（岩土工程专业论文）粗粒料缩尺效应试验研究.pdf

河海大学硕士学位论文 摘要 我国土石坝高度越来越高，达到2 0 0 m 甚至3 0 0 m 级，迫切需要对粗粒料的力学特性 进行深入研究。在研究粗粒土的工程特性及各项力学性质时，为利用现有大型仪器对 材料进行试验，必须要对原型材料进行缩尺。而缩尺后的替代级配与原级配往往有很 大差异，研究室内试验用替代级配与实际填筑的原级配料之间的强度和变形特性内在 关系，分析采用不同缩尺方法缩尺后土石料的强度变形特性指标之间的差异，是粗粒 土研究中需要解决的一个重要问题。围绕上述问题，论文主要进行了以下工作。 对同一级配料采用不同缩尺方法进行缩尺，缩尺后替代级配料的最大粒径分别为 1 c m 、2 c m 、4 c m 和6 c m ，对各替代级配料进行了最小、最大干密度试验。分析各级配土 石料的最小、最大干密度与缩尺方法、颗粒粒径之间的关系，并通过关系曲线拟合， 推求原型级配料的最大干密度。同时，对压实过程中的颗粒破碎进行了讨论，发现在 不同缩尺方法下颗粒破碎率有较大差异。 利用大型、中型三轴剪切试验仪对缩尺后的替代级配土石料进行了大量试验。以 直径为6 1 8 c m 、1 0 1 c m 和3 0 c m 的试样，分别进行不同缩尺方法、不同试样尺寸、不同 密度、不同粗粒含量土石料的普通三轴固结排水剪切试验。结果表明：相似级配法缩 尺得到的级配土料强度较高，体积变形较小，等量替代法缩尺后的土料强度较低，体 积变形较大，剔除法和混合法位于两者之间。缩尺方法、粗粒含量和试验密度等对粗 粒料抗剪强度及变形特性的影响较大。 为研究缩尺效应对粗粒料应力应变的影响，对相关三轴试验整理了邓肯模型参 数。研究表明缩尺效应对粗粒料邓肯参数的影响较大，以弹性模量数k 和体积模量数 屹为例，在同一缩尺方法下，k 、随替代料最大粒径的增大而增大。 研究了不同缩尺方法的适用性。根据本文对不同替代级配土石料的压实和三轴试 验结果，对不同缩尺方法进行了对比分析，指出了各缩尺方法存在的不足，并提出了 其适用条件。 关键词：粗粒料；缩尺效应；压实密度；强度及变形特性；粗粒含量；试样密度。 a b s t m c t k e yw o r d s ：c o a r s e g 陋i n e dm a t 两a l s ；s c a l ee 行e c t ；c o m p a c t i o nd e l l s i 锣；s 仃c n g t ha i l dd e f o m 撕o n p r o p e n i e s ；c o a r s eg m i np e r c e n t a g e ；d e n s i t ) ，o fs p e c i m e n i i i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。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。也不包含为获得河 海大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同学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。 学位论文作者签名：盗! 垦黧孚签字日期：2 0 0 8 年6 月扣日 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，并可以采用影印、缩印或扫描等其它复制手段保存论文。本 人学位论文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。 学位论文作者签名：螽! 垦盏签字日期： 2 。8 年多月加日 河海大学硕士学位论文 f = c + 哟缈 ( 4 1 ) 即破坏剪应力与法向应力呈线性关系。但是大量试验资料表明，在高围压时抗剪强度 与法向应力之间的比例关系并不是常数，而是随着应力的增加而降低，在抗剪强度包 线上表现为向下弯曲的曲线，如图4 1 所示。 图4 1粗粒土强度包线示意图 对此，一些学者提出了适用于粗粒土的非线性抗剪强度表达式。d e m e l l o n 5 3 提出 非线性强度关系式为： f r = 么盯。6 ( 4 2 ) 后来殷家瑜等n 6 3 把上式改进为 f r = 彳砌( 盯。尸口) 曰 ( 4 3 ) 式中：r ，为抗剪强度，k p a ；盯。为法向应力，k p a ；彳、b 为强度参数，砌为大气压 力，1 0 0 k p a 。 d u n c a n n 7 1 等人提出非线性强度参数关系式为： 矽= 一妒l g ( 吧尸口) ( 4 4 ) f ，= 哟妒 ( 4 5 ) 式中：为在围压为标准大气压时的内摩擦角，伊是围压增大1 0 倍时摩擦角的递减 量。 陈梁生等n 8 1 、郭庆国n 钉啪1 等也都提出了非线性强度公式。在这些非线性强度表达 式中，均隐含了c 值的因素位1 l 。刘开明等人指出，如忽略c 值的存在，对低坝，设计 偏于保守，在应力应变计算中破坏区将加大；而对高坝，设计稳定值将偏于危险，计 算变形结果偏小1 。 