（岩土工程专业论文）堆石料的duncanchang模型参数研究.pdf

摘要 简要回顾了国内外堆石料大型三轴试验的研究现状，就其中一些问题进行了 讨论，进而提出所要研究的课题。通过大量的常规三轴试验研究了堆石坝垫层料、 过渡料、主堆石料和次堆石料的d u n c a n c h a n ge d 和e b 模型参数，给出了 模型的参数范围，探讨了孔隙比、泥岩含量、堆石母岩岩性等因素对参数的影响。 论文主要成果如下： 1 给出堆石坝垫层料、过渡料、主堆石料和次堆石料的d u n c a n c h a n g e d 模型和e b 模型参数范围：四种坝料的矽值大概分布在3 4 。4 4 。之间，其中 过渡料有着最大的缈值，垫层料有着最小的够值；c 值从几十千帕到两百多千帕： r ，值多处于o 7 0 9 2 _ 问；尼多分布在7 0 0 1 2 0 0 之间，相同试料风干样的尼值 要比饱和样的尼值大2 0 0 左右，过渡料的尼值范围略大于其他坝料；门值多处于 0 1 o 5 2 间：f 值大致分布在0 1 0 4 2 _ 间；g 值通常小于0 5 ，大致分布在 o 3 0 5 2 _ 间；d 通常变化范围非常大，从1 8 不等；奴值约为尼值的一半， 数值多在i 0 0 3 0 0 之间；朋值的范围与船值非常接近，多处于0 1 0 5 2 _ 间；纯 值多处于4 0 。6 0 。之间，饱和样略大于风干样；矽的值处于6 。1 6 。之间， 四种坝料的够值非常接近。 2 探讨了堆石平均粒径、孔隙比、周围压力、泥岩含量和堆石母岩岩性等因 素对d u n c a n - c h a n g 模型强度参数和变形参数的影响，得到以下结论： ( 1 ) 、孔隙比增加，够值减少，尼值增加，门值减少，g 、f 变化不明显， b 、聊值减少，、缈增大。另外求得堆石坝较为常见的石英砂岩孔隙比经验 系数，饱和样的经验系数为：0 7 7 ，风干样的经验系数为：0 8 0 ，通过经验系数 和孔隙比可以直接求得石英砂岩的够值。 ( 2 ) 、泥岩含量增加，矽值降低。变形参数尼、聆、g 、f 、d 规律性不明 显。值在一定范围内随泥岩含量增加而增大，泥岩含量超过一定的界限后，如 值减少。本文试验中分界线大致在泥岩含量为1 5 左右。另外泥岩含量的大小 对、缈值影响很小。 ( 3 ) 、抗剪强度指标矽值随着平均粒径的增加而增加，但并不是粗粒含量越 高，够值越大。颗粒本身强度高，受压时强度也高，压缩性也小，圆头颗粒的强 度及压缩性都要比棱角的颗粒好。 ( 4 ) 、不同母岩岩性的石料丸值有较大的差异，m 值差别不大，、a ( p 值 都比较相近。对大量试验数据进行统计分析：= 5 4 0 。，妒= 1 1 2 。 关键词：堆石料；大三轴试验；d u n c a n c h a n g 模型；参数范围；影响因素 - a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fr e s e a r c ho nl a r g e s c a l et r i a x i a lt e s t so nr o c k f i l la n d g r a v e li s r e v i e w e d s o m ea s p e c t sc o n c e r n i n gt h e i re n g i n e e r i n gp r o p e r t i e sa r ed i s c u s s e d t h e n t h er e s e a r c ht o p i ci sp r o p o s e d b a s e do na l a r g eq u a n t i t yo fc o n v e n t i o n a lt r i a x i a lt e s t s ，t h ep r o p e r t i e so fr o c k f i l l a n dg r a v e l sa r es t u d i e de x t e n s i v e l yw i t hp a r t i c u l a ra t t e n t i o nt ot h em o d e lp a r a m e t e r s o fd u n c a na n dc h a n g sh y p e r b o l i ce l a s t i cm o d e l s t h er a n g e so ft h ep a r a m e t e r sa r e s u m m a r i s e do nt h el a b o r a t o r ye x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h ei n f l u e n c eo ft h ev o i dr a t i o ， c o n t e n to fm u d s t o n e ，a n dt h ep r o p e r t i e so ft h er o c ka r ei n v e s