缩尺效应对砂砾石料力学特性及其本构模型的影响

针对三轴仪受颗粒尺寸的限制而存在缩尺效应的问题,以新疆阿尔塔什筑坝料为研究对象,通过大型三轴数值模拟试验,从宏细观角度开展缩尺效应对砂砾石料力学特性及其非线性本构模型影响的研究.结果表明,随着围压的增加,试样偏应力极值增大,剪缩程度显著而剪胀特性被抑制;随着试样尺寸的增大,其峰值强度提高,试样由剪缩向剪胀过渡.随着试样尺寸的增大,邓肯模型的内摩擦角分量、弹性模量参数、体积模量参数均明显增大,其他参数的影响可忽略不计.砂砾石料的内摩擦角分量与颗粒粒径呈对数型函数关系,弹性模量参数、体积模量参数与颗粒粒径均呈线性函数关系.随着试样尺寸的增大,变形集中区的范围更广泛,其形式逐渐由“X”型变为“X+x”或“X+x+x”型变形集中区.初始阶段配位数随着试样尺寸的增大而增加;加载过程中配位数增加,试样以剪缩为主,随着试样尺寸的增大其配位数逐渐呈减小趋势,剪缩性被抑制.

跨海桥梁圆端形基础波流力缩尺效应研究

为研究跨海桥梁圆端形基础在波流力作用下的缩尺效应,以西堠门公铁两用大桥圆端形基础为背景,通过流体计算软件Flow-3D模拟数值水槽,建立6种缩尺比(1∶1,1∶15,1∶25,1∶50,1∶75,1∶100)圆端形基础数值模型,基于RNG k-ε湍流模型、雷诺平均方程以及VOF自由液面捕捉法,计算各数值模型所受波流力及其周边水力特性并对比分析,并将1∶1的圆端形基础数值模型所受波流力与规范计算结果对比。结果表明:在波流作用下,圆端形基础周围会出现流速集中现象,缩尺比减小该现象不再明显,但周围流速分布特点大致相同;对于圆端形基础受到的水平波流力,1∶1模型结果小于缩尺模型结果,综合考虑峰值与谷值缩尺模型结果,建议在西堠门公铁两用大桥试验研究中采用1∶25缩尺比;依据现有规范用等效的圆形或矩形估算圆端形结构所受水平波流力,为1∶1圆端形结构数值模拟结果的1.60~1.77倍和1.49~1.70倍,据此进行设计仍可保证结构安全性。

粗粒土抗剪强度的缩尺效应规律试验研究

抗剪强度是评价土体稳定性的重要指标,研究缩尺效应对粗粒土抗剪强度的影响,对高土石坝工程土体强度估算有重要的理论意义和应用价值。根据前人的研究,颗粒最大粒径d_(max)和级配结构两部分变化是导致缩尺后试样存在缩尺效应的主要原因,其中级配结构可由级配面积S作为特征参数表示。通过改变试样的d_(max)和S,设计了24组不同级配试样,利用大型直剪仪对各组试样进行直剪试验,从而定量研究颗粒最大粒径和级配结构对粗粒土抗剪强度的影响规律。研究结果表明:粗粒土的抗剪强度指标黏聚力c和内摩擦角φ均表现出随着d_(max)增大而增大的规律,且c和φ均与d_(max)呈对数函数关系;黏聚力c和内摩擦角φ随着S的减小而增大,到达某一特定值后呈略微减小的趋势,并根据相应试验数据分别建立c和φ与S的关系式。最后,基于试验结果建立了考虑缩尺效应的粗粒土抗剪强度的预测模型,并用相关文献试验数据验证了该模型对不同类型粗粒土的适用性。

缩尺效应对粗颗粒土静止侧压力系数影响规律试验

准确把握粗颗粒土静止侧压力系数K_(0)对分析及设计土石坝等岩土工程具有十分重要的作用。由于缩尺效应的存在,粗颗粒土室内K_(0)试验结果往往无法正确反映其真实值。本文利用自行研制的大型K_(0)测试仪对某砂卵砾石料及堆石料进行大量试验,以研究分析缩尺效应对粗颗粒土K_(0)影响规律,找出消除缩尺效应影响的方法。通过改变试样颗粒的最大粒径d_(M)、缩尺方法、初始相对密实度D_(r0)等初始条件,设置24组试样,利用大型K_(0)测试仪对各组试样进行直剪试验,定量研究d_(M) 、缩尺方法和D_(r0)对粗粒土K_(0)的影响规律,并探讨以室内试验数据推求现场粗粒土K_(0),从而消除缩尺效应的方法。结果表明:D_(r0)及缩尺方法不变时,粗颗粒土K_(0)随着d_(M) 的增加而显著减小,因此,缩尺效应会导致粗颗粒土K_(0)显著增高,且缩尺后土料d_(M) 越小,其K_(0)受影响程度越高;D_(r0)及d_(M)相同时,缩尺方法对粗颗粒土K_(0)有一定影响,采用等量替代法缩尺后,试样K_(0)值增加最小,因此,采用等量替代法缩尺可减小缩尺效应对粗颗粒土K_(0)的影响;相比d_(M) ,D_(r0)对粗粒土K_(0)的影响更为显著,D_(r0)越大的土样,d_(M)对粗粒土K_(0)影响更明显。基于砂卵砾石料K_(0)试验结果及前人的研究,建立根据室内试验结果反推现场粗颗粒土料K_(0)的公式,以消除缩尺效应对粗颗粒土K_(0)的影响。利用堆石料K_(0)试验结果验证了该经验公式的准确性及适用性。