粗粒料的抗剪强度受材料本身的物理性质、受力条件、试验条件等因素的影响。 围压是影响粗粒料抗剪强度的重要因素，这在于其抗剪强度的本质来源于颗粒间的摩 擦阻力和咬合作用。粗粒料的粗粒含量和细粒性质，是反映粗粒料级配组成的特征指 标，是影响粗粒料抗剪强度特性的主要因素瞳1 ，只有当粗粒、细粒形成一定比例的时 候，其强度才能达到最大值。有学者研究表明，粗粒含量在3 0 7 0 范围内，随粗粒 第一章绪论 含量增大，抗剪强度显著增大。 1 2 2 粗粒料的变形特性 粗粒料是由颗粒形状不一的单个颗粒组合形成的散粒体材料，由于粗粒料不是刚 塑体，因此在剪切力的作用下，为了发挥其剪阻力必然会有剪切变形，这种剪切变形 往往表现为比较明显的塑性体积变化，有的体积收缩，称之为剪缩；有的体积膨胀， 称之为剪胀，文献中常把剪切引起的体积变化，不管是膨胀还是收缩，都称为剪胀性。 剪胀性是散粒体材料的一个非常重要的特性晗引。粗粒料应力应变关系大多属于应变软 化或弱应变硬化情形，其根本原因在于剪切过程中出现剪胀变形和颗粒破碎现象口引。 随着剪切变形的发展，颗粒之间将发生滑动和滚动，不断向着新的结构状态转化，颗 粒间的咬合状态会向着更为稳定的方向发展，确保其结构能承受更大的外力。当粗粒 土处于密实状态时，大小颗粒相互填充密实，颗粒挤得很紧，一些颗粒在剪切面要发 生滑动和滚动，需要翻越邻近颗粒，必然要产生剪胀变形，克服咬合力做功增大，应 力值增大到峰值后，因剪胀变形增大，结构变松，咬合力逐渐降低，应力减小，表现 为应力应变关系软化。而当粗粒土结构松散时，受剪后一些颗粒填入到原来的孔隙中， 试样体积减小，应力值增大，表现为应力应变硬化关系。围压同样是影响粗粒料应力 应变关系的一个重要因素。研究表明，粗粒料在低围压时，具有明显的剪胀性，而在 较高围压时呈剪缩性。体积应变增加速率随围压增大而减小，至高围压时几乎保持不 变。 1 3 粗粒料缩尺效应的研究现状 粗粒料是由大小岩石颗粒彼此填充集合而成的粒状散粒体结构材料，颗粒间通常 以点接触形式存在，且都是不具凝聚力的摩擦性材料，从这点上看，粗粒料的工程性 质与砂十分相似，这两种材料似乎可以用相同的试验来研究其力学性质。实际上，粗 粒料的工程性质要比砂复杂的多，粗颗粒材料的颗粒大小、形状、强度、级配、受力 情况等因素都影响着其应力应变特性。尤其在颗粒尺寸上，目前土石坝上常用的堆石 料最大粒径都达到数十厘米到一米的量级，以现有的大型试验仪器还没有办法对原型 材料进行力学试验，需要对超粒径材料进行必要的缩尺，通过相似模拟的方法确定实 际材料的物理力学性质。 粗粒料缩尺效应的试验研究，始于2 0 世纪4 0 年代末期( a w b i s h o p ，1 9 4 8 ) 惜， 至今已有6 0 年。在此期间，国内外许多学者、工程师就粗粒料的缩尺效应进行了大量 的研究。随着应用于实际工程的粗粒料颗粒粒径的增大，一些国家致力于研究大型试 验仪器，试图满足试验对仪器尺寸的要求或者尽量减小试样缩尺所带来的影响。如6 0 年代以来，墨西哥、美国、日本、中国等都研究了一些大型高压三轴试验仪器瞳6 1 ，最 4 河海人学硕士学位论文 大试样直径达到1 2 0 c m ，试料最大粒径达到2 5 0 唧。一些学者则致力于研究缩尺效应的 变化规律，如h o l t z 1 们，m a r s a l 1 ，m a r a c h i 矧，松本德久等绷，司洪洋n 0 3 2 6 3 矧，郦能惠7 3 曲3 ，郭庆国乜1 ，王继庄口等。然而国内外众多学者的研究结果表明，缩尺效应研究中试 验级配料与原型级配料的力学特性关系难以定量描述，有的研究结果甚至相反。正如 上述，一方面说明很多学者都很重视粗粒料缩尺效应问题，另一方面说明目前粗粒料 缩尺效应课题仍然需要深入去研究。就现有的研究成果来看，在粗粒料缩尺效应的缩 尺方法、试验方法、评价依据等方面都存在一些需要深入研究的问题。下面就以上几 个方面对前人的研究成果进行简单综述。 1 3 1 粗粒料室内试验试料的缩尺方法 在粗粒料力学特性的缩尺效应研究中，常用的缩尺方法有剔除法、等量替代法、 相似级配法和混合法四种。国家行业标准s l 2 3 7 一1 9 9 9 土工试验规程嘲对超粒径颗 粒缩尺方法进行了具体定义： ( 1 ) 剔除法：将超粒径颗粒( 超过试验仪器允许的粒径) 剔除。计算剔除法各 粒组取土数量计算公式： 曩= 最( 1 0 0 一瓦。) ( 1 1 ) 式中：只，剔除后某粒组含量，； 只一，超粒径颗粒含量，； 晶，原级配某粒组含量，。 此方法简单、使用方便，但因剔除了部分超径大颗粒，相对使细粒含量增大，实 质上超径料由剩余的小于允许最大粒径的全料颗粒所代替，故亦称全量代替法。 ( 2 ) 等量替代法：根据仪器允许的最大粒径以下和粒径大于5 姗的土粒，按比例 等质量替换超粒径颗粒。计算等量替代法法各粒组取土数量计算公式： p 层= i 只 ( 1 2 ) 。 一瓦。 式中：只，替代后粗粒某粒组含量，； 只，大于5 衄粒径土的颗粒含量，。 此方法按比例等量替换超粒径颗粒，优点是代替后的级配仍保持原来的粗粒含 量，细料含量和性质不变，但存在大粒径缩小、级配范围变小、均匀性增大等缺点。 