（岩土工程专业论文）粗粒料大型单剪试验研究.pdf

摘要 随着近年来大型工业与民用建筑建设的兴起与大型土石坝的兴建，堆石、砂石、租粒 料等材料被广泛应用于水利、港口、交通等岩土工程建设中，粗粒料的工程特性研究已经 成为许多专家研究的重点。室内试验是研究粗粒料工程特性的重要手段，选取结构简单、 传力明确、操作简便等优点而且结果也较实用的试验仪器，对研究粗粒料的工程特性及实 际工程具有很重要的意义。本文采用河海大学最新研制的大型单剪、直剪仪对粗粒料进行 了一系列的研究工作。主要研究工作及其结论如下： 1 综合分析了目前粗粒料的研究现状，尤其是关于粗粒料颗粒破碎的研究，比较了目 前使用较多的室内试验仪器：三轴仪、直剪仪、单剪仪等仪器优缺点。 2 介绍了大型单剪、直剪仪的主要组成部件、结构原理及操作过程；应用该仪器进行 了多组单剪试验，比较了单剪与直剪试验结果的差异，着重分析研究了初始干密度不同的 租粒料及初始干密度相同最大粒径不同的粗粒料的试验结果。 3 对初始干密度相同最大粒径不同及初始干密度不同租粒料试验测得的数据进行了剪 胀性分析，发现：剪胀率与剪应力比之间存在线性关系，前人研究发现砂土的剪胀率与剪 应力比之间也存在线性关系，说明无粘性土的剪胀率与剪应力比之问存在相关性 4 对初始干密度不同粗粒料试验测得的数据进行了颗粒破碎分析，发现：颗粒破碎率与 剪胀率之问成线性关系；同时从能量的角度由能比原理分别推导出不包含颗粒破碎、包含 颗粒破碎的剪胀方程，计算出粗粒料抗剪强度的各种分量；根据颗粒破碎率与颗粒破碎能 之间的关系曲线提出颗粒破碎率与颗粒破碎能的关系应分段考虑。 关键词：粗粒料，单剪试验，剪胀性，颗粒破碎，颗粒破碎能 a b s t r a c t m a t e r i a l ss u c ha sm o r a i n e s ，g r a n u l a r s ，c o a r s eg a i n e ds o i l sh a v eb e e na p p l i e dw i d e l yi n e n g i n e e r i n g ss u c ha sw a t e rc o n s e r v a n c y , p o r t , a n dt r a f i l ep r o j e c t a sl a r g e - s c a l ei n d u s t r i e s ， d o m e s t i cb u i l d i n g s a n dl a r g e - s c a l ee a r t h - r o c kd a ma r ec o n s t r u o d n 吕s ot h es t u d yo nt h eo d a r s e g r a i n e ds o i l s e n g l n e e r i n gp r o p e r t i e sh a sa t t r a c t e dl o t so fa t t e n t i o nf r o mm a n ye x p e r t s 1 1 l e i n d o o re x p e r i m e n ti so n eo ft h ei m p o r t a n ta p p r o a c h e st or e s e a r c ht h ec o a r s eg r a i n e ds o i l s e n g i n e e r i n gp r o p e r t i e s i ti sm e a n i n g f u lt os e l e c te x p e r i m e n ti n s t r u m e n tw h i c hh a sa d v a n t a g e si n s m m m x e ，t r a n s m i r i n gf o r c e ，o p e r a t i o n ，a n di t sr e s u l t sa r cp r a c t i c a l i nt h i sa r t i c l eu s i n gt h e l a r g e - s i z es i m p l es h e a r ，d i r e c ts h e a ra p p a r a t u sw h i c hi sd e s i g n e db yh o h a iu 1 1 i v e r s i t yt o r e s e a r c ht h ec o a r s eg r a i n e ds o i l s m a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 s y n t h e t i c a l l ya n a l y z i n gt h er e s e a r c ht e n d e n c ya tp r e s e n to ft h ec o o a r s eg r a i n e ds o i l s ， e s p e c i a l l ya