t i g a t e da n ds o m e v a l u a b l ec o n c l u s i o n sa r ed r a w n t h ef r i c t i o n a la n g l e s 矽i sb e t w e e n3 4 4 4d e g r e e sa n dt h ef a i l u r er a t i o r fi s b e t w e e no 7a n d0 9 t h ed e f o r m a t i o np a r a m e t e r sko fd r ys p e c i m e n si sg e n e r a l l y h i g h e rt h a nt h a to fs a t u r a t e do n eo ft h ei d e n t i c a lt e s t e dr o c k f i l l t h e 刀a n df r a n g e sf r o m0 1t o0 5 ，a n d0 1t o0 4 ，r e s p e c t i v e l y o na v e r a g e ，gi sl e s st h a n0 5 w i t ht h em a j o r i t yb e t w e e n0 3a n d0 5 ，w h i l edv a r i e sg r e a t l yf r o m1t o8 i s a p p r o x i m a t e l yh a l fo fkv a r y i n gf r o m10 0t o3 0 0 t h er a n g eo fm i ss i m i l a rt o ，2a s b e t w e e n0 1t oo 5 i sr o u g h l ya b o u t4 0 - 6 0d e g r e ew i t ht h ev a l u eo fs a t u r a t e d r o c k f l l ll a r g e rt h a nt h o s eo fd r ys p e c i m e n sa n d 妒i sa b o u tf r o m6t o16d e g r e e s ， w h i c hi sa l m o s ti d e n t i c a lf o ra l lt h et e s t e dr o c k f l l l s w i t ht h ei n c r e a s eo fv o i dr a t i o ，妒，2 ，吃、m d e c r e a s ea n dk ，缈o a n d 缈 i n c r e a s ew i t hm i n u t ev a r i a t i o no fga n df s o m ee m p i r i c a lv a l u e sw e r eo b t a i n e d f o rt h et e s t e dq u a r t zr o c k f i l lw i t ho 7 7a n do 8 0f o rt h es a t u r a t e da n dd r ys p e c i m e n s ， r e s p e c t i v e l y t h ef r i c t i o n a la n g l e si n c r e a s ew i t ht h eg r o w i n gc o a r s er o c k f i l ld i a m e t e r s h o w e v e r , t h eh i g h e rc o n t e n to ft h ec o a r s eg r a i n sd o e sn o tn e c e s s a r i l ym e a nl a r g e r f r i c t i o n a la n g l e s t h eh i g h e rs t r e n g t ho ft h er o c kg r a i n s ，t h el e s sc o m p r e s s i b i l i t yo ft h e r o c k f i l ls p e c i m e n s t h es t r e n g t ho fr o c k f i l lf r o mr o u n d e dg r a v e l si sh i g h e rt h a nt h a to f a n g u l a rg r a i n so ft h es a m ep r o p e r t i e s m e a n w h i l e ，t h ei n c r e a s i n gc o n t e n to fm u d s t o n e g e n e r a l l yr e s u l t si nad e c r e a s ei nf r i c t i o n a la n g l e s k e yw o r d s ：r o c k f i l l ；l a r g e s c a l et r i a x i a lt e s t ，d u n c a n c h a n gm o d e l ，p a r a m e t e rs c o p e ； i n f l u e n c i n gf a c t o r s 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) ：立釜痒啦l 跏。