等量替代法虽保持细料含量一定，但却造成粗颗粒含量均化，使粗细颗粒填充关系变 差，亦会影响材料的工程性质。 ( 3 ) 相似级配法：根据原级配曲线的粒径，分别按照几何相似条件等比例地将 原样粒径缩小至仪器允许的粒径。缩小后的土样级配应保持不均匀系数不变。计算相 似级配法各粒组取土数量计算公式： 第一章绪论 相似级配法粒径： 相似级配法级配： j 一民 “i l i 一 行 n ：堕 ，血 刀 ( 1 3 ) ( 1 4 ) 式中：d 原级配某粒径缩小后的粒径，唧； 靠，原级配某粒径，唧； 刀，粒径缩小倍数= d 。一d 一： 威懈，原级配最大粒径，舳； d 一，仪器允许最大粒径，咖； p 。，粒径缩小n 倍后相应的小于某粒径含量百分数，； p ，原级配相应的小于某粒径含量百分数，。 相似级配法优点是保持了颗粒级配的几何形状相似，不均匀系数不变；缺点是全 料的粒径皆缩小为原来的d 一d 。一倍，引起粗粒含量变小、细粒含量增大和性质变 化，故不宜在细粒含量多的粗粒土中使用，多应用于粗粒含量大于5 0 的卵漂石、堆 石中。相似级配法虽可保持原始级配不均匀系数及曲率系数不变，但却使得细料含量 增大，难免影响材料的工程性质。 ( 4 ) 混合法：同时采用2 、3 两种方法，即先用适当的比尺缩小使小于5 舳粒径土 的质量不大于总质量的3 0 ，若仍有超粒径颗粒再用等量替代法缩尺。 混合法先用相似级配法按适宜的比尺缩小粒径，使超径颗粒含量小于4 0 ，再用 等量替代法缩制试样。试验研究表明：该法所得的最大干密度与现场碾压试验比较接 近。 此外，日本福古介( 1 9 5 7 ) 提出等量替代法有等重量、等体积、等截面和等表面积 替换之分，一般采用等重量替代法池1 。为了测定超径粗粒土最大干密度问题，有许多 学者对超径料的缩尺方法进行了改进。r j f r o s t 口3 1 ( 1 9 7 2 ) 提出剔除超径料的系列延 伸法；史彦文口4 1 ( 1 9 8 1 ) 提出相似级配系列延伸法；刘贞草5 3 ( 1 9 8 7 ) 提出等量替代级配 系列延伸法；田树玉等m 1 ( 1 9 9 2 ) 提出渐近线辅助拟合法：郭庆国阳7 1 ( 1 9 8 9 1 9 9 3 ) 提出 超径粗粒料最大干密度的近似测定方法；张少宏等3 ( 2 0 0 5 ) 提出用分段法确定无粘性 超粒径粗粒料的最大干密度。 1 3 2 粗粒料抗剪强度的试验仪器及发展 粗粒料缩尺效应的产生，主要就是试验仪器对试料的粒径有一定的范围限制，为 了研究粗粒料的力学性质，同时为了消除和减少仪器尺寸对试样的约束作用，国内外 许多科研单位和大专院校先后研制了多种大型土工试验仪器。目前用于测定粗粒料抗 剪强度的试验仪器主要有两种：大型直剪仪和大型三轴压缩仪。强度剪切试验可分别 在现场和室内进行。 直剪仪是常规室内试验常用的一种仪器，因其结构简单，容易制造，操作方便适 6 第一章绪论 所以后来大型直剪仪逐渐被大型三轴压缩仪所代替。但日本学者松冈元与河海大学刘 斯宏等h 们叫4 3 1 开发研制了一种新型现场直剪试验法。该试验法用一个格子状的剪切框 代替通常直剪试验仪中的上剪切盒，并取消下剪切盒。将格子状的剪切框直接埋于要 测定强度的地瓮中，在剪切框内的试样上先放上一块厚钢板，再在钢板上根据所需要 的垂直荷载堆上重铁块。水平方向上用一链条拉动剪切框，使试样受剪。该试验法克 服了剪切框内壁摩擦对剪切面上正应力的影响，并在江苏宜兴抽水蓄能电站上库工程 中成功应用h 副。 自2 0 世纪4 0 年代起，美国垦务局和陆军工程师兵团就开始研制大型抗剪强度试验 装置。美国陆军工程师兵团的工程师h 0 1 l ( 霍尔) 首先制造出了用于堆石料研究的三 轴压缩试验仪，他在i s a b e r ad a m ( 伊莎贝拉大坝) 的建设中，确立了堆石料的试验 装置和试验方法。由于三轴剪切试验应力条件明确，可以严格控制试样排水，能测定 试样的总强度、有效强度和孔隙压力系数等指标，能较好地反映剪切过程中的应力应 变关系，可以提供适用于有限元计算的强度参数和变形参数，所以目前测定粗粒料抗 剪强度的仪器一般都采用大型三轴仪乜3 。自2 0 世纪6 0 年代以来，国外先后发展了一大 批大型三轴压缩仪1 。如墨西哥大学研制的大型三轴压缩仪，试样直径1 1 3 c m ，最大 围压盯，= 2 5 m p a ，允许最大粒径2 0 0 咖；美国加利福利亚大学研制的大型三轴仪，直径 9 1 5 c m ，最大围压盯，= 5 2 5 m p a ，允许最大粒径1 5 0 m ；日本则研制了直径为1 2 0 c m 的大 型三轴仪。我国水电部昆明勘测设计院科研所于1 9 7 9 年研制一台试样直径为7 0 c m ，最 大围压1 5 m p a 的大型三轴仪；水利水电科学研究院于1 9 8 6 年研制了一台试样直径为 3 0 c m ，最大围压7 m p a 的高压大型三轴仪。大型三轴压缩仪发展至今，在试样尺寸、周 围压力、压力室结构、体积变形量测、多功能和试验数据自动采集与处理等方面均达 到了新的水平引。此外，为了更加真实地模拟粗粒料的受力状态，还出现了考虑中主 应力影响的大型平面应变仪、真三轴仪等仪器。