b o u tt h eg r a i nb r e a k a g e ，c o m p a r i n gt h et r i a x i a ia p p a r a t u s ，d i r e c ts h e a ra p p a r a t u s ， s i m p l es h e a ra d p a r a t u s ，w h i c ha r eo f t e nu s e di nt h ei n d o o re x p e r i m e n t 2 i n t r o d u c i n gt h em a i nc o m p o n e n t s ，s t r u c t u r a lp r i n c i p l ea n dt h eo p e r a t i n gp r o c e s so ft h e l a r g e - s i z es i m p l es h e a r ，d i r e c ts h e a ra p p a r a t u s a l s oc a r t i n go u ts e v e r a lg r o u pt e s t sa n d c o m p a r i n gt h er e s u l t s d i f f e r e r e n t i a l so f s i m p l es h e a ra n d d i r e c ts h e a r e m p h a s i z l ya n a l y z i n g t h et e s t i n gr e s u l t so f d i f f e r e n ti n i t i a ld r yd e n s i t i e sa n dm a x i m u ms i z e so f t h ec o o a r s eg r a i n e d s o i l s 3 t h r o u g ha n a l y z i n gs h e a rd i l a t i n gb a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t ao ft h ed i f f e r e n tm a x i m u m s i z ea n dd i f f e r e n ti n i t i a ld r yd e n s i t i e sc o o a r s eg r a i n e ds o i l s ，i ti sf i n dt h a td i l a t i o nr a t ea n d s h e a rs t r e s sr a t i oa r el i n e a rr e l a t i o n , a n dp r e v i o u sr e s e a r c ha l s oi n d i c a t e st h a td i l a t i o nr a t ea n d s h e a rs t r e s sr a t i oo ft h es a n da r el i n e a rr e l a t i o n ，s oi tp r o v e st h a tt h ec o h e s i o n l e s ss o i l r e l a t i o n s h i po f d i l a t i o nr a t ea n ds h e a r s u - e s sr a t i oi sc o n s i s t e n t 4 t h r o u g ha n a l y z i n gg r a i nb r e a k a g eb a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t ao ft h ed i f f e r e n ti n i t i a ld r y d e n s i t i e sc o a r s eg r a i n e ds o i l s ，i ti sf i n dt h a tt h eb r e a k a g er a t ea n dt h ed i l a t i o nr a t ea r el i n e a r r e l a t i o n ：f r o mt h ee n e r g ya n g l e ，t h ed i l a t i o ne q u a t i o n sc o n s i d e r i n gg r a i nb r e a k a g ea n d w i t h o u tc o n s i d e r i n gg r a i nb r e a k a g ea r ee s t a b l i s h e db a s e do ne n a - g yr a t i op r i n c i p l e ， s ot h e d i f f e r e n tp a r t so fs h c a rs t r