6 年么月易日 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) ：。6 年。占月移易日 河海大学硕士论文 第一章绪论 1 1 概述 堆石料通常是指块石、碎石( 或砾卵石) 、石屑、石粉等粗颗粒组成的无粘 性混合料，或者是粘性土中含有大量的粗颗粒混合土n 1 。堆石料在自然界分布广 泛，储量丰富。堆石料因具有变形小、强度高、填筑密度大、透水性强和地震荷 载作用下不容易发生液化等优良工程性质，且符合就地取材的原则，被广泛应用 于高土石坝、深基坑、建筑物软弱地基和海港护岸等工程中，为保持建筑物的结 构稳定发挥了重要的作用。 随着堆石料在工程建设中应用范围的逐渐扩大，国内外专家学者对堆石料工 程特性的研究也逐渐深入。5 0 年代，有许多土石坝工程利用砂砾石、堆石等填 筑，但工程设计中采用的稳定分析指标，仍是以天然休止角代替内摩擦角，粗粒 土的工程特性不能充分反映出来，设计偏于保守，也不经济。6 0 年代以后，陆 续研制了大型直剪仪、大型三轴剪切仪、大型击实仪、大型振动密实仪及大型管 涌渗透仪等一系列适用于粗粒土的试验仪器，对粗粒土的压实特性、抗剪强度特 性、渗透特性等进行了深入研究，提出了许多有使用价值的成果，并在工程建设 中发挥了重要作用瞳1 。 堆石料多应用于土石坝等土工结构工程中，堆石坝是用堆石料填筑而成的最 典型的建筑物。回顾历史，关于堆石料工程性质的研究，正是以堆石坝的发展为 契机才得以不断深化。近年来，大规模的岩土工程在山区和丘陵区以及城市近郊 的海岸港湾等广大区域内相继展开，以岩块为填筑材料修建高速公路和护岸抛石 体等，堆石料应用范围不断拓宽n 1 。因此，研究的深度和广度也有明显扩展。堆 石料的应力应变关系及变形特性成为岩土力学研究的重要内容，尤其是在复杂应 力下及高压状态下堆石料的变形与强度特性。 1 2 堆石料大型三轴试验研究现状 1 2 1 大型三轴试验仪器 h o l l ( 美国陆军工程师兵团的工程师) 首先制造出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。试验所用试样的尺寸为直径4 5 7 c m ，高9 1 4 c m n l 。因为三轴 试验能严格控制排水条件，应力状态明确，操作简单，能提供较为准确的非线性 应力应变有限元分析数据等优点，发展很快，应用也比较广泛瞳3 。自1 9 6 0 年以 来，美国、墨西哥、日本等国都曾研制了一些特大型三轴仪，如美国加州大学的 直径9 1 4 m m ，o 。= 5 2 5 0 k p a ，试样最大粒径1 5 0 m m ；墨西哥大学的直径11 3 0 m m ， 0 。= 2 5 0 0 k p a ，试样最大粒径2 0 0 m m ；日本电力委员会的直径1 2 0 0 m m ，o 。= 第一章绪论 3 0 0 0 k p a 口1 。三轴试验仪器的规格型号种类繁多，数量不胜枚举，其中最大的为d = 1 2 0 c m 、h = 2 5 0 c m 三轴仪。最大周围压力o 。多为1 0 0 0 k p a 、1 5 0 0 k p a 、2 5 0 0 k p a 、 7 5 0 0 k p a 、8 0 0 0 k p a ，最高的为0 。= 1 4 0 0 0 k p a 乜1 。目前我国多使用d = 3 0 c m ，h = 6 0 c m ，- - 7 5 c m 的三轴仪。 三轴仪除了在规格型号上有了发展外，在仪器的精度和设备上都有了很大的 改进和发展。英国学者b u r l a n d 开发的电平式应变仪h 1 ，美国学者c l a y t o n 开发 的高效半导体局部应变计畸1 等微小测试装置使得试验的精度有了量的飞跃。孔宪 京阳1 等研制的5 0 0 k n 级高精度大型液压伺服静动两用三轴仪，压力室内增设了测 力传感器和局部位移计l d t ( l o c a ld is p l a c e m e n tt r a n s d u c e r ) ，并与常规位移 传感器配合，能够在一个试样上准确地测定1 0 书1 0 。1 连续应变范围内试样的应 力和应变。清华大学的张丙印口1 等考虑了三轴试验中橡皮膜嵌入量对体变的影 响，得到了橡皮膜嵌入量的大小及其试验规律，论证了等向固结试验校正法对粗 粒料大型三轴试验的合理性。大连理工大学邵龙潭1 等将计算机数据图像处理技 术应用于三轴试验试验中，弥补了一些因测量手段而引起的变形误差，提供了一 种比较新的测量方法。 1 2 2 本构模型 本构模型是用数学手段来描述试验中所发现的土体应力变形特性。