但由于这些仪器研制较为复杂，在粗 粒土试验中难度较大，目前许多技术还不完备，正在发展之中，尚未推广和普及。 尽管试验仪器的尺寸在不断加大，但是与实际材料的颗粒粒径相比仍然偏小，并 且这些大型设备在使用时，要耗费大量的人力、财力和时间，因此一些学者注重于研 究粗粒料试验仪器的合理尺寸n 们圳h 7 删。日本大长昭雄、美国n d m a r a c h m 3 和墨西哥 r j m a r s a l 等研究认为，用大尺寸试样( 3 0 l o o c m ) 与直径为3 0 c m 的试样进行对比 试验，测得够值差别并不大。关于大型直剪仪，压缩试验仪器的研究也是如此，认为 过份加大仪器尺寸不仅增加试验的难度和精力，对提高试验精度的效果也不明显h 钔。 日本学者岩片透结合日本高濑坝筑坝材料的试验研究，对1 0 c m 以下的圆砾、角砾，以 不均匀系数为参数，用双盒大型直剪仪( 1 5 0 1 5 0 6 0 c m ) ，标准直剪仪( 矽= 1 5 6 c m ) ， 大型三轴仪( 矽= 3 0 6 0 c m ) ，标准三轴仪( = 1 0 2 5 c m ) ，安息角测定仪( 2 0 0 1 0 0 3 0 c m ) 等仪器进行了强度参数测试。他认为在相似级配条件下，试样大小对摩擦角的 河海大学硕士学位论文 影响不大。根据这些成果，在进行粗粒土试验时采用直径为3 0 c m 的试样即可基本代表 原型材料的性质。因此，现国内外都以3 0 c m 直径的三轴仪作为粗粒料的常规试验设备。 1 3 3 粗粒料缩尺效应的试验研究 在粗粒料缩尺效应的早期研究中，主要是通过试样的峰值强度、轴应变等对缩尺 效应进行了简单的讨论，以缈值的变化作为评价依据。近年来，随着对粗粒料工程性 质研究的进展，一些学者认识到仅通过讨论缩尺效应对粗粒料摩擦角的影响是不够 的，同时还应考虑到缩尺效应对其变形特性的影响。 1 9 8 3 年，孟宪麒等嘞1 在研究石头河土石坝坝壳堆石料抗剪强度时，采用2 2 1 m 大型直剪仪和o 5 x 0 5 o 4 m 中型直剪仪进行了大量河床砂卵石的抗剪强度试验，结 果表明，对原级配试料采用相似级配法替换的砂卵石，在同一密度下，小试样比大试 样的内摩擦角偏高。当试验密度大于“临界密度晦妇时，摩擦角随平均粒径以( 或砾 石含量) 的增大而提高，反之减小。 1 9 9 0 年，司洪洋等n 们在研究了小浪底堆石的强度特性基础上研究了一般堆石试验 的缩尺效应，对原型级配按相似级配法进行缩尺，试样直径分别为6 1 8 c m 、1 0 1 c m 、 2 0 c m 、3 0 c m ，主要研究了试验材料的最大粒径d 。，对于摩擦角缈值的影响。研究表明， 在颗粒最大粒径2 0 2 5 0 m 范围内，摩擦角随最大粒径的增大呈阶段性减小，且在6 0 2 0 0 彻段存在一迅速减小段，减小的幅度达2 0 3 0 。 1 9 9 1 年，李凤呜等瞄2 1 就小浪底斜墙堆石坝的离心模型试验，针对坝体堆石料，采 用相似级配将原级配缩小，制备出用于大型高压固结与三轴剪切试验和离心模型试验 的两种堆石料。试验结果表明：粗粒土的土颗粒按相似级配法缩尺后，不同程度地改 变了原粗粒料的物理力学性质，试样的剪胀性明显增大。同一矾条件下最大粒径为 6 0 咖土料的内摩擦角大于最大粒径为1 0 嘲土料的内摩擦角，邓肯一张( d u n c a n c h a n g ) 模型中参数g 、f 、d 、k 。均随容重的增大、粒径的缩小而增大。 1 9 9 4 年，王继庄b 1 1 通过一组磨圆度较好的砂砾料及两组有代表性的碎石料( 花岗 岩、灰岩类) 进行直径d 3 0 0 ( 咖) ，d 1 0 0 ( m ) 三轴试验，分别制成不同密度的试样，通 过各向等压固结排水方法加、卸载试验，认为缩尺效应及密度对粗粒土卸载时的应力 应变关系影响不大。当粗粒料试样直径d 3 0 0 砌时，对峰值强度的影响不大，但对其 体应变及变形参数则有不可忽视的影响。指出缩尺效应是影响粗粒料试验成果中体应 变s 。及体积变形模量k 值的主要因素之一，试样尺寸越小，k 值越小，误差越大。 1 9 9 6 年，董槐三等3 3 在对天生桥一级水电站面板堆石坝筑坝材料进行了大量试验 研究的基础上，研究了堆石料试验的缩尺范围及其对工程性质的影响。在采用同一控 制标准的前提下，用不同缩尺方法及不同尺寸的仪器，研究堆石料的强度、应力应变 关系及压缩变形等成果的异同。结果表明，用相似级配法缩尺的试料所得强度较高， 等量代替法缩尺所得强度较低，混合法居中。 9 河海大学硕+ 学位论文 1 4 缩尺效应研究中的影响因素 1 4 1 粗粒料的级配特性 颗粒级配组成是粗粒土重要物性指标之一，又是决定其力学性质或工程性质的基 本因素乜1 。用于土石坝填筑的大粒径粗粒料是由原岩爆破得到，不同料区的岩体本身 的结构不同，其颗粒级配也不一样；即使同一料区，由于爆破开采的方式不同，其级 配变化也很大。土力学和散体力学中对土中各粒组的相对含量称为土的颗粒组成或颗 粒级配，颗粒的级配好坏取决于各粒组相对含量的比例关系，颗粒的级配情况需要通 过颗粒分析试验来确定哺，。 通常以小于某粒径的试样质量占试样总质量的百分数为纵坐标，以粒径( 姗) 在对 数横坐标上绘制颗粒大小分布曲线。