e n g t hc a nb ec a l c u l a t e d ：c n r v e sa b o u tt h er e l a t i o n s h i po f b r e a k a g e r a t ea n db r e a k a g ee n e r g ys h o wt h a ti ti sr e a s o n a b l et oa n a l y z et h er e l a t i o n s h i pb c t x v e e r l s h a t t e r i n gr a t i oa n ds h a t t e r i n ge n e r g yb yd i v i d i n gt h ec a r v e si n t os e v e r a lp a r t s k e yw o r d s ：c o o a r s eg r a i n e ds o i l s ：s i m p l es h e a rt e s t ：s h e a rd i l a t i n g ：g r a i nb r e a k a g e ：b r e a k a g e e n e r g y n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：型 查抄7 年厂月j 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：i ! i 坠妒了年厂月y 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 粗粒料一般是指砂砾石、砂卵石、石渣、爆破开采的石料等粗颗粒土石混合材料【l 】。 土工试验规程( s l 2 3 7 - - 1 9 9 9 ) 【2 】具体的指：“粗颗粒土是指粒径大于5 m m 土的质量大 于总质量5 0 的粗粒土”粗粒土在自然界的分布十分广泛，储量丰富，广泛应用于土石 坝、公路、铁路、飞机跑道、房屋基础、护岸抛石体、江堤、海湾防波堤等建筑工程。 根据粗粒土中粘性细粒的含量和土体渗透的渗透系数的大小，可把粗粒土分为自由排 水无粘性粗粒土( 简称无粘性粗粒土) 和非自由排水粘性粗粒土( 简称粘性租税土) 无粘性粗粒土主要包括砂砾石、砂卵石、石渣、堆石料等粗颗粒土石料，颗粒中没有 或只有微量的细粒土，粗粒含量较高，透水性强，颗粒问粘结力很小甚至趋近于零，由颗 粒问的咬合和摩擦阻力来决定抗剪强度等力学性质，其本质上属于摩擦性材料无粘性粗 粒土具有透水性强、抗剪强度高、压实密度大、沉陷变形小、承载能力高等工程特性，是 良好的填方材料。如用于填筑土石坝、铁路路基、桥梁墩台及处理软弱地基的砂石垫层等。 粘性粗粒土既含有无粘性砂、砾石及卵石颗粒，又含有粘性的粉粒和粘粒，是无粘性 粗颗粒和粘性细粒土的混合料。粘性粗粒土在土石坝中应用较多的是砾质土，一般作为心 墙防渗料。砾质土是一种粘性土与大于5 m m 的砾石组成的混合料，其中砾石含量一般在 2 0 以上，属于粘性粗粒土的范畴【3 - 4 1 1 2 粗粒料的研究现状 抗剪强度是粗粒料主要工程特性指标之一，是天然土石体，人工填筑的土石坝、河堤、 路基等土石方工程稳定分析的依据，土体的抗剪强度理论是土力学的基石，与粘性土、砂 土抗剪强度特性相比，粗粒料的抗剪强度特性又有所不同。 1 2 1 粗粒土的抗剪强度表达式 为： 在土力学中，库仑公式应用最为广泛，也是粗粒土抗剪强度计算的主要公式，其公式 t = c + d 9 9 l 河海大学硕士学位论文 即破坏剪应力与法向应力呈线性关系。但是大量的粗粒土的试验资料表明，在高围压时强 度曲线并不是直线，而是向下弯曲的曲线，如图1 1 所示线性强度公式对于粗粒土并不 完全适用，所以一些学者提出了非线性的抗剪强度表达式 图1 1 粗粒料的强度包线示意图 ( 1 ) 陈梁生【5 1 等提出强度包线为非线性时，可按工程计算的实际压力大小，将强度包线 分段，在该段平均法向应力与强度线的交点处作切线，该切线在f 轴的截距为c 值，切线 与仃轴的夹角为p ，这样即可求得该段平均法向应力范围内的抗剪强度参数。当法向应力 不同时，则按同样方法通过不同的切线得到不同的c 、伊强度参数，而抗剪强度仍沿用库 仑线性方程f = c + o t g p ，只不过c 、伊不是常数，是随平均法向应力变化的变量 ( 2 ) d e m e l l o 6 1 提出非线性强度关系式为 f r = a o 6( 1 2 ) 后来殷家瑜【7 8 】等人把上式改进为 f ，= 一只瓴，只r ( 1 3 ) 式中， f ，一抗剪强度，k p a ；c r j 法向应力，k i a ；a 、曰一强度参数，如图1 2 确定； 只一大气压力，( 1 0 0l d a ) ( 3 ) d u n c a n 9 1 等人提出非线性强度参数关系式为 伊= 编一a f o l g ( r , ，e ) f ，2 0 t g q 7 v = s i n 一乃) 他+ c r 3 ) i 式中， 口过原点作某一应力圆的切线与行坐标轴的夹角，如图1 3 所示； 2 ( 1 4 ( 1 5 ) ( 1 6 ) 第一章绪论 、矿一两个强度参数，定义如图1 4 所示 1 9 ( o , p ) 图1 2 参数a 、b 定义示意图 图1 3 邓肯强度参数矿 图1 4 、妒定义示意图 l g ( o p ) d u n c a n 等人认为无粘性土粘聚力c = 0 ，采用过原点作一个应力圆的切线，可求得内 摩擦角p 值。