目前使用 最广泛的是建立在广义虎克定律上的弹性非线性模型，其中又以d u n c a n c h a n g 双曲线模型为代表。d u n c a n c h a n g 模型物理意义清晰，易于确定，计算简单， 得到了广泛的应用，但其不能反映剪胀性，中主应力，各向异性和软化等因素的 影响，具有一定的缺陷。因此很多专家学者对其进行了改进和修正。张启岳、司 洪洋对d u n c a n c h a n 模型作了较大的改进，提出了抗剪强度包线的特征表达式1 。 王立忠考虑了土的结构损伤，引入损伤比的概念，对d u n c a n c h a n g 模型进行了 修正n 0 1 。 实际上，岩土材料应力应变特性采用弹塑性模型予以描述更为合理。殷宗泽 提出的土体的椭圆一抛物双屈服面弹塑性模型，能较好地反映剪胀、剪缩性、应 力路径和应力历史对变形的影响n n2 | 。卢廷浩用平均主应力p 和广义剪应力口代 替0 。和( o 。一0 。) ，反映中主应力的影响n3 1 。栾茂田提出亚塑性理论边界面 模型参数的简捷确定方法，对堆石料典型三轴试验进行数值模拟，较好地反映各 种复杂加载路径下堆石料变形特性n4 | 。张嘎在试验基础上建立粗粒土与结构面统 一本构模型，能够统一地描述包括单调与循环加载条件下接触面的应变软化、剪 胀规律、各向异性等主要力学特性n 5 | 。 1 2 3 抗剪强度 2 河海大学硕士论文 堆石料的抗剪强度一般遵循m o h r - - c o u l o m b 破坏准则，用表观凝聚力c 和内 摩擦角够表示。通常认为堆石料在荷重下只有摩擦阻力，不存在凝聚力。有些学 者指出堆石料线性强度关系中的c 值与粘性土的粘聚力有着本质的不同，堆石料 的c 值主要是咬合力的体现，是堆石强度的组成部分，隐含了线性表达式中c 的 影响因素n 引。陈梁生n 7 3 等( 1 9 6 4 ) 认为堆石料抗剪强度仍用c o u l o m b 线性方程 ，c = c + 6 t a n 由表示，c ，中是随。变化的变数。d e m e l i o n 踟( 1 9 7 7 ) 分析了m a r s a l 试验数据后，提出了非线性强度关系式：l f ：a o - n 6 。a ，b 为材料的试验参数。殷 家瑜n 鲫等( 1 9 8 0 ) 提出的抗剪强度表达式则为：r f = p 。a ( c r l p , ) 1 。张启岳( 1 9 8 2 ) 1 也用类似的指数方程表示强度规律。郭庆国( 1 9 8 5 ) 认为强度包线有4 种，一 种为直线关系，其余三种为非直线规律。将强度表达式归纳为乜乜妇乜2 | ：t = c + a p a a ( o p a ) 6 。i n d r a r a t r a 瞳3 1 ( 1 9 9 3 ) 给出了一个与初始试验条件无关非线性 强度准则的表达式：乃仃。= m ( 盯。仃。) 6 ，反映破坏时正应力与母岩抗压强度对 抗剪强度的影响。 堆石料的抗剪强度本质上来源于颗粒间的摩擦阻力和咬合作用，因此很大程 度上受到周围压力o 。的影响。强烈的咬合，较高的密度，较低的围压，将导致 强烈的剪胀，相应的内摩擦角够增量迅速增大。相反，疏松的咬合，较高的围压 下，或颗粒破碎严重将导致剪缩，相应的内摩擦角够增量减小阻4 | 。在比较大的应 力范围内，抗剪强度与法向应力的比例关系不是常数，摩尔圆包线表现为向下弯 曲的曲线硷5 j 。堆石料的抗剪强度受材料本身物理性质、受力条件、试验条件等因 素的重要影响。粗粒含量是反映粗粒土级配组成的特征指标，是决定抗剪强度的 主要因素砼3 。只有当粗粒、细粒形成一定比例的时候，强度才能得到最大值。另 外张克昌乜们( 1 9 8 5 ) 对含泥砂砾石的强度特性进行了初步探讨。秦红玉心7 3 认为 饱和过程中泥岩软化，减弱粗粒间的摩擦阻力和咬合力，抗剪强度呈降低趋势。 1 2 4 变形特性 粗粒料的应力应变关系根据材料性质的不同，可归纳为四种类型，如图1 1 瞳4 1 所示。其中，以型常见；型主要为坚质，密实的砂卵石，且以应力水平 较高时为常见；型较少见，主要见于岩质较软的堆石。 堆石料应力应变关系大多数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乜8 。在剪切过程中，颗粒在剪切面要 发生移动或者破碎，颗粒尺寸在不断变化，因此试样密度也在不断地发生变化。 当土体处于密实状态时，颗粒挤得很紧，剪切时发生剪胀变形，克服咬合力做功 增大，应力值增高至峰值，但在峰点后因剪胀变形增大，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；反之土体疏松，密度小时，剪切时 发生剪缩变形，应力值增高，表现为应力应变强化关系乜2 叫叫3 。 第一章绪论 图1 i 砂卵石与堆石应力应变曲线的类型 轻度应变软化；强烈应变软化；轻度应变硬化；强烈应变硬化 1 2 5 应力路径试验 已有文献资料表明，在应力路径三轴试验研究方面，研究对象多限于细粒土。 刘祖德2 3 等( 1 9 8 2 ) 探讨了应力路径对填土应力应变关系的影响。