对于粗粒土，一般认为颗粒大小分布曲线是其重 要特征之一。一方面可以从曲线上查出各粒组含量的比例，同时也可以通过曲线的连 续性及其坡度陡缓、范围宽窄的特点来了解粗粒土颗粒粒径分布状态陆。 在通常的粗粒土试验研究中，一般采用5 唧作为粗料与细料的分界粒径，粒径小 于5 m m 的颗粒为细粒料，粒径大于5 m m 的颗粒含量为粗粒含量，用只表示。试验表明阳2 l ， 当粗颗粒形成连续骨架时，材料即具有粗颗粒料的性质，其强度随粗颗粒含量的增加 而增加，当只达到某一界限时，强度反而随着粗颗粒含量增加而减小。粗粒土的组成 是否均匀，级配是否良好，仍采用不均匀系数( c 。) 和曲率系数( e ) 两个特征指标来 判断： 不均匀系数： 曲率系数： q 2 亳 5 ， c c = 糕 ( 1 6 ) 上面二式中，d 、氏、西。分别为粒径分布曲线上纵坐标小于某粒径的含量为6 0 、 3 0 、1 0 时所对应的粒径，m m ；西。称为有效粒径，d 劬称为控制粒径。通常认为曲线 坡度较缓，粒径级配连续，粒径曲线分布范围平滑，且不均匀系数c i 。5 和曲率系数 e = 1 3 时为优良级配，分类中符号用形表示；颗粒较均匀，曲线陡，分布范围狭窄， 且c 。 -， 4m h u ：i “4 x m 九：e ，酉1 0 十l 苎u 一苎。l 苎lj 、 k k 。 “ _ 笨 )、 i、 久 ， 一x l 1 1 0 0 01 0 0 粒径( 咖) l ol 图1 1水布垭主堆石料茅口组碾压前后级配变化曲线h 。 1 4 2 颗粒破碎问题 颗粒破碎问题是粗粒料的基本特征之一n 3 。作为筑坝基本材料的堆石等粗粒土是 由大小颗粒彼此充填而呈粒状结构的散粒体，一般是在料场由人工爆破开采得到，这 类材料中含有很多肉眼无法看到的潜在缺陷，而且粗粒土颗粒往往含有很多棱角，颗 粒间常为点接触，即使在并不高的周围压力下，也容易发生颗粒破碎。 土颗粒破碎现象早在本世纪初就引起了人们的注意，人们对砂的颗粒破碎研究要 比粗粒料早。t e r z a 曲i 和p e e k ( 1 9 4 8 ) 踟对砂进行压力高达9 6 5 m p a 的一维压缩试验时， 发现颗粒破碎十分显著。他们的发现引起了人们对颗粒破碎的重视。k j a e r n s l i 、 s a n d e ( 1 9 6 3 ) m 1 对砂样进行了三轴压缩试验，发现在给定的应力下，不规则的、表面 粗糙的颗粒更易发生破碎。h a l l 、g o r d o n ( 1 9 6 3 ) 阳卸发现在给定的应力下，级配良好的 砂的破碎要比级配不良的少的多。h a g e r t y ( 1 9 9 3 ) 3 1 在6 8 9 m p a 的高压力下对不同的砂 进行了试验，他发现随着颗粒棱角和尺寸的增加，颗粒破碎加剧；疏散砂样的初始破 碎应力要比密实砂样的低。k l l e e ( 李) 和l e s i l e 嘲3 、m a r s a l 嵋7 吲等通过对堆石料在 高围压下的三轴试验，发现由于颗粒破碎试验材料的颗粒级配随着外荷载的施加而逐 渐变化，颗粒破碎的程度主要取决于原始试验级配、颗粒破碎强度以及应力水平。柏 树玉等( 1 9 9 7 ) 嘲3 根据部分堆石坝工程的室内堆石试验资料，分析了堆石的力学性质。 1 2 吣鲫阳印的如弱加0 河海大学硕士学位论文 他认为，堆石内摩擦角够随着侧压力增加而降低的主要因素，是颗粒的挤碎作用；反 映颗粒破碎程度的口值与侧压力有关，它随着叽的增大而增加，同时相应的内摩擦角 够随之减少。郭庆国( 1 9 9 7 ) 认为，粗粒土颗粒组成越均匀，受分化影响越大，颗粒 本身越软弱，棱角状越尖锐，压力水平越大，就越容易破碎，对强度的影响就越大； 相反，影响越小。刘汉龙等( 1 9 9 7 ) 口们利用室内大型三轴试验，研究了围压和峰值内摩 擦角与颗粒破碎之间的关系。研究结果表明，颗粒破碎率随围压的增加而增加，呈非 线性状态，二者之间的关系可以用双曲线表示；颗粒破碎的增加将导致粗粒料抗剪强 度降低，峰值内摩擦角与颗粒破碎率之间呈幂函数关系，不论颗粒的岩性、强度、大 小、形状、级配和初始孔隙比等情况如何，试验资料都落在一个狭窄的区域，如果围 压和材料的试验参数己知，则可估计颗粒破碎率。 颗粒破碎有各种各样的形态，从相互接触点的压碎和粉碎到整个颗粒破为两半， 以及新生成的不同粒径的小颗粒又会继续破碎，这样的颗粒破坏分离造成了土体颗粒 级配的改变。研究者根据需要提出了很多度量颗粒破碎的参数，有的是从单个颗粒粒 径角度来度量的，而有的是以整体颗分曲线即以颗粒直径为控制的粒组角度来入手 的。m a r s a l 嘲、l e e f a r h o o m a n d 7 羽、n o r i h i k om i a r a & s u k eo h e r a m l 等都对颗粒破 碎提出了量化指标。为了克服以往对破碎度量时只考虑某一单一粒径或某一含量的缺 点，o h a r d i n ( 1 9 8 5 ) h 幻在他人试验成果分析的基础上，提出了一个能全面反映颗粒级 配曲线在破碎前后变化的破碎参数。