大量堆石料的三轴压缩试验结果的统计分析认为，堆石料的强度参数符合这 一对数关系，因此高土石坝稳定性计算中，粗粒料非线性抗剪强度的对数关系被广泛采用。 3 河海大学硕士学位论文 5 m m 某一粒级含量( ) ；。一处理前与只。对 应的粒级含量( ) ；只超径料含量( ) 3 相似级配法 相似级配法是根据原级配的最大粒级矗。和允许的最大粒径d 。的比例，将各粒级 缩小，缩小前后对应粒级间的含量百分数不变，或者说在颗粒组成累计曲线图上以d 一点 代替d 。一点，以此点为起始点将颗粒组成曲线平移，保持两曲线问的水平距离始终相等 处理后级配的计算方法如下式所示： 万：d ：_ o u 一( 1 - - 1 2 ) d 。 ，t：血0-13) 只= 昂i ( 1 一1 4 ) 式中，d o 一一原级配最大粒径；d 。，一原级配某粒径id 一一相似级配( 缩小后) 最大粒径； 4 一相似级配( 缩小后) 某粒径；一缩小倍数：只一4 的百分含量；v o ，一d o ，的百分含量。 1 2 4 粗粒料剪胀性研究 粗粒料另一个明显的特征就是剪胀性。剪胀性 2 7 1 1 2 8 1 是土的基本力学特性之一，也是它 区别于其它材料的一个本质特征。自从土的剪胀性被发现以来，就引起了广大学者的浓厚 兴趣，关于土的剪胀性的研究也不断深入，成果也不断涌现：提出了一系列的应力一剪胀 方程，其中最著名的就是r o w e 剪胀方程 2 9 1 ，张建民【蚓把砂土的剪胀分为可逆和不可逆两 部分，认为砂土的可逆剪胀取决于现实剪应变的大小，与剪切过程中相对滑移机制以及颗 粒转动引起的砂粒集合平均定向率的可逆变化有关，而不可逆剪胀主要取决于剪切作用的 历史，可能是剪切过程中砂粒破碎，平均孔隙率减小及大孔隙消失的结臬。李广信【3 l 】将土 体的卸荷体缩归因于土体的可恢复剪胀，并认为在剪胀过程中土颗粒一般是从低势能状态 向高势能状态变化，处于不稳定状态，当剪应力卸除时，有很大部分的剪胀变形会恢复 刘元雪f 3 2 】也对土的剪胀性进行了研究，认为应力洛德角变化对土体应力应变关系的影响可 以归因于应力增量中广义剪应力分量引起的剪切变形与剪胀。依据传统土体弹塑性理论的 6 第一章绪论 观点，将土体应变分为弹性应变与塑性应变两部分，弹性应变采用各向同性广义虎克定律 计算，塑性变形依据各种塑性建模思想来计算。塑性体应变增量d 掣一般可表示为： 如f = c d p + d a q( 1 一1 5 ) 式中c ，d 为塑性系数，劫，由分别为球应力增量与广义剪应力增量。式中最后一项d d q 即 是土体变形的剪胀部分。过去很长一段时间人们都认为剪胀全部都是不可恢复的，而他指 出了一部分剪胀是可以恢复的，只要土体存在各向异性时，土体变形中就存在弹性剪胀部 分，当土体卸载时，这一部分剪胀当然可以恢复 1 2 5 粗粒料颗粒破碎研究 颗粒破碎性是粗粒料的基本特性之一【3 3 1 1 州，成为近年来人们研究的重点，目前颗粒破 碎研究成果主要来自于常规三轴剪切试验。基本上还处于定性和初步分析阶段，没有达到 实际应用的水平颗粒破碎现象早在本世纪初便引起了人们的注意。但在1 9 8 4 年以前， b l a c kw e l d e r ( 1 9 2 0 ) ，t e r z a g h i ( 1 9 2 5 ) ，b o t s e ta n db e c d ( 1 9 3 5 ) 等通过一些简单的试验 研究 3 5 1 ，认为颗粒材料即使在高达8 5 m p a 的应力条件下破碎量都是很少的。因而在相当 长的一段时问内，很少有人从事颗粒破碎研究。直至1 9 4 8 年，同样是t e r z a g h i 的发现引 起了人们对这一现象的重视。太沙基( t e r z a g h i ) 和皮克( p e c k ) 【3 6 l 在进行砂粒的高压单 轴压缩试验时，发现试样的空隙比与有效应力对数坐标关系曲线的斜率明显变陡，显然， 这是颗粒破碎引起的。自此，d e s o u z a ( 1 9 5 8 ) 、h e n & o n ( 1 9 6 3 ) 、m a r s a l r j 3 7 1 ( 1 9 6 5 ) 等人相继作了一系列的试验工作，研究范围涉及到不同粒径、不同级配、不同颗粒形状、 不同孔隙比等多种变化因素的试样。但限于试验条件，六十年代之前的研究对象多局限在 砂粒土范围内。不过这方面的研究成果与后来的研究还是具有较好的一致性六十年代以 来，马萨尔( m a r s a l ) 、v e s i ca n dc l o u g h 等人在这方面作了许多卓有成效的工作，m a r s a l p g ( 1 9 7 3 ) 从统计学角度对粗粒科颗粒进行了分类，定义了颗粒名义直径、形状系数、颗粒接 触点数、土体体积颗粒密度和面积颗粒密度等概念，然后推导出颗粒接触点数、接触点力、 破碎应力等的表达式。