孙岳崧3 3 等 ( 1 9 8 7 ) 对中密砂进行了六种不同应力路径下的试验，探讨应力路径对砂土本构 模型的影响。此外徐日庆口4 1 等( 1 9 9 5 ) 针对土的两个重要性质一非线性和应力路 径，建立了非线性应力应变本构关系，并推导了等增量应力比例条件下的切线增 量表达式。通过细粒土应力路径试验研究，学者们认为：应力路径对土的塑性变 形大小以及塑性应变增量方向均产生重大影响口5 | 。这些研究成果对于堆石料的研 究也有很好的借鉴作用。 王朝东6 1 等( 1 9 9 1 ) 进行了六种不同应力路径下的堆石料试验，分析其变形 及强度特性，发现不同应力路径对应力应变关系影响较大。高莲士口7 1 等( 1 9 9 3 ) 研究了复杂应力路径下堆石料的应力应变关系，并建立了一种新的非线性k g 模 型。梁军聆踟( 1 9 9 6 ) 通过等p 与等皿( 常规) 试验，证明了堆石料的抗剪强度与 所选的应力路径基本无关。周晓光钔等( 1 9 9 8 ) 研究了堆石料在高压力及等主应 力比状态下的强度及变形特性。柏树田h 伽( 1 9 9 9 ) 认为实际工程中的土工问题多 属平面应变问题，如面板坝的变形和失稳都是在平面应变条件下发生的，用三 轴压缩仪所得试验结果，应属偏于保守。李远贤h 等( 2 0 0 1 ) 通过分析堆石粗粒土 一个试样多级加荷的三轴试验方法，将其分为不固结类的连续加荷与固结类的 不连续加荷，发现不连续加荷的固结方式对强度指标的影响仅限于殖，内摩擦 角基本保持不变。刘萌成h 2 1 等( 2 0 0 4 ) 在增量广义虎克定律中通过引入变量r = d 0 。d0 。的方法，推导得到反映应力路径影响的弹性参数表达式，并验证这种表 达式能更好地模拟堆石料小变形特性，得到的参数精度更高。 4 河海大学硕士论文 1 3 大型三轴试验技术若干问题 1 3 1 缩尺效应 堆石料的最大粒径一般达数l o c m 至0 l m 的量级。实际上，目前还无法用这样大 的实物试样来进行力学性试验。因此，通常必须用缩尺后的试验结果来推求实际 材料的力学性质n 1 。对堆石料的研究往往是利用大三轴试验来完成，而在大三轴 试验中最为常见的试样尺寸是高6 0 c m ，直径为3 0 c m ，最大粒径为6 0 m m 。因此，试 验中通常需要考虑实际材料的级配、颗粒组成、最大粒径等因素的影响，将其进 行缩尺处理，以便缩尺后的材料能够开展室内试验研究。使用缩尺后的材料进行 试验研究使得试验结果与原材料的真实性质之间存在一定的差异，这就是缩尺效 应。t r a m a m u r t h y ( 1 9 7 3 ) 及r d o n a g h e ( 1 9 7 8 ) 提出，缩小尺寸的模拟材料对 其峰值强度的影响不大，但对轴变、体变及弹性压缩模量有较大的影响。王继庄 ( 1 9 9 4 ) 认为缩尺效应及密度对粗粒料卸载时的应力应变关系影响不大，并探讨 了缩尺效应对体积变形模量k 值的影响，发现试样尺寸越小，k 值越小，误差越大 h 引。郦能惠h 们等( 2 0 0 1 ) 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 筑坝材料一原型堆石料强度、变形特性以及本构模型计算参数的方法。 1 3 2 试验级配模拟 目前处理超径颗粒的方法主要是简单剔除法、等量代替法和相似级配法。简 单剔除法就是将超径颗粒剔除。这样会使细粒含量相对增加，不同程度地改变了 堆石料的颗粒构成。超径颗粒含量极小，一般不宜采用h5 | 。昆明水电勘测设计院 的试验说明，当超径颗粒含量不大于约5 ，对砾石土强度的影响不大h 引。等量 代替法是以仪器允许的粗粒等量替换超径颗粒，而保持粗、细粒含量不变h 引。根 据比较试验证实，经替代后的试料性质比剔除法更接近实际h 引。相似级配法是根 据确定的允许最大粒径按照几何相似条件，等比例地将原级配缩小。此法引起粗、 细粒级配的变化，不能全面模拟原样的性质。这种方法在国外应用较广，多用于 砂砾料与堆石料的力学性试样n5 | 。此外，国外还有用等截面、等体积、等表面替 代的，但比较麻烦h8 j 。为了解决试验级配模拟这个问题，许多专家学者都对处理 的方法进行了改进。r j f r o s t h 钔( 1 9 7 2 ) 提出剔除超径料的系列延伸法；史彦 文畸们( 1 9 8 1 ) 提出相似级配系列延伸法；刘贞草畸( 1 9 8 7 ) 提出等量代替级配系 列延伸法；田树玉晦2 3 等( 1 9 9 2 ) 提出渐近线辅助拟合法；郭庆国畸3 1 ( 1 9 9 3 ) 提出 超径粗粒土最大干密度的近似测定方法；张少宏瞄4 1 等( 2 0 0 5 ) 提出用分段法确定 无粘性超粒径粗粒土最大干密度。 1 3 3 橡皮膜的影响 第一章绪论 大三轴试验里是用橡皮膜来保证试样的完整性。由于橡皮膜包裹着试样，因 此不可避免地对试样有着一定的约束力，且施加周围固结压力的时候，会发生橡 皮膜嵌入的现象。这种影响和橡皮膜的厚度和材料性能有关。为了减小或消除这 种影响，许多专家学者进行了研究。国外很早就曾针对小试样( 直径小于7 1 m m ) 进行研究，采用了诸如在膜与试样间放入小块薄铜片、涂液体橡胶薄层、涂聚氨 脂或硅橡胶等方法，来减少或消除橡皮膜嵌入的影响。