该方法认为颗粒破碎的可能性随着颗粒直径的增 大而增加，这是因为在土体中随着土颗粒粒径的增大，颗粒之间的接触应力也随之增 大；随着土颗粒的增大，土颗粒中的缺陷也增大，因此在描述颗粒破碎的可能性时应 该考虑颗粒粒径的影响。在高应力状态下，大颗粒将破碎成粉粒，而粉粒( d 0 0 7 4 舢) 则被认为是不可继续破碎的，所以他以粉粒的上限粒径作为破碎的极限粒径。大于这 一粒径的所有粒组的颗粒都存在不同可能性。 粗粒土的颗粒破碎对粗粒土的强度和变形特性有着深远影响。颗粒破碎改变了粗 粒土的颗粒粒径、级配曲线及密实程度，改变了颗粒表面的粗糙程度而影响了粗粒土 的内摩擦角。颗粒粒径( 最大粒径、典型粒径) 变大，剪胀和重新排列所需的能量增大， 所以抗剪强度也相应增大；然而，由于堆石等粗粒料一般是用人工爆破法开采得到的， 有很多肉眼看不见的微小缺陷，因此，颗粒粒径越大，剪切引起的颗粒破碎也就越多， 从而对抗剪强度的影响也就越大。美国p y a r a r n i d 坝和o r o v i l l e 坝碎石的内摩擦角试 验结果显示，最大粒径为1 5 c m 的碎石比最大粒径为1 c m 的碎石内摩擦角降低4 0 左右。 然而在以往的研究成果中，对于最大粒径与内摩擦角的关系问题并没有得出一致的结 论，有的甚至相反。正如文献 1 0 2 5 所指出的，在这些关于缩尺效应的研究中，无 疑都包含了颗粒破碎的影响，而且基本上限于通常试验压力的情况。因此，在粗粒料 缩尺效应研究中，试验材料的母岩性质、粒径大小和颗粒破碎率等因素的不同，使得 第一章绪论 缩尺效应研究成为复杂而难以解决的问题。 1 4 3 试验离散性问题 土工试验作为土的性质和参数测试的主要手段，在岩土工程理论研究和工程实践 中发挥着重要作用，一些经典的土力学理论都是基于对试验的观测和对试验结果分析 的基础上形成的。长期以来，随着土工测试技术的发展，人们对土的工程性质的认识 也越来越深入，土工测试仪器的发展也相应的越来越先进。粗粒料作为土石坝的主要 建筑材料，其强度与变形特性的研究一直具有十分重要的意义。粗粒料由于颗粒粒径 较大，即使经过缩尺处理后，仍然需要在大型试验仪器上进行试验( 目前我国行业标 准s l 一2 3 7 土工试验规程中，进行粗粒土三轴压缩试验的试样直径一般为3 0 c m ，高 度为6 0 c m ) 。由于颗粒粒径相对于试样体积来说比较小，即使试验的密度和级配条件 相同，也无法保证试样内颗粒的初试架构( 颗粒配置、接触点的分布等) 是相同的。因 此相对于砂的力学试验，粗粒料的抗剪强度试验存在着更多人为难以控制的因素，而 这些因素的存在也将影响到试验结果。在粗粒料的抗剪强度试验中，即使对同样的试 样采用同样的方法进行多次试验，试验结果也不尽相同，而是会产生一定程度的离散， 这已经为许多试验所证实。日本伊藤基博等n 1 人用大型三轴压缩仪在同一条件下进行 了1 0 次重复试验，来研究粗粒料试验成果的离散性。试验采用直径为3 0 c m ，高为6 0 c m 的试样，试料为粒径6 3 5 0 4 2 m m 的斑斓岩，不均匀系数为1 2 ，控制初始孔隙比为 0 3 5 0 ，围压为0 1 2 m p a ，分6 层击实。抗剪强度和变形模量的结果离散情况如表1 2 和 图1 2 所示。 表1 2 粗粒料大型三轴试验结果的离散情况n 1 1 4 河海大学硕上学位论文 蓬 易 譬 台 i i 霪 矿 图1 2 粗粒料大型三轴试验结果的离散性 由表1 2 中的实测数据可以看出，最大主应力差、内摩擦角以及变形模量等都存 在一定范围的离散，如内摩擦角最小为5 1 7 6 0 ，最大值为5 3 7 1 0 ，离散范围在5 之 内，而变形模量的离散范围则在1 0 。因此在对粗粒料缩尺效应的试验研究中，将 会不可避免的出现试验结果与实际情况存在着一定的差异，尤其是采用不同尺寸、不 同类型的试验仪器以及不同的试验条件时，这种差异将会更加难以控制。所以我们也 不难理解在众多研究者的成果中，结论出现较大的差异甚至相反的情况，可能都包含 这些因素的影响，与其说是结论上的差异，倒不如说是试验材料和试验条件等各种因 素的不同，而且这些因素的影响也很难对其进行单独评价。 1 5 本文的主要研究工作 通过对大量相关文献的阅读，对粗粒料缩尺效应研究现状的初步分析，本文拟定 的研究技术路线为：根据土工试验规程s l 2 3 7 1 9 9 9 规定，分别采用剔除法、等量替代 法、相似级配法和混合法，按照最大粒径为1 c m 、2 c m 、4 c m 和6 c m 计算室内试验用料的 级配。从试验出发、结合理论分析，对粗粒料研究中超粒径的处理措施及缩尺效应的 影响，分析不同缩尺方法所得出的土料强度变形之间的差异，探讨缩尺后级配料与原 型级配料在强度、变形特性之间的内在关系。具体内容包括以下几个方面： ( 1 ) 总结了粗粒料缩尺效应在国内外的研究现状，包括缩尺方法、试验仪器及 试验结果的研究现状和目前研究中存在的不足；分析了粗粒料缩尺效应研究中的影响 因素； ( 2 ) 研究了缩尺效应对粗粒料的压实密度的影响。对同一级配料采用不同缩尺 方法进行缩尺，试验得出各替代级配料的最小、最大干密度。并采用特征粒径与最大 干密度建立关系，对其关系曲线进行拟合，推求原型级配料的最大干密度。 ( 3 ) 研究了颗粒破碎对压实密度的影响。结合粗粒料的最大干密度试验，研究 第一章绪论 缩尺后级配料在振动压实后的颗粒破碎情况，探讨缩尺效应中的颗粒破碎问题。 ( 4 ) 粗粒料缩尺效应的剪切试验研究。以痧= 6 1 8 、1 0 1 、3 0 c m 三种试样，分别 进行不同缩尺方法、不同密度、不同粗粒含量的普通三轴排水剪切试验。对比分析各 缩尺方法下替代级配的三轴剪切试验结果，包括同一种缩尺方法下不同最大粒径的试 验结果分析，相同最大粒径不同缩尺方法下的试验结果分析。分析试样尺寸、试验密 度、最大粒径、粗粒含量等对应力应变及体积应变的影响。并以其中组试样直径为 5 0 c m ，最大粒径为1 0 c m 的试样为原级配，按相似级配法进行缩尺，分别进行矽= 1 0 1 、 3 0 c m 的普通三轴排水剪切试验，分析缩尺效应的影响。 ( 5 ) 通过分析邓肯模型参数，研究了缩尺效应对粗粒料应力应变特性及其参数 的影响，分析缩尺后试样与实际填筑的原级配料的强度、变形特性之间的内在关系。 ( 6 ) 研究了不同缩尺方法的适用性。根据本文对不同替代级配土料的压实和三 轴试验结果，对不同缩尺方法的试验成果进行了对比分析，指出了各缩尺方法存在的 不足，并提出了其适用条件。 1 6 河海大学硕士学位论文 第二章粗粒料的缩尺效应试验方案 2 1 引言 在粗粒料的研究方面，仪器的发展没有完全满足试验的需要，在目前工程中广泛 使用的超粒径粗粒料，还没有仪器能够对其进行直接试验。也有人提出，采用原位大 型试验，直接测定其强度参数等。然而，原位测试一方面在于其工作量巨大，试验难 于控制，而且如此大尺寸的试验仪器，仪器的制造及精度方面都受到很大限制，而且 原位测试很难控制试验的应力、位移及排水条件。甚至有学者认为，只有室内试验才 有可能对土的复杂特性进行研究。 粗粒料力学性质的试验研究，目前主要是在常规试验仪器的基础上进行，在测定 其强度及变形参数时多采用常规三轴压缩试验，仪器尺寸多为直径为1 0 1c ；m 和3 0 c m 。 无疑试验仪器的尺寸越大，试验材料就越能接近原型级配，所测得的力学参数与实际 参数之间差异就越小，而就目前条件来讲难度很大。一方面在于巨型三轴仪的研究进 展缓慢，数量较少；另一方面，众多研究结果表明，在进行粗粒土试验时采用直径为 3 0 c m 的试样即可基本代表原型材料的性质。但是在众多关于粗粒料的缩尺效应早期研 究中，主要是单一的以缈值变化作为评价依据，这显然是不够的，同时还应考虑到缩 尺效应对其变形特性的影响。因此，本文的研究重点一方面在于粗粒料试验仪器的合 理尺寸，另一方面在于缩尺效应对于其强度及应力应变参数的影响。基于以上分析， 本次试验主要以直径为1 0 1 c m 、3 0 c m 的三轴压缩仪进行粗粒料的缩尺效应研究。 2 2 试验仪器 2 2 1 粗粒料的相对密度试验仪器 国家行业标准s l 2 3 7 1 9 9 9 土工试验规程阳3 确定了粗粒土相对密度室内试验条 件。试验设备由最大干密度试验装置( 由振动台、试样筒、套筒、加重盖板及加重物 组成) 、测针架及测针、灌注设备( 带管嘴的漏斗) 、试验筛( 粗筛和细筛) 、台秤、钢 尺、搅拌盘及铁铲等设备组成。其中振动台台面尺寸要求为7 6 2 姗7 6 2 唧，负荷应满 足试样筒、套简、加重底板、加重物及试样等总质量要求；频率为4 0 6 0 h z ，振幅为 0 2 咖可调；加重盖板为1 2 c m 厚的钢板，直径略小于试样筒，其与上覆加重物的 总压力为1 4 k p a 。与振动台配套采用的i 及i i 号试样筒尺寸见表2 1 所示。 第二章粗粒料的缩尺效应试验方案 表2 1 试样筒尺寸 本次试验采用y 5 0 7 0 型振动台试验机。振动台台面尺寸为6 0 0 唧6 0 0 册，频率为 1 5 7 0 h z ，振幅为0 2 5 m m 可调，加速度为0 1 0 9 ，加重盖板及加重物的总压力为 1 4 k p a ；试样筒内径为2 0 c m ，高度为3 0 c m ，体积为9 4 2 6 c m 3 。 除了采用振动台进行无粘性粗粒土最大干密度试验外，我国交通行业标准 j t j 0 5 卜9 3 公路土工试验规程口鄙规定对于粗粒土采用表面振动压实仪( 又称振动夯) 法测定最大干密度。中国水利水电科学研究院等单位n 6 3 研制和使用的表面振动器激振 力4 3 0 0 n ，频率4 7 5 h z ，试样筒直径2 7 9 4 c m ，高2 3 1 c m ，并配有“h ”形支架，用以 控制振动器位置和施加附加荷重的配重。 2 2 2 三轴剪切试验仪器 2 2 2 1 电子万能试验机 本文的中、小型三轴试验在电子力能试验机( c s s 一4 4 0 5 0 ) 上进行，利用电子力能 试验机加载横梁作为轴向加载设备，控制轴向压力和轴向位移，通过压力传感器、体 变传感器和位移传感器跟踪数据，采用精度较高的围压控制器对试样施加围压，通过 v b a s i c 计算机语言编写的程序连接电子万能试验机和围压控制器，可以控制试验的剪 切速率和位移范围，实现了试验过程实时控制、数据自动采集及跟踪。本次试验仪器 见图2 1 。 