这些公式中，考虑了影响颗粒破碎的因素包括颗粒形状、材料质地、 颗粒级配、密度、应力状态等众多因素。同时指出，母岩的单轴抗压强度对颗粒破碎有很 大的影响，而起决定作用的仍然是颗粒接触点的应力。日本土质工学会【1 3 1 通过对大量试验 资料的回归分析认为，围压、孔隙比、最大粒径、不均匀系数岩性、吸水率是影响颗粒破 碎的主要因素。m i u r a 和o 栅a 【3 9 1 ( 1 9 7 9 ) 也进行了颗粒表面积因素方面的研究。 7 河海大学硕士学位论文 国内粗粒料颗粒破碎的研究较国外要晚，约在2 0 世纪8 0 年代，随着几座大型土石坝 的建设而开始。郭庆国 m 1 2 1 ( 1 9 9 1 ，1 9 9 7 ) 指出：经实践证明，粗粒土颗粒组成愈均匀，受 风化影响愈大，颗粒本身愈软弱，愈是棱角状，压力水平愈高，愈容易破碎，对强度的影 响愈大；相反，影响愈小。 文献【1 硬3 5 l 总结认为，颗粒破碎是在多种因素综合影响下产生的，主要包括：颗粒本身 基本性质、颗粒组成条件、压实能量的施加方式、应力状态及应力路径、密度或孔隙比、 水( 或其他液体) 的作用。已有研究表明：颗粒粒径越大，棱角越尖锐、强度越低、级配越 均匀、密度越小、有效主应力比越大，则颗粒越容易破碎，且破碎量越大 1 2 5 i 颗粒破碎量的表示 颗粒破碎的量度定义为破碎率，有了破碎率的概念即有了比较破碎程度的标准。然而 在研究破碎史上不同的学者采用不同的表示法。如破碎前后试样某含量的粒径比值表示 法，以及破碎前后破碎势表示法，试验中颗粒表面积增量与塑性功增量比值表示法，破碎 前后粒组含量变化累计表示法等。 常用的度量颗粒破碎如下： ( 1 ) m a r s a l 3 8 i h o ( 1 9 7 3 ) 在研究m i c ad a m 坝粗粒料时建议用颗粒破碎率来描述颗粒 破碎量。具体计算时，先计算试验前后各粒组的含量差值畋，然后取为正的值之和。 用百分数表示，即为颗粒破碎率，即： 色- - e a ( i 1 9 ) 式中：畈= 阡名一阡_ ，为试验前级配曲线上某级粒组的含量；阡0 为试验后级配曲线 上相同粒组的含量。 ( 2 ) l e c 和f a r h o o m a l l d h 玎( 1 9 6 0 、1 9 6 7 ) 在对土石坝反滤料进行研究时提出了一种 表示破碎的方法，其研究的目的是验证大量颗粒破碎是否会有效地堵塞坝体的反滤层他 们对砂样进行了一系列的等向加载和比例加荷试验，提出用颗粒粒径变化的差值来表示颗 粒的破碎程度，即用破碎前后试样某含量的粒径差值表示。这种表示方法比较简单、直观， 但对反映整体变化情况欠佳。 ( 3 ) n o r i h i k om i u r aa n ds t a k eo _ _ h e r a i 删( 1 9 7 9 ) 在研究颗粒材料剪切过程中颗粒破 碎时，提出以试样颗粒面积增量器表示破碎数量。并发现试样破坏时颗粒面积增量与塑性 功增量邪之比胛l 与相应的h 亿) ，、( 警) f 存在很好的线性关系。说明删是 s 第一章绪论 试验材料破碎的一种很好的特征量。 ( 4 ) 柏树田【4 3 l ( 1 9 8 5 ) 、沈新型删( 1 9 8 5 ) 提出，用堆石受荷前后的限制粒径之差度 量颗粒破碎程度： 曰砷= d 鲫一d 鲫， ( 1 2 0 ) 式中，为限制粒径变化差( 咖) ；d 。为试验前限制粒径( m m ) ；d 。，为试验后限制粒 径( n u n ) 。 ( 5 ) h a r d i n 4 s l ( 1 9 8 5 ) 引入破碎势概念( p o t e n t i a lf o rb r e a k a g e ) 提出一种表示法。破 碎势即颗粒破碎的可能性。该法认为颗粒破碎的可能性随颗粒粒径的增大而增大，在高应 力作用下将破碎成粉粒，而粉粒则被认为是不可继续破碎的该法以粉粒粒径上限 0 0 7 4 m m 作为破碎的极限粒径。根据颗粒分布曲线的变化，定义了破碎势和破碎量以及 试验前后颗粒分布曲线与粒径d = 0 0 7 4 m m 竖线所围面积，分别为初始破碎势b 一和口， 并且认为，粒径小于o 0 7 4 r a m 的细颗粒对颗粒破碎的影响不大，破碎量e 为上述两面积 的差值，即 置= b 一b ( 1 2 1 ) 并再定义相对颗粒破碎率b ，为 毋= ( 1 - - 2 2 ) 1 2 5 2 租粒料颗粒破碎对抗剪强度指标及变形的影响 对于颗粒破碎对土体抗剪强度的影响，r 0 w e 【5 3 i 剐( 1 9 6 2 ) 根据应力剪胀理论，结合最小 能比原理，提出了考虑剪胀的土体内摩擦角理论计算公式l e e 和s e e d 5 5 10 9 6 7 ) 根据最 大围压达到1 2 m p a 的砂土一系列三轴试验，其结论是：在高压试验必须考虑颗粒破碎的附 加影响。 