也有研究用弹性理论修正 因橡皮膜约束引起的主应力瞄5 5 6 3 。张年学嵋7 1 等( 1 9 9 7 ) 认为橡皮膜产生附加围 压，推导出橡皮膜围压公式。王昆耀哺踟等( 2 0 0 0 ) 发现在试样周围填充0 1 1m m 0 1 2 5m m 细砂以保证试样侧表面在排水固结时光滑的方法，可以有效地消除粗 粒土试样橡皮膜嵌入对试验结果的影响。郭庆国畸伽等( 2 0 0 2 ) 基于风化砂的三 轴压缩试验，讨论了橡皮膜约束对土强度的影响。结果表明橡皮膜的约束力随试 样的径向应变的增大而增大，橡皮膜的约束将使测得的无粘性土的排水强度偏 大，在此基础上提出将橡皮膜的约束力视为一额外的围压。张丙印m 等( 2 0 0 3 ) 采用等向固结试验校正法，对多种不同筑坝堆石料的橡皮膜嵌入量进行了大型三 轴试验研究，得到橡皮膜嵌入量的大小及其试验规律，发现橡皮膜嵌入量大部分 在低围压的情况下发生，与围压0 。的关系可用双曲函数来表示，橡皮膜嵌入量 占量测排水总量的百分比在3 0 5 0 之间。张文珍伽( 2 0 0 5 ) 认为当试样剪切 破坏形式为鼓胀破坏时，橡皮膜对试验成果的影响较小，可以不做校正；土试样剪 切破坏形式为脆性破坏时，应根据破裂面倾角的大小进行模拟试验校正。 1 4 问题的提出 常规三轴试验是最基本和应用最为广泛的土工室内试验，也是确定土体强度 和各种本构模型计算参数最为常用的试验方法。目前在国内的土石坝应力变形计 算分析中应用最为广泛的本构模型是d u n c a n c h a n g 非线性弹性模型，也是采用常 规三轴试验作为求模型计算参数的基本试验方法。对于模型的试验参数，一些专 家学者曾进行一定的探讨研究。黄文熙哺( 1 9 8 3 ) 给出四种粒状土的强度值，但 最终设计应采用实际土料在一定孔隙比和应力条件下的试验资料。屈智炯哺2 1 ( 1 9 8 7 ) 给出d u n c a n c h a n g e u 模型的典型参数值，并于1 9 9 8 年给出三种坝料 的一些参数范围哺引，但认为表观凝聚力c 为0 。而事实上摩尔圆切线并不通过零 点，c 并不为零恩戈科选用d u n c a n - c h a n g e b 模型的材料参数进行灵敏度分 析，利用有限元计算找出参数与沉陷变形的关系。何昌荣础等( 2 0 0 4 ) 用有限元 计算方法讨论了d u n c a n c h a n g e u 模型参数变化对应力应变的变化。王志亮田刚 等( 2 0 0 4 ) 通过非线性有限元分析，找到对路堤沉降计算影响的d u n c a n c h a n g 模型主要参数，进行敏感度分析。胡应德7 1 等( 2 0 0 4 ) 用变尺度法编制了优化程 序，对d u n c a n c h a n g 模型参数进行参数识别，结合工程算例进行验证，并进行 6 河海大学硕士论文 了反馈分析。已有的研究多偏向d u n c a n c h a n g 模型参数与应力应变关系的敏感度 分析，没有涉及n g d u n c a n c h a n g 模型关于筑坝料的数值范围及数值随试验条件不 同的变化。 由于取样制样、试验仪器、试验方法与过程、试验人员操作熟练程度、整理 分析资料等诸多因素，试验数据存在很大的不确定性，变化范围较大( 相差1 0 2 0 甚至更大) ，用于计算所得结果的差别也较大。目前面板堆石坝的设计很大 程度上以工程类比和工程师的经验和判断为基础。因此，非常有必要对堆石料的 d u n c a n c h a n g 模型参数进行比较系统的研究。 为了深入研究堆石料的工程特性，充分利用这种天然材料，将“堆石料的 d u n c a n c h a n g 模型参数研究”作为论文题目，以进步总结归纳出不同堆石料 的d u n c a n c h a n g 模型参数变化范围，目的在于进一步更好地掌握堆石料的工程 特性，为实际工程的设计和计算提供参考值。 1 5 本文主要研究工作 论文主要结合无锡马山抽水蓄能电站、江苏宜兴抽水蓄能电站和浙江仙居抽 水蓄能电站筑坝材料试验研究科研项目，采用国家“2 1 l ”工程建设项目y s - 3 0 型应力路径控制大型三轴试验仪，在总结前人研究成果的基础上，对堆石料进行 了常规三轴试验。试样直径为3 0 0 m m ，试样高度为6 0 0 m m 。围压分别为3 0 0 k p a 、 6 0 0 k p a 、1 2 0 0 k p a 。试验成果按d u n c a n c h a n ge u 和e b 模型进行整理。本文 研究思路是常规三轴试验一试验数据整理归纳一给出模型参数范围一模型参数 的影响因素分析，具体研究计划分成以下三部分： 1 简要介绍河海大学岩土工程研究所和四川大学华西岩土仪器研究所联合 研制的y s 一3 0 型应力路径控制大型三轴试验仪以及本文所用数据来源无锡马山 电站、江苏宜兴电站和浙江仙居电站工程概况；说明所用堆石料的物理性质指标 和试验工作内容。 