图2 1 三轴试验设备示意图 注：数据采集系统；试验机e d c 控制系统：i 羽压控制器；电子万能试验机机架；加 载横梁及力传感器；三轴压力室；加水饱和装置：排水管及体变传感器。 1 8 河海大学硕士学位论文 2 2 2 2 大型流变三轴剪切试验机 本次试验的大型三轴试验在长春朝阳试验机厂生产的l s w 一1 0 0 0 型大型流变三轴 剪切试验机上进行。该试验机主要由主机( 轴向加载框架) 、双层压力室、轴向力加载 装置、围压加载装置、充液油源、气泵、计算机控制系统等部分组成。 试验仪器的主要技术参数： ( 1 ) 最大轴向试验力：1 0 0 0 k n ( 2 ) 轴向试验力范围：2 1 0 0 ( 3 ) 试验力分辨率：l 1 2 0 0 0 0 ( 4 ) 轴向变形测量范围：0 1 5 0 栅 ( 5 ) 变形测量分辨率：0 0 1 m m ( 6 ) 围压测量范围：0 3 m p a ( 7 ) 变形速度控制范围：0 5 3 0 姗 ( 8 ) 轴向荷载速度控制范围：2 1 0 k n ( 9 ) 连续工作时间：5 0 0 h ( 1 0 ) 试验力、围压长时稳定度：2 该试验机主机采用油缸下置、四柱式加载框架，框架系统刚度较高。控制系统采 用德国d o l i 全数字伺服控制器，具有控制精度高、保护功能全、可靠性及扩展性强等 特点。计算机测控系统可实时显示多项测量参数及试验曲线，并且根据试验设置，由 计算机发出指令，经控制器控制轴向力加载系统和围压加载系统施加轴向力和围压， 经过传感元件进行反馈，实现对试验全过程的控制。本次试验仪器见图2 2 。 图2 2 大型三轴剪切试验设备示意图 注：四柱式加载框架；位移传感器；轴向压力传感器；双层压力室；主机控制系 统；数据采集系统；同压加载装置；轴向力加载装置。 1 9 河海大学硕士学位论文 最大粒径分别是1 0 0 唧、6 0 硼、4 0 舢、2 0 m m 和1 0 姗的级配试样编号分别为h mh 6 0 、h 蚰、 h 和h 。，其他各组编号方法类似。另取编号为h 。的试样作为代表性级配，采用相似级 配法进行缩尺，缩尺后相似级配的最大粒径d 一分别是6 0 咖和2 0 咖，对其编号分别为 h ) ( 6 0 和h x 。各粒组含量计算公式( 见土工试验规程s l 2 3 7 1 9 9 9 ) ，需要指出的是，本 次试验采用混合法缩尺级配时，对缩尺后最大粒径d 一6 0 唧的级配方案，先按照相 似级配将粒径缩小2 倍，然后用等量替代法缩尺。对缩尺后最大粒径d 一 6 0 姗的级配 方案，则按如下规则进行： ( 1 ) 先按照相似级配控制超粒径含量等于4 0 ，然后检查细粒( 粒径小于5 m m 颗 粒) 含量；若细粒含量不大于3 0 ，则对超粒径部分进行等量替代法缩尺；若细粒颗 粒含量大于3 0 ，则按照( 2 ) 进行。 ( 2 ) 若按照相似级配控制超粒径等于4 0 后，细粒含量大于3 0 ；则按照控制 细粒含量等于3 0 进行相似级配替代( 而不管超粒径含量的多少) ，然后再对超粒径 进行等量替代。 设计平均级配进行缩尺试样级配和试样编号见表2 4 ，原级配与试验级配曲线如图2 4 所示。 表2 4 堆石料试验级配 试样垫塑鱼苎! 塑 控制有效不均曲率 竺兰竺! ! ! ! 竺：! ! ! 兰竺翌筮薹笙 h l 2 1 8 31 6 7 92 2 6 71 7 6 3 1 0 0 81 1 0 01 4 9 3 8 9 4 39 11 3 h 5 0 2 2 2 53 0 0 42 3 3 61 3 3 51 1 0 0 1 1 9 2 7 24 36 31 2 h 蚰 3 2 8 l2 8 9 52 1 2 3 1 7 0 07 8 1 7 12 27 81 6 1 岛 2 2 5 42 9 5 81 6 9 01 4 0 81 6 9 09 52 7 1o 9 52 8 53 5 t 4 03 8 1 82 1 8 21 8 1 82 1 8 26 71 9 10 5 93 2 44 o t 2 03 5 2 92 9 4 l3 5 2 93 69 10 2 33 9 66 2 t 1 04 5 4 55 4 5 5o 7 55 70 15 7 o1 o x 1 5 5 02 0 5 01 7 o o1 5 0 03 2 0 04 51 7 4o 8 81 9 81 3 h x 6 0 1 7 1 02 7 9 02 1 9 0 1 5 4 01 7 7 08 8 2 3 1 2 6 9 1 1 3 h x 2 0 2 9 8 02 4 7 04 5 5 02 97 50 99 1 1 3 河海大学硕士学位论文 剔除法这两种方法缩制的试验级配看，缩尺后不均匀系数均发生了较大变化。剔除法 缩尺后的试验级配不均匀系数变大，替代级配最大粒径越小，不均匀系数越大，而用 等量替代法缩尺的替代级配却是相反，但总的趋势都是越来越接近原型级配。 2 4 试验方法 2 4 1 试样的制备 由于粗粒料不同于粘性土或湿态粉土，在干态下，粗粒料颗粒之间没有凝聚力， 土体本身无法保持站立，同时由于粗粒料棱角尖锐，在击样及试验过程中很容易刺穿 橡皮膜，因而很难使用传统的三