m a k s i m o v i d s * ( 1 9 8 9 ) 通过对粗粒料抗剪强度的研究发现随着围压的增大，摩尔库伦强 度包线呈现出明显的非线性下弯，这说明由于在高围压下颗粒破碎的加剧，造成了土体抗 剪强度进一步降低同时m a r c u 也指出了抗剪强度的降低将影响到土石坝边坡的稳定。 t z o u s h i nu e n g 和t s e - j e nc h e n p 7 】( 2 0 0 0 ) 根据最d 、能比原理结合r o w e 的剪胀方程，把粗 粒料内摩擦角分解为滑动摩擦分量、剪胀分量和颗粒破碎分量3 部分 当施工结束坝体稳定运行后，发现坝体的变形仍在继续，进一步分析认为粗粒料蠕变 破碎【铝x 别是工后变形的原因之一、缸a d a r a j 肌【砷】( 2 0 0 3 ) 通过相同级配的圆( 次圆) 颗粒和 河海大学硕士学位论文 棱角鲜明的颗粒粗粒料试验分析认为这部分体变是由于钙质砂颗粒破碎造成的，颗粒破碎 的存在减小了土体的剪胀性n a y l o r 、m a r a c a 、m a t t a r 6 q 等在研究高达4 8 m 的模型坝b e l i c h e d a m 施工填筑时发现，颗粒破碎引起了土体k 。的增加和蠕交的逐渐加大汪明元等【7 4 】指 出颗粒破碎是粗粒料流变的一个重要因素。 1 3 问题的提出 随着近年来大型工业与民用建筑建设的兴起与大型土石坝的兴建，堆石、砂石、粗粒 料等材料被广泛应用于水利、港口、交通等岩土工程建设中，因此，进一步了解粗粒料的 工程特性十分重要。 粗粒料研究是在砂的特性研究基础上展开的，但因粗粒科具有颗粒粒径大，以及会因 压实和剪应力作用而极易破碎的性质，使得二者又不能等同对待。粗粒料在剪力作用下常 产生破碎，破碎程度随颗粒硬度、粒径、细长比及应力大小而变化。颗粒破碎对材料的剪 胀性和抗剪强度指标产生影响。而这正是工程中十分关心的问题，尤其是对抗剪强度的影 响。但以前这方面的研究工作多注重破碎程度的影响因素，很少考虑对强度的影响，因此 有必要对粗粒料颗粒破碎对抗剪强度的影响深入探讨。 大型三轴剪切试验仪是研究租粒料工程特性较理想的试验设备，但其本身也有很多缺 陷例如不能反应中主应力作用，实测值比平面应变仪和真三轴偏低，试验仪器尺寸也较大， 给实际操作带来困难，并且大型三轴剪切仪造价高，许多单位不具备配备条件。室内研究 粗粒料工程特性的试验设备还有很多，单剪仪是常规室内试验的一种仪器，其试验过程简 单，操作容易，且对中小工程不失为一种经济实惠的试验方法。另一方面由试验与理论分 析的比较研究表明，用单剪试验模型分析破碎情况下剪胀性的变化是比较合理的；而由此 建立剪胀方程得到的强度指标又与强度机理相统一，并且符合能量转换观点。清华大学研 制了一台大型单剪仪用于研究各类接触面问题。而目前国内采用大型单剪仪研究粗粒料的 文献几乎没有，本文利用河海大学大型单剪仪研究粗粒料强度特性。 1 4 本文的主要研究工作 如上所述，研究粗粒料的特性，在理论和工程应用上都具有一定的意义。鉴于此本文 主要做了以下几方面的工作： 1 综合分析了目前粗粒料的研究现状，尤其是关于粗粒料颗粒破碎的研究，比较了目 l o 第一章绪论 前使用较多的室内试验仪器三轴仪、直剪仪、单剪仪等室内试验仪器优缺点，介绍了粗粒 料的主要工程特性和强度特性。 2 介绍了大型单剪、直剪仪的主要组成部件、结构原理及操作过程：应用该仪器进行 了多组单剪试验，比较了单剪与直剪试验结果的差异，着重分析研究了干密度不同的粗粒 料及干密度相同最大粒径不同的粗粒料的试验结果。 3 由试验测得数据对干密度相同最大粒径不同粗粒料的剪胀进行分析发现：剪胀的发 生与剪切位移不存在定量的关系，但从剪应力水平位移及体变水平位移关系曲线可以 看出，剪应力达到峰值所需要剪切位移总是比剪胀发生时所需的剪切位移大；剪胀率 如，i d s i 与剪应力比白= 盯) ，7 之间存在直线关系 4 由试验测得数据对千密度不同粗粒料的颗粒破碎进行分析发现：颗粒破碎率丑。与剪 胀性阜之间成线性关系；同时从能量的角度由能比原理分别推导出不包含颗粒破碎、包 d y 含颗粒破碎的剪胀方程，根据资料及规范确定基本内摩擦角，从而计算出粗粒料抗剪强度 的各种分量；由颗粒破碎率以与颗粒破碎能也关系曲线认为颗粒破碎率吃与颗粒破碎能 露。之问的关系应分段考虑：在中低压时，颗粒破碎率巩与颓粒破碎能岛之间成幂函数关 系；在中高压时，颗粒破碎率以与颗粒破碎能之问成双曲线关系 河海大学硕士论文 第二章试验方案及单剪仪试验测试 2 1 试验仪器介绍 2 1 1 引言 室内试验对土力学发展的作用是十分重要的。土力学的发展总是伴随着试验测试技术 的提高、改进和发展，二者互相促进，共同提高。土力学发展到今天的实践证明，没有现 代化的试验仪器和试验技术，也就不可能有现代土力学的理论成果，现场试验( 原位测试技 术) 不能完全代替室内试验，岩土的一些基础数据，如粒度成分、密度、含水量、可塑性等 指标，只能通过室内试验测定；测定土的力学性状时，室内试验可根据需要，控制应力， 应变及排水条件，而原位测试很难做到。甚至有的学者认为，只有室内试验才有可能对土 的复杂特性进行研究。 