的研究成果,并根据球形颗粒三轴试验成果论证了一般粗粒土的变形机理。试验成果表明,作为一种散体材料,土颗粒间的位置排列和粒间作用对粗粒土的力学性质有重要的影响,许多问题都涉及到粗粒土组构问题。

砂基中泥浆盾构法隧道施工开挖面稳定性试验研究

通过模型试验 ,对泥浆盾构施工中泥浆维持开挖面稳定的力学机理 ,开挖面前缘土体的应力变化规律 ,泥浆压力作用机理及泥皮形态进行了研究 ,提出了中粗砂地基中临界泥浆压力公式。

膨胀土边坡物理模型试验研究(英文)

进行了一系列压实膨胀土的大型静力模型试验,对边坡土体吸湿后的含水率、膨胀变形等进行了实时监测。试验成果显示,膨胀土边坡浅层土体吸湿后其含水率场分布不均匀,干湿分界面处土体易由于不均匀膨胀变形而导致局部剪切错动,并随水分在坡体内的迁移,局部滑动面逐渐向边坡纵深扩展,在不同深度、不同部位形成多重剪切滑动面,最终导致边坡整体塌滑。针对静力模型试验进行了考虑膨胀性的非线性有限元计算,比较了边坡自重条件下和吸湿后应力场的变化,可知吸湿引起顺坡向正应力在干湿分界面处变化剧烈,剪应力明显增大,强度折减法得到的模型试验边坡安全系数仅0.92。研究成果表明:影响膨胀土边坡浅层稳定性的最根本原因并非膨胀土的超固结性或裂隙性,而是土的胀缩特性。

粗粒土组构之颗粒运动研究

土的结构性是决定土的力学特性的一个最根本的因素,正是由于土的结构性的存在,连续体力学理论用于岩土材料存在明显不足,沈珠江将土体结构性的研究提到"21世纪土力学的核心问题"的高度,但由于土的结构性的复杂性,缺乏测试方法,还没有找到土结构性的定量指标。选择结构特征相对简单的粗粒土作为研究对象,探索建立其力学体系的方法和途径。粗粒土的结构性(称之为组构)主要体现在颗粒的排列特征方面,采用CT测试技术和DDA数值分析方法初步解决了粗粒土组构的量化问题,对粗粒土多种受力过程进行了CT三轴试验和数值模拟,取得了粗粒土的组构信息及其变化,为构成合理的组构量、研究粗粒土组构量与宏观力学响应之间的相互关系、探讨粗粒土的变形机理和力学特征奠定了基础,并侧重介绍粗粒土CT三轴试验成果,展示三轴试验过程中颗粒运动规律。

膨胀土的强度及其测试方法

膨胀土的强度参数是膨胀土边坡稳定分析的基础。膨胀土的特殊性以及膨胀土边坡失稳机理的复杂性使得膨胀土强度指标的获取和取值十分困难。以往对于膨胀土的强度曾开展过大量的研究工作,但无论是研究体系,还是试验方法以及强度取值原则都存在一定的差异。人们关注到膨胀土裂隙的存在,却又难以实测到裂隙面上真实的强度指标;关注到膨胀土的非饱和特性,并试图用含水率变化引起的强度衰减来解释边坡的失稳机理;然而,无论采用何种理论,都难以将膨胀土的强度与边坡的失稳机理有机的联系在一起,造成在实际工程中数值分析与边坡实际稳定状态不符的现象。仅从强度理论上讲,膨胀土仍然是一种黏性土,仍然应符合莫尔–库仑强度准则。所不同的是,由于裂隙的存在,使得膨胀土的强度时而显示出均匀介质的特性,时而显示出非均匀介质的特性。因此,研究膨胀土的强度特性,不可避免的要研究裂隙以及裂隙对强度的影响问题。在大量现场工作和室内试验研究的基础上,重点探讨了裂隙对膨胀土强度的影响,提出对于膨胀土的强度应以土块强度和裂隙面强度两套指标进行描述,而土块强度又应区分为有胀缩裂隙和无胀缩裂隙两类,并进一步提出了不同强度的测试方法。

CT技术在岩土试验中的应用研究

简要介绍了长江科学院岩土试验CT工作站以及与之配套的CT三轴仪、渗透仪研制情况。阐述了近年来利用CT技术在粗粒土组构、砾石土浸润试验、膨胀土干湿循环试验、水力劈裂试验、加筋土试验研究等方面研究的初步成果,展示了不同岩土试验CT图像的效果,显示了CT技术在岩土试验中的作用,以期引起岩土工作者的关注,推动岩土试验的发展。

坝基覆盖层工程特性试验新方法研究与应用

中国西南地区正在或即将建设的高土石坝工程中,很多都涉及深厚覆盖层。在深厚覆盖层上建高土石坝,覆盖层坝基变形受力状态对坝体安全起重要作用。针对深厚砂砾石覆盖层取样困难而无法准确合理确定其天然密度,进而影响室内力学和渗透试验的开展,提出了利用旁压或动探试验间接推求天然砂砾石覆盖层密度的新方法,成功应用于乌东德深厚覆盖层工程特性研究,获得了覆盖层天然密度,较好的解决了深厚覆盖层工程特性测试难题。同时,针对新方法中存在的两个技术难题,基于室内模型试验验证了动力触探杆长修正系数的演化规律符合牛顿弹性碰撞理论,研制了一种的新型旁压仪的探头,实现了深厚覆盖层中旁压试验全过程测量。上述研究成果为进一步提升深厚覆盖层上高土石坝坝基变形预测与设计水平提供了重要技术支撑。