堰塞坝料室内试验缩尺效应研究

因室内试验设备尺寸的限制,需将坝料的最大粒径缩尺至室内试验设备的容许尺寸,粒径缩尺导致室内试验参数与原始粒径下的实际参数有差异。对取自现场的某堰塞坝料按规范方法缩尺后,开展不同最大粒径下的干密度、渗透系数、三轴剪切室内试验。结果表明:缩尺导致粒径小于5 mm的细颗粒含量增加并影响试样密实程度;随着最大粒径的减小,试样渗透系数逐渐降低,直接采用缩尺后的试验结果会高估堰塞坝料的抗渗能力;缩尺对强度指标φ值影响不大,但缩尺后的试样最大粒径越小,邓肯-张模型参数的K、K_(b)值越大,模型参数n、m值越低,缩尺后的试验结果高估了堰塞坝料强度和坝体抵抗变形的能力,低估了堰塞坝体的实际变形。研究结果可为坝体稳定性分析与变形分析提供参考。

考虑缩尺效应对堆石料颗粒破碎影响的压缩试验研究

大量的压缩试验结果表明,堆石料试样的压缩特性和颗粒破碎特性存在明显的缩尺效应,但系统研究缩尺方法、试样最大粒径、试样直径等对颗粒破碎特性的影响较少。采用侧限压缩试验开展灰岩堆石料的尺寸效应研究,分析了缩尺方法、试样直径和试样最大粒径对压缩特性和颗粒破碎特性的影响规律。结果表明:压缩系数随着试样中粗颗粒含量的上升呈先降低后增大的趋势,压缩系数与试样最大粒径呈正相关,与试样直径呈负相关;引入相对颗粒破碎率评价指标,建立了缩尺方法与相对颗粒破碎率之间的幂函数关系,相对颗粒破碎率随试样直径和试样最大粒径的发展规律可拟合为曲面方程。研究成果可为进一步构建考虑缩尺效应的弹塑性本构模型提供理论基础。

筑坝粗粒料力学特性的缩尺效应研究

针对筑坝粗粒材料缩尺效应问题,统计分析三板溪、水布垭等大坝填筑料的级配特征,认为以Talbot曲线为原级配可作为高土石坝填筑料的"平均级配",并将此原级配按现今粗粒料试验制样时最为常用的"混合法"进行缩尺,配制了最大粒径dmax为20～180 mm的试样。利用PFC2D软件,对各缩尺级配进行了多组、多种数值试验,揭示了各缩尺级配试样干密度极值、初始弹性模量及体积模量等关键物理量与各级配最大粒径的关系。结果表明:缩尺关系与密实度控制标准相关,在同一相对密度条件下各缩尺比试样力学参量为其最大粒径的单调函数,经推求可得原级配具备室内试验级配1.5～1.6倍的抗变形能力;而在同一干密度条件下,力学参量与各最大粒径呈先减小再增加的非单调关系。最后基于细观力学理论对造成缩尺效应的机制进行了解译。利用PFC2D数值试验从一定程度上拓展了仅靠实际三轴试验来研究粗粒料缩尺效应的粒径和思路。

堆石料强度的缩尺效应试验研究

在超大型和大型三轴仪上开展了级配缩尺后不同最大粒径堆石料的强度试验,研究了强度的缩尺效应.试验结果表明:随着最大粒径的增大,强度指标c增大、φ变小,非线性强度指标φ0变大、Δφ变大.颗粒破碎是强度随着最大粒径变化的主要原因之一.同等应力条件下,颗粒破碎率随着最大粒径的增大而增大;当应力较小时,不同最大粒径堆石料的破碎率相近;在大应力条件下颗粒破碎率相差较大.根据试验结果,建立了考虑缩尺效应的强度公式,该公式可外推现场原型尺寸筑坝材料的强度.