目前，用于研究粗粒料性质的试验仪器主要有三轴仪、单剪仪、直剪仪等，大型三轴 剪切试验仪是研究粗粒料工程特性较理想的试验设备，但不能反应中主应力作用，实测值 比平面应变仪和真三轴偏低，并且研究粗粒料特性时由于其颗粒粒径大，需要的试验仪器 尺寸也较大，试样制作及实际操作较困难且费用高。直剪仪具有结构简单、消耗试件少、 固结侠、省时、仪器刚度大、传力明确、操作简单、费用低等诸多优点。利用该仪器所测 得的土体抗剪强度参数，在实际工程应用中具有重要的参考价值。但该仪器本身还存在诸 多缺陷：如正应力不稳定、剪应力集中及剪应力分布不均匀、实际剪切面并非理想剪切面、 试验过程不能严格控制排水条件等，影响所测数据的精确性。单剪仪和直剪仪相比，具有 结构简单、消耗试件少、固结快、省时、仪器刚度大、传力明确、操作简单等诸多优点的 基础上，克服了直剪仪固定破坏面的缺点，其试验结果优于直剪；并且由试验与理论分析 的比较研究表明，用单剪试验模型分析破碎情况下剪胀性的变化时比较合理；而由此建立 剪胀方程得到的强度指标又与强度机理相统一，并且符合能量转换观点。基于以上分析， 本次试验采用大型单剪、直剪仪研究粗粒料的剪切特性。 2 1 2 大型单剪、直剪仪介绍 为了能够更好的研究粗粒料的剪切特性，河海大学研制了大型单剪、直剪仪该设备 1 2 第二章试验方案及单剪仪试验测试 用于测定粗粒料土体的抗剪强度，以及不同材料的接触面特性等方面的试验研究。采用板 式框架结构，造型美观，受力条件好；法向荷载及切向推力均用荷载传感器( 电子测力计) 测定，垂直及水平位移测量采用光栅位移传感器；系统所有液压及电气操作控制阀门、开 关均集中安放于控制屏上，方便操作；设备配套有计算机自动数据采集处理系统。完成荷 载、位移的采集存储，和水平推力的自动控制。设备还配套有直剪剪盒，可以进行直剪试 验。 2 1 2 1 试验仪器主要组成部分 试验仪器主要组成部分：上、下剪切盒组成的装样结构，计算机自动采集数据系统、 操作控制台、法向荷载及切向推力加载系统，垂直及水平位移测量采用的光栅位移传感器 如图2 扛图2 9 所示。 图2 2 大型单剪仪的板式框架结构图2 3 大型单剪仪的上部五层叠环 图2 4 剪切盒图2 5 计算机自动采集数据系统 1 3 河海大学硕士论文 图2 6 大型单剪、直剪仪操作控制台图2 7 高压氮气瓶及储油罐 图2 8 水平光栅位移计图2 9 水平推力油缸 2 1 2 2 仪器主要技术指标 ( 1 ) 试样尺寸： ( 2 ) 最大允许粒径： ( 3 ) 最大法向应力： ( 4 ) 最大法向行程： ( 5 ) 最大水平推力： ( 6 ) 最大水平行程： ( 7 ) 加载方式： 叠环剪3 0 0 3 0 0 m m ( 面积7 0 7 c m 2 ) ； 上叠环分为五层，每层高度2 0 r a m ： 6 0 m m | 2 8m p a ，总荷载2 0 0 k n ； 8 0 m m ； 总推力2 0 0 k n ： 8 0 r a m ： 可调应力、应变式；剪切移动速度0 0 1 5n 3 i n 连续调整； 1 4 第二章试验方案及单剪仪试验测试 ( 8 ) 垂直变形测量：配光栅位移计4 支： ( 9 ) 水平位移测量：配光栅位移计6 支： ( 1 0 ) 使用气源： 高压氮气或压缩空气0 3 m p a ) 。 2 1 2 3 大型单剪、直剪仪结构原理及操作过程 1 结构原理 ( 1 ) 主机结构原理： 采用板式框架结构，液压加载垂直加载的油缸安装于顶梁之下，垂直荷载传感器安装 在垂直加载油缸的内部中央；水平油缸安装在主机右边的水平向反力座的右侧面，水平荷 载传感器安装在水平油缸内部的中央。主机正中安装剪切盒。上部叠环式剪盒一共6 层， 均为外边方形，内孔3 0 0 厚2 0 毫米的环，最顶上一层厚度5 0 毫米，一端与水平反力座的 的顶面接触成为上反力点，剪切时顶层叠环不移动，在每层叠环之问均安装有钢球以减少 摩擦阻力在下剪切盒侧面安装两根拉杆，与水平反力梁相连后组成反力系统。剪盒下测 安装有导向钢球，防止剪切时产生测向转动，剪切盒下面配有滚动轴捧，并可减少剪切时 的摩擦阻力，同时可以用于推动剪切盒前后移动，方便装卸试样。 ( 2 ) 垂直液压加载系统： 为提高垂直压力控制精度，分为低压( o o l 一4 ) m p a 、高压( 4 1 2 ) m p a 两个通道分别对 不同的压力供油由高压叶片油泵、滤油器、高压气瓶、气液液压平衡阀、电磁换向阀、 液压开关及其管路等组成的主油泵站供油。 ( 3 ) 水平液压加载的应力、应变控制： 由垂直加载液压系统供给压力油，系统采用计算机控制变频机自动调速系统和大减速 比机械减速器、滚珠丝杠、推力油缸组成的自动调速系统控制水平剪切应变速度，要进行 应力控制时只需要在试验过程中点击“保持”按钮系统就会自动保持当前压力达到应力控 制的目的。 ( 4 ) 垂直及水平位移测量： 沿剪切盒的顶面四周，安装四支光栅位移传感器；水平向的位移量测采用6 支光栅传 感器，分别测量每个叠环间的位移量。由计算机自动采集存储光栅传感器的变化。 