2 对堆石坝垫层料、过渡料、主堆石料和次堆石料进行d u n c a n - c h a n g e d 模型参数研究，给出e u 模型参数范围，并探讨了强度参数和变形参数变化的 规律。 3 基于对d u n c a n c h a n g e d 模型和e b 模型的比较分析，研究了堆石坝 垫层料、过渡料、主堆石料和次堆石料的d u n c a n - c h a n ge b 模型参数范围， 并分析了孔隙比、泥岩含量、堆石母岩岩性等因素对参数的影响。 第二章堆石料大型三轴试验介绍 第二章堆石料大型三轴试验介绍 2 1 概述 2 0 世纪4 0 年代，美国陆军工程师兵团首先制造出可以进行堆石料的大型三 轴仪器。我国对堆石料的研究是随着天生桥、洪家渡、紫坪铺等高土石坝的建设 发展起来的。三轴剪切试验应力条件明确，可以严格控制排水条件，能测出试样 中的孔隙压力，较为正确地反映剪切过程中的应力应变关系，可以提供强度参数 和变形参数。三轴试验不仅适用于细粒土，也适用于粗颗粒土。对于不同的土， 最大粒径不同，试样尺寸也不同。在试验中施加的围压大小，会影响到试验的参 数变化，比如低围压下的内摩擦角就要比高围压下的内摩擦角大。而堆石料的变 形与强度参数与母岩岩性、粒径级配等都有着非常密切的关系。坚硬的石块如花 岗岩、石灰岩等堆石就比相对软弱的板岩、页岩等堆石的抗剪强度大。即使级配 相同，各粒径含量相似，也会随着母岩岩性、风化程度的不同而有着较大的差异。 为了更好地研究模型参数的变化，有必要了解本文所涉及到的江苏宜兴、无锡马 山、浙江仙居三处抽水蓄能电站的堆石料物理性质指标和试验控制条件。 2 2 堆石料的基本物理性质 2 2 1 工程概况 1 无锡马山抽水蓄能电站筑坝料 马山抽水蓄能电站位于无锡市马山镇，距无锡城约3 0 k m 。主要由上水库、 下水库、输水系统、地面厂房及开关站等组成。坝体堆石分区的原则是从上游向 下游满足渗透系数递增、变形模量递减。坝体堆石料优先利用环库盆开挖料，补 充料源选在起双嘴石料场；垫层料轧石料场选在汤角嘴石料场。环库盆料场内植 被发育，基岩岩性为茅山群岩屑石英细砂岩、铁质石英细砂岩、石英细砂岩夹泥 质粉砂岩、粉砂质泥岩；起双嘴石料场位于上水库主坝下游右侧山脊，濒临太湖， 距离大坝约4 0 0 - - 7 0 0 m ，岩性为泥盆系中上统茅山群上段的铁质石英细砂岩、岩 屑石英细砂岩、石英细砂岩夹泥质粉砂岩、粉砂质泥岩；汤角嘴石料场位于耿湾 村，距上库主坝约2 5 k m ，基岩为五通组石英砂岩夹薄层粉砂质泥岩以及茅山群 铁质石英细砂岩、岩屑石英细砂岩、石英细砂岩夹粉砂质泥岩、泥质粉砂岩等。 地质建议试验研究利用茅山群上段石英砂岩、岩屑石英细砂岩、铁质石英细砂岩 夹泥质粉砂岩、粉砂质泥岩作为混凝土骨料及垫层料料源旧3 。 2 江苏宜兴抽水蓄能电站筑坝料 江苏宜兴抽水蓄能电站是江苏省大型水电工程项目，位于宜兴铜官山。电站 由上下两座水库组成，均为面板堆石坝。填筑坝体的堆石料主要取自七个料场。 河海大学硕士论文 第1 料场为上水库库盆及进出水口开挖料，基岩岩性为五通组弱风化石英砂状砂 岩；第料场为上水库库盆及进出水口开挖料，基岩岩性为茅山组弱风化岩屑石 英砂岩；第1 料场为西梅园料场，基岩岩性为五通组弱风化石英砂状砂岩；第 料场地下厂房洞开挖料，基岩岩性为茅山组弱风化岩屑石英砂岩；第v 料场为下 水库库盆及进出水口开挖料，基岩岩性为茅山组岩屑砂岩夹泥岩混合料( 含风化 料) ；第料场为芙蓉寺料场，基岩岩性为弱风化深灰色中层一薄层状灰岩；第 料场为玉山一南坝料场，基岩岩性为弱风化浅肉红色厚层灰岩哺9 | 。 3 浙江仙居抽水蓄能电站筑坝料 仙居抽水蓄能电站位于浙江省仙居县境内。整个工程由上水库、下水库、输 水系统、地下厂房及开关站等组成。上水库由主、副坝拦水形成，主、副坝均为 混凝土面板堆石坝。坝顶高程6 7 5 o m ，防浪墙顶高程6 7 6 2 0 m 。最高坝高8 1 m ( 趾 板处) ，坝顶长度2 3 0 m ，坝顶宽度7 m 。坝体材料分区主要由垫层区、过渡料区、 主堆石区、全强分化土石料区等组成。坝料主要采用开挖的新鲜微分化角砾凝灰 岩、熔结角砾凝灰岩、沉凝灰岩、含砾晶屑熔结凝灰岩混和料人工轧制而成订0 1 。 2 2 2 试验材料及试验级配 l 、垫层料 ( 1 ) 、无锡马山采用汤角嘴石料场的五通组石英砂岩料或茅山群上段石英砂 岩、岩屑石英细砂岩。最大粒径l o o m m ，粒径小于5 m m 含量为3 5 ，- - 5 5 ，粒径小 于0 0 7 5 m m 含量不超过8 ，连续级配。设计初期拟定级配及级配性状指标见表 2 1 。试验替代料级配见表2 2 。 表2 1 马山电站垫层料设计级配及级配性状指标 表2 2马山电站垫层料试验替代料级配 ( 2 ) 、宜兴电站垫层料采用芙蓉寺料场弱风化灰岩。原设计方提供的设计初 期拟定级配及级配性状指标见表2 3 。进行替代料级配设计时，对不含泥岩情况， 采用上线；含泥岩时采用下线。试验替代料级配如表2 4 所示。 9 第二章堆石料大型三轴试验介绍 ( 3 ) 、浙江仙居采用开挖的新鲜微分化角砾凝灰岩、熔结角砾凝灰岩、沉凝 灰岩、含砾晶屑熔结凝灰岩混和料人工轧制而成。