粗粒料缩尺效应研究现状与趋势

总结了粗粒料室内试验不同缩尺方法的优缺点、目前粗粒料强度和变形试验常用仪器的优缺点以及这些仪器用于研究粗粒料强度和变形的代表性成果;概括了缩尺效应对粗粒料强度和变形特性影响方面的研究成果;分析了缩尺效应的评价依据;讨论了缩尺效应研究中应考虑和注意的一些问题,如试样密度的控制、缩尺效应的定量化表述等,并指出缩尺效应研究应注意替代级配料和原级配料的密度控制方法.

堆石料缩尺方法的分形特性及缩尺效应研究

采用6种不同缩尺方法将同一条现场级配曲线缩制成不同的数值模拟级配曲线,建立以不同粒径范围内颗粒数为测量数的分形模型,研究了颗粒级配分布的分形特性;基于颗粒流方法,生成与级配曲线相对应的6组数值试样进行双轴压缩试验,研究了缩尺方法对数值试样宏观力学特性及细观力学响应的影响;并讨论了颗粒级配分布的分形特性与数值试样力学特性之间的关系。结果表明：采用不同方法缩尺后数值试样的颗粒级配分布具有分形特性,分维数D为1.463~1.783;随着缩尺方法相似比尺M的增大,数值试样中细颗粒数量增多,粗细颗粒的充填关系得到改善,力学特性逐步提高;颗粒级配分布分维数D与数值试样力学特性指标之间存在较好的线性关系。

堆石料缩尺效应的细观机制研究

堆石料的缩尺效应是客观存在的,受众多因素的影响,不同学者的试验结果均不相同甚至规律相反。采用考虑颗粒破碎效应的随机颗粒不连续变形方法,探讨堆石料缩尺效应的细观机制,试图解释试验成果出现差异的原因。主要研究压实度控制标准和颗粒自身性质对缩尺效应的影响,模拟结果表明:颗粒形状和级配对堆石料的压实性能有很大的影响,因此采用相对密度控制的缩尺级配料的密实度其强度差异较小;最大粒径越大,堆石料的不均匀系数越大,颗粒间的咬合作用越强烈,导致堆石料的初始切线模量也增大;而堆石料强度的缩尺效应与缩尺方法、压实度控制标准和颗粒自身性质等因素有关,其细观机制在于颗粒的剪胀、破碎和重排列受上述因素的影响而产生此消彼长或者此长彼消的复杂关系,其最终结果取决于何种因素占据主导地位;并试图提出一个通用的缩尺效应模型描述缩尺级配料的力学特性变化规律,外推原型级配料的力学参数不太可能,只能针对特定堆石料展开研究。

基于超大型三轴仪的堆石料缩尺效应研究

对某一爆破筑坝堆石料开展了试样直径1m(最大粒径为200mm)的超大型和试样直径0.3m(最大粒径为60 mm)的常规大型三轴固结排水剪切试验,研究了平行相似级配条件下最大粒径对应力–应变关系、颗粒破碎、特征应力状态、割线模量及邓肯张E-B模型参数的影响。试验结果表明:(1)大型三轴试验的峰值内摩擦角大于超大型三轴试验,并且峰值应力处的轴向应变小于超大型三轴试验;(2)大型三轴试验的相变应力比大于超大型三轴试验,并且相变处的体变及轴向应变均小于超大型三轴试验;(3)大型三轴试验的颗粒破碎率小于超大型三轴试验,但二者平行粒组的变化规律相同;(4)大型三轴试验在应力水平50%处的割线弹性模量及割线体积模量均大于超大型三轴试验。大型三轴试验的邓肯张E-B模型参数k,kb分别是超大型三轴试验的1.22倍、1.38倍。研究成果可为建立考虑缩尺效应的堆石料本构模型和分析土工构筑物变形提供重要的试验依据。

粗粒料试验缩尺效应的分析研究

为了对粗粒料缩尺效应有全面的认识,对粗粒料缩尺效应的表现形式进行了系统地阐述,可分为密实度缩尺效应和力学特性缩尺效应。以此为准,整理了前人的研究成果,并总结了缩尺效应的表现规律。密实度缩尺效应规律为:最大粒径越大,则最大或最小干密度越大,且这种规律与缩尺方法无关。此规律可从级配、颗粒形状及压实功3个方面进行解释。力学特性缩尺效应规律为:同一干密度制样标准下,抗剪强度和变形模量均随最大粒径增大而减小,这可从密实度和颗粒强度两个方面进行解释;但同一相对密度制样标准下,力学特性缩尺规律不统一,机制不清晰,需进行进一步地研究。