2 操作过程 ( 1 ) 安装叠环，对准上下盒，插入固定销在下盒内放透水板，为了进一步减小摩 擦，应提前对每层叠环之间的钢球、剪盒下测安装的导向钢球，以及剪切盒下面配的滚动 河海大学硕士论文 轴排涂油，以减少剪切时的摩擦阻力。 ( 2 ) 制样( 具体过程见第二节) 。按确定的级配及干密度计算并称取试验所需的各个粒 径范围石料进行配料，搅拌后将试样均匀地分成三份装入剪切盒内，进行人工捣实；将传 压钢板等放在试样上，进行固结。当每小时垂直变形小于o 0 3 m m 时，则认为固结稳定。 ( 3 ) 制样结束后，在试样顶部依次放上透水板和加压盖。然后将剪切盒推入板式框 架内，试样的中心对准垂直加载油缸的中心；上部叠环式剪盒最顶上一层一端与水平反力 座的的顶面接触成为上反力点，剪切时顶层叠环不移动，在下剪切盒侧面安装两根拉杆， 与水平反力梁相连后组成反力系统。 ( 4 ) 安装剪切盒侧面两根拉杆，与水平反力梁相连后组成反力系统，同时安装4 支 垂直光栅位移计和6 支水平光栅位移计，拔去固定销，装样结束。 ( 5 ) 装样结束后，打开电源，进入大型单剪、直剪仪的软件操作系统。设置好光栅 传感器参数，系统清零，设置好采集参数。 ( 6 ) 准备就绪后，开启垂直液压油泵，施加垂直压力到预定值，根据试验方案垂直 压力选择高压或低压加载系统施加垂直荷载。进入试验，打开水平输出阀门施加水平荷载， 控制剪切速率为0 2 m m m i n 。计算机自动数据采集处理系统会自动采集垂直荷载、水平荷 载、垂直位移、下剪切盒及每层叠环的水平位移，同时自动绘制下剪切盒水平位移与水平 荷载的关系曲线。 ( 7 ) 当弹出水平推力油缸已前进到终点的对话框时，点击试验结束，退出计算机自 动数据采集处理系统，同时向水平推力油缸中充油，结束试验。 ( 8 ) 试验结束后，打开水平供油，及油泵开关，为水平推力油缸充油。 2 2 试验方案 2 2 1 试验类型的选取 粗粒料渗透系数较大，排水性强，一般来说，粗粒料在施工填筑期就可以完成排水固 结。根据实际观测资料显示，租粒料的沉陷变形在几个月的时问已经基本稳定，而施工期 一般较长，所以对于透水性较强的粗粒料，在三轴剪切试验时宜采用固结排水剪，对应的 单剪试验宜采用慢剪来研究粗粒料强度特性 对能自由排水的无粘性粗粒土，压实时没有最优含水率，一般在完全干燥和饱和时都 1 6 第二章试验方案及单剪仪试验测试 可以获得较大的干密度岛g c ，1 3 ) ，而在其中间得到的干密度较低，本次试验均取完全干 燥的粗粒料进行试验。 2 2 2 试验方案选取 粗粒料与细粒料相比刚性很大，建筑物在施工或运行期的变形一般较小。为此，设计 的主要侧重点是评价强度稳定性，与材料的变形特性相比，强度特性更为人们所重视。本 文拟定了几组试验方案如表2 1 2 _ _ 3 ，研究粗粒料的强度特性 表2 d i 粗粒料直剪试验方案 千密度g c 坍3 )垂直压力( 尼砌) 备注 2 01 0 0 、2 0 0 、4 0 0 、8 0 0 、1 6 0 0 剪切速率设定为0 2 m m m i n 表2 2 粗粒料不同干密度单剪试验方案 干密度b c 坍3 )垂直压力( k p - ) 备注 1 9l o o 、2 0 0 、4 0 0 、8 0 0 、1 6 0 0 2 o1 0 0 、2 0 0 、4 0 0 、8 0 0 、1 6 0 0剪切速率设定为0 2m m m i n 2 1l o o 、2 0 0 、4 0 0 、8 0 0 、1 6 0 0 表2 3 粗粒料粒径等量替换单剪试验方案 最大粒径白历)垂直压力伍砌) 备注 6 0l o o 、2 0 0 、4 0 0 、8 0 0 、1 6 0 0采用等量替换法计算各粒径 4 0l o o ，2 0 0 、4 0 0 、8 0 0 、1 6 0 0范围的质量，并保持细粒含 量不变，剪切速率设定为 2 01 0 0 、2 0 0 、4 0 0 、8 0 0 、1 6 0 0 0 2b m i n i n ) 2 2 3 试验材料 2 2 3 1 土料的基本物理性质 1 7 河海大学硕士论文 试验材料选取的粗粒料为云南李仙江的卧马河料场，成分为石灰岩，表观密度为 2 7 1g 绷3 ，压碎指标为l o 2 ，试验粗粒料级配参照云南糯扎渡土石坝的坝壳粗粒料原 级配( 最大粒径6 0 m m ) 如表2 4 。本次试验所用的大型单剪仪3 0 0 m m ，允许最大粒径 为6 0 m m ，正好符合该土石坝坝壳粗粒料原级配颗粒直径范围的要求 表2 4试验粗粒料级配含量( ) 颗粒直径范围( r a m )6 0 4 04 0 2 02 0 1 01 0 5 0 ，破碎能来源于外力对试样傲功，可将破碎 能作为外力对试样做功的部分抵消。即把外力做功与破碎能之差作为能比的分母，相应能 比表示为： 豆= 麴攀铲 第五章租粒料颗粒破碎研究 掣= c l y 毗- d e b = 磊 c 嘲， d e8 t g p o d 8 lo q s t d y 、 此式中的p 即为不包括剪胀作用和颗粒破碎的土体内摩擦角。虽然给出了不包括剪胀 作用和颗粒破碎的土体内摩擦角伊的方程，但是想得到矿实际上是不容易的，因为无法直 接量测颗粒破碎能施j 应