最大粒径8 0 r a m ，粒径小于5 m m 含量为3 0 4 6 ，粒径小于0 1 m m 含量不超过4 - - 一8 ，连续级配。设计初期拟 定级配及级配性状指标见表2 5 。试验替代料级配见表2 6 。 表2 5 仙居电站垫层料设计级配及级配性状指标 表2 6仙居电站垫层料试验替代料级配 2 、过渡料 ( 1 ) 、无锡马山电站利用环库盆开挖料，补充料源选在起双嘴石料场，采用 开挖微、弱风化茅山群岩屑石英细砂岩、铁质石英细砂岩。最大粒径3 0 0 m m ，粒 径小于5 m m 含量为1 5 - - 2 0 左右，连续级配，满足垫层区与主堆石区的过渡。 设计初期拟定级配及级配性状指标见表2 7 ，试验替代料级配见表2 8 。 1 0 河海大学硕士论文 表2 7 马山电站过渡料设计级配及级配性状指标 表2 8马山电站过渡料试验替代料级配 ( 2 ) 、宜兴电站根据设计方提供过渡料的用料方案。、上库库盆开挖料+ 进出水口开挖料( 泥岩含量1 0 、1 5 、2 0 三种) ；、西梅园石料场砂岩( 泥岩 含量1 0 、1 5 、2 0 三种) ；、芙蓉寺料场灰岩；、玉山一南坝料场灰岩等四个 料场。考虑到四个料场的泥岩含量不同，设计了三条过渡层料原型级配见表2 9 。 表2 9 宜兴电站过渡层料设计原型粒组含量和级配指标 由表2 9 可见，三条原型级配曲线均满足级配良好的要求。细粒含量分别为 p 。上= 2 0 ，p 。中= 2 7 ，p 。t = 3 4 。对于泥岩含量较大的过渡料，其替代料级配采用原 型级配下线进行等量替代；对于无泥岩的替代料采用原型级配中线进行等量替 代。由以上原则确定的过渡料替代料级配如表2 1 0 所示。 表2 1 0 宜兴电站过渡料试验替代料级配 ( 3 ) 、浙江仙居电站过渡料采用新鲜、微分化开挖混和料配制。最大粒径 4 0 0 e r a ，粒径小于5 m m 含量为0 2 3 ，粒径小于0 1 m m 含量不超过0 , - - - 5 ，连 续级配。设计初期拟定级配及级配性状指标见表2 1 1 ，试验替代料级配见表2 1 2 。 第二章堆石料大型三轴试验介绍 表2 1 1 仙居电站过渡料设计级配及级配性状指标 表2 1 2仙居电站过渡料试验替代料级配 3 、主堆石料 ( 1 ) 、马山电站采用微、弱风化茅山群岩屑石英细砂岩、铁质石英细砂岩、 石英细砂岩夹泥质粉砂岩、粉砂质泥岩以及上述几种岩石的混合料。最大粒径 8 0 0 r a m ，粒径小于5 m m 含量2 0 左右。设计初期拟定级配及级配性状指标见表2 1 3 ， 试验替代料级配见表2 1 4 。 表2 1 3 马山电站主堆石料设计级配及级配性状指标 表2 1 4 马山电站主堆石料试验替代料级配 ( 2 ) 、宜兴电站原型级配设计原理同过渡层料，堆石料e h - - - 个料场提供，其 中二个料场为含泥岩的土石料，设计主堆石料原型级配包线为二条，设计初期拟 定级配及级配性状指标见表2 1 5 ，试验替代料级配见表2 1 6 。 1 2 河海大学硕士论文 表2 1 5宜兴电站主堆石料设计级配及级配性状指标 表2 1 6 宜兴电站主堆石料试验替代料级配 ( 3 ) 、浙江仙居主堆石料采用微、弱分化开挖混和料配制。最大粒径8 0 0 r a m ， 粒径小于5 m m 含量为0 , - - , 1 5 ，粒径小于0 1 m m 含量不超过0 ，- - 5 ，连续级配。 设计初期拟定级配及级配性状指标见表2 1 7 ，试验替代料级配见表2 1 8 。 表2 17 仙居电站主堆石料设计级配及级配性状指标 表2 1 8 仙居电站主堆石料试验替代料级配 4 、次堆石料 ( 1 ) 、马山电站采用上库开挖茅山群岩屑石英细砂岩、铁质石英细砂岩、石 英细砂岩夹泥质粉砂岩、粉砂质泥岩混合料。最大粒径8 0 0 m m ，粒径小于5 m e 含 量为2 0 。设计初期拟定级配及级配性状指标见表2 1 9 ，试验替代料级配见表 第二章堆石料大型三轴试验介绍 2 2 0 。 表2 1 9马山电站次堆石料设计级配及级配性状指标 ( 2 ) 、宜兴电站次堆石料取自、料场。其中料基本上符合连续级配的 要求。次堆石级配性状较差，关键是p 5 m m 为3 2 0 ，如再加上破碎量，使 p 。更大，所以不应增加p 5 m m 的含量。 次堆石料4 设计初期拟定级配及级配性状指标见表2 21 ，试验替代料级配 见表2 2 2 。次堆石料5 设计初期拟定级配及级配性状指标见表2 2 3 ，试验替代 料级配见表2 2 4 。 表2 21宜兴电站次堆石料4 设计级配及级配性状指标 表2 2 2 宜兴电站次堆石料4 试验替代料级配 表2 2 3宜兴电站次堆石料5 设计级配及级配性状指标 1 4 河海大学硕士论文 表2 2 4 宜兴电站次堆石料5 试验替代料级配 ( 3 ) 、浙江仙居电站采用开挖微、弱分化岩混和料加强分化岩石配制。最大 粒径1 2 0 0 m m ，粒径小于5 m m 含量为1 0 - - - 3 5 ，粒径小于0 1 m m 含量不超过8 ， 连续级配。设计初期拟定级配及级配性状指标见表2 2 5 ，试验替代料级配见表 2 2 6