粗粒筑坝材料密实度的缩尺效应研究

针对已有研究成果忽视密实度缩尺效应对粗粒筑坝料力学性质影响的问题,根据双江口300m级土石坝堆石料的原平均设计级配曲线,采用4种不同缩尺方法得到室内干密度极值试验成果,利用粗粒筑坝材料的级配设计母线——Talbot曲线,引入分形几何理论,选取对级配性质较为敏感的Talbot公式的指数n以及反映颗粒形状与粗糙度的因子作为分形指标,解译粗粒料密实度出现缩尺效应的内在原因,为粗粒料级配构成对密实度影响的量化评价提供依据,克服以往只能利用不均匀系数和曲率系数进行模糊评价的缺点。利用PFC2D软件,结合混合法各缩尺比级配进行干密度极值数值试验,研究缩尺效应对粗粒料的相对密度、孔隙率的影响规律,并分析引起其差异的细观机制。

小浪底坝过渡料的强度与变形特性及缩尺效应

在分析堆石料强度与变形特性影响因素的基础上 ,通过大量室内对比试验研究了小浪底水利枢纽工程大坝过渡料的强度与变形特性 ,以及室内试料缩制而产生的缩尺效应 ,提出了确定筑坝材料——原型堆石料强度。

水电站进水口漩涡缩尺效应

前人对进水口漩涡进行了大量的试验研究,但关于进水口漩涡试验的缩尺效应尚无统一的观点.笔者针对侧式进水口漩涡进行了一系列模型试验研究.结果表明,按弗劳德准则设计的模型,当模型进水口处的雷诺数Re≥3.4×104时,表面张力对漩涡无明显影响,可不考虑缩尺效应.当雷诺数不能满足该要求时,可以采取增大流量的办法消除缩尺效应,而增大的流量的倍数与模型进水口的淹没水深和模型比尺有关.

堆石料强度及变形特性缩尺效应试验

对某原型级配堆石料,采用混合法根据规范要求缩尺,获得3条模拟级配曲线,相应的最大颗粒粒径分别为20 mm、40 mm和60 mm。对缩尺后的堆石料,采用同一相对密度作为制样标准,利用大型和中型三轴剪切仪分别进行不同围压下各向等压固结排水剪切试验,探讨堆石料强度和变形特性的缩尺效应。结果表明:堆石料的非线性强度指标φ0和Δφ均随试样最大粒径dmax的增加呈对数函数增大;通过研究粒径和围压对粗粒土变形性质的影响,发现初始弹性模量Ei和体积切线模量Bt均随dmax的增加而线性增大,初始泊松比νi随dmax的增大逐渐减小(两者之间存在良好的幂函数关系);此外,总结出Ei、νi和Bt与dmax及围压σ3之间的关系式,据此可初步估计dmax对Ei、νi和Bt的影响。

粗粒料缩尺效应影响因素分析

总结了在研究缩尺效应对粗粒料强度及变形特性的影响规律时应考虑的影响因素主要包括缩尺方法的影响、替代料密度控制问题以及颗粒破碎对缩尺效应的影响等。对双江口堆石料进行了四种方法缩尺后试验料的三轴固结排水剪试验,振动压实试验,研究了强度及压实性的差异。分析了常用的缩尺方法的优缺点,指出室内试验时试验级配料试样密度控制的重要性以及合理的密度控制方法。分析了由于颗粒破碎引起试验土料级配变化从而影响缩尺效应评价的问题。最后,提出了缩尺效应研究中应综合考虑的几个问题。

粗颗粒填料蠕变的缩尺效应研究

为解决高填方工程中粗粒填料蠕变的缩尺效应问题,以灰岩质填料为试验研究对象,对3种不同缩尺级配的粗颗粒土试样分别进行蠕变试验,并总结了试样的最大干密度与土样的缩尺比之间的关系,以及试样的最大粒径与土样蠕变变形之间的关系。研究表明,试样的最大干密度与其所含的最大粒径呈线性正相关关系;试样所含最大粒径与其沉降量呈正相关关系;改变试样所含的最大粒径后,土体强度产生变化,其变形性质随之变化;当轴向应力足够大时,粗颗粒填料的应变趋于定值。

双幕墙风压缩尺效应及其产生机理的数值分析

将可实现kε-湍流模型与非平衡壁面函数搭配使用,对带L型和一字型双层幕墙的矩形建筑的原型、1∶10及1∶100的缩尺模型进行计算流体动力学(CFD)建模分析,研究缩尺刚性模型风洞试验中由于双层幕墙廊道间距缩尺导致模型与原型的压力系数差异.通过对双层幕墙通风廊道内的气流流动和沿程阻力的分析,阐述了产生缩尺效应的内在原因.对L型双层幕墙,当处于幕墙廊道内气流流动较强的风向角时,廊道内沿程阻力对廊道内平均内压的影响较大,缩尺效应通过沿程阻力对内压产生影响,而且随着模型缩尺比的减小而增大;当处于廊道内气流流动较弱的风向角时,沿程阻力对内压影响不大,相应的缩尺效应也不明显.对一字型双层幕墙,在所有风向角下,其廊道内气流流动均较弱,因此缩尺效应对一字型双层幕墙平均内压的影响很小.