再论粗粒土剪胀性模型

介绍了2种堆石料大型三轴试验和平面应变试验的试验成果。假设土的应变分为弹性应变和剪胀应变,弹性应变与应力间服从广义虎克定律,剪胀应变服从Rowe剪胀方程,弹性泊松比为常数,完整地建立3参量Kp,Kq,G与应力关系式,初步提出了一种新的非线性剪胀模型,给出了模型参数的整理方法,论证了一般非线性弹性模型中泊松比的力学意义。试验表明,剪胀性模型能够很好地模拟堆石料的应力应变曲线,对于同一种堆石料,由三轴试验和平面应变试验得到的模型参数除强度指标外,其它参数有很好的一致性,并给出了2种堆石料的模型参数。该模型是一种力学概念明确,简单实用的非线性剪胀模型。

水布垭面板堆石坝应力变形监测资料分析

土的本构关系、土与结构物相互作用机理、土工数值分析方法始终是土力学研究的核心问题,高面板堆石坝作为一个典型的土工构筑物,其应力变形实测成果对于研究上述问题是非常有意义的。依据水布垭面板堆石坝的监测资料,对高面板堆石坝的坝体变形、面板应力及面板缝的变形进行了系统分析,为堆石料本构模型的研究、堆石坝的应力变形数值分析及设计提供参考。

堆石料蠕变特性试验研究

蠕变是堆石料的重要力学特性。针对水布垭面板堆石坝主堆石料,采用应力式大型三轴仪进行了系统试验,对堆石料蠕变的有关力学问题进行了探讨,分析了堆石料蠕变与时间、应力状态的关系,并提出了九参数堆石料蠕变的数学表达式及相应的参数指标。

粗粒料试验中界面摩阻力的试验研究

土工试验中界面摩阻力的存在对试验成果的影响不可忽视,摩阻力影响到试验成果的可靠性,摩阻力的大小和减小摩阻力的措施是普遍关心的问题。目前,还没有一种很好的试验方法直接测定土体材料与加载结构(钢结构)间的摩阻力,并研究减小摩阻力的措施。为此,专门设计了一种试验设备,并针对粗粒料进行了系统的试验,探讨了界面摩阻力的试验方法、粗粒料界面摩阻力大小和某种减小摩阻力措施的有效性。试验表明,粗粒料与加载结构间的摩阻力与正应力成正比,摩擦系数达0.45左右,经一定"减摩"措施处理后,摩擦系数可降至0.1左右,要更大程度上消除摩阻力是一件非常困难的事。因此,在土工试验设备设计及试验成果整理中有必要考虑界面摩阻力这一影响因素。

论堆石料力学试验中的不确定性

依据堆石料压缩试验和应力式三轴试验成果,对堆石料力学试验中的不确定性进行了论述。

土石坝工程领域的若干创新与发展

我国高土石坝数量居世界之首,保证高坝大库建设与长期运行安全是国家经济和公共安全保障的重大需求。系统总结了长江科学院近年来在土石坝工程领域的若干创新与发展。提出了基于“旁压模量当量密度法”的粗粒料级配相似理论试验方法;介绍了研发的系列CT三轴仪,实现了粗粒料组构要素的定量测量;提出了三轴试验中加载板与试样之间由滑动摩擦变为滚动摩擦、整体式接触变为分散式接触的减摩新方法,研发了相关减摩装置;研制了大尺寸、高压力、微摩擦、刚柔复合加载的土工真三轴仪;揭示了粗粒料真实三维应力条件下的强度与变形变化规律、湿化与蠕变变形特性;构建了粗粒料三参量非线性K-K-G剪胀模型、六参数湿化模型、九参数蠕变数学模型及相应的参数确定方法;基于当量密度法的原创思想,提出了利用旁压试验间接确定超百米级深厚覆盖层现场密度的试验方法。上述研究成果可为高土石坝工程建设提供重要科技支撑。

水布垭面板堆石坝填料应力应变关系试验研究

介绍了水布垭面板堆石坝填料的应力应变关系研究成果，着重分析了粗粒料的剪胀性，给出了水布垭堆石坝填料不同本构模型的模型参数。

堆石料工程特性试验研究

堆石料是土石坝的主要筑坝材料,也是土力学的主要研究对象之一。根据水布垭工程在堆石料方面的试验工作总结,介绍了堆石料剪胀性、蠕变性、试验成果的不确定性方面的研究成果。并建立了相应的蠕变模型,工程实践表明,实验室试样的蠕变过程有可能短于堆石料工程(如堆石坝体)的蠕变过程,堆石料的蠕变表现出与颗粒聚合体的尺度密切相关。