文摘

近年来,许多在建或规划覆盖层上的高堆石坝在中国西部水电开发。在大坝建设、粗颗粒材料的力学行为极大地影响坝体的变形兼容。在这篇文章中,一个间接原位密度预测粗颗粒材料的方法是首先提出解决技术障碍预测材料的密度在厚覆盖层的坝址在中国西南。采用自主研发的大型真三轴仪器特别减阻技术,四个系列的真三轴测试被执行调查的行为粗颗粒材料最大粒子直径60毫米。试验结果表明,材料的峰值强度的增加与增加围压应力和中间主应力比增加。材料的膨胀受到围压应力和中间主应力比。随着中间主应力比的增加,内摩擦角的增加首先然后略有减少,但应力路径的斜率逐渐减少。测试峰值状态比较和几个著名的广义应力强度标准框架下,表现出良好的健身Lade-Duncan判据和低估莫尔-库仑准则和Matsuoka-Nakai标准。强度包络线π平面收缩增加围压应力。

1。介绍

中国西部有丰富的清洁无污染的水电资源,包括Yalongjiang河,Daduhe河,澜沧江河流和金沙江。近年来,许多在建或规划覆盖层上的高堆石坝以上河流大量水电勘探。为了达到适当指定的内部区域,堆石坝通常利用不同材料建造,具有明显不同的刚度和强度特性。堆石坝的设计一个相关的问题是兼容的坝体变形,应部分考虑粗颗粒材料用于建筑。

材料可以体验不同的应力路径在工程施工和蓄水期(1]。在另一个方面,河床的堆石坝总是覆盖着厚覆盖层从几十到几百米,这通常是由粗颗粒材料,如砂砾石、卵石(2]。它几乎可以充分挖掘大坝建设,因此影响大坝沉降。山区复杂地质条件导致复杂的应力在工程设计中,需要考虑的条件。粗颗粒材料在复杂应力条件下的行为,因此对开发和节约至关重要的工程设计方法。粗颗粒物质被认为具有内在相似属性与沙都是无粘聚性和矿物组成的聚合,因此研究对延长砂行为(3]。差异可以归因于典型材料的颗粒大小。尺寸效应导致截然不同的物理和机械性能方面的压缩性,肥大、流变学、破损和演示了不同材料的行为。

大多数实验室调查粗颗粒材料的行为都是基于常规三轴试验或平面应变试验(3]。在原位应力条件下,一个地质元素是在一般应力状态的不平等的主要强调三个方向。有三个独立的压力组件需要描述应力空间中某一点的应力状态,例如,主应力组件(σ₁”,σ₂”,σ₃”),应力不变量(我₁,我₂,我₃),平均/偏量压力,和矿脉角组件(问,p”,θ)。在三维应力空间中,材料的出现故障是所有三个主要强调依赖。先前的研究已经证明了中间主应力材料强度(有很大贡献4- - - - - -7]。然而,中间主应力对材料失效的影响在很大程度上被忽视了在进行工程地质问题的分析。莫尔-库仑准则的受欢迎程度在一定程度上是由常规三轴测试实验室的限制。研究人员付出巨大的努力在真三轴仪的发展不同的样本大小来研究材料在复杂应力条件下(表的行为1),考虑规模效应所带来的最大粒径测试材料。真三轴仪的加载模式可分为三种类型,即。、刚性加载(8- - - - - -10),灵活的加载11- - - - - -14),和混装1,15- - - - - -20.]。

强度准则提出了三个独立的压力参数,如Matsuoka-Nakai标准(5],Lade-Duncan标准[21),修改Lade-Duncan标准(22土壤材料,Mogi判据和Hoek-Brown标准岩石材料(23]。研究人员对不同的材料进行真三轴测试从粘土砂及抗剪强度的讨论问题,剪切带(4),状态参数(1),等等。Matsuoka-Nakai标准报告同意overconsolidated的故障点和正常固结粘土(20.)和Toyora沙(24]。颗粒土壤上执行真正的三轴测试之后,史等。25]介绍了故障点之间Lade-Duncan信封和Matsuoka-Nakai信封。装等。4)进一步讨论了内摩擦角的变化与中间主应力不同的金沙。真三轴测试填石材料也进行了不同的应力路径来研究材料的strength-dilation行为(26),其最大粒径达到10毫米。相对小变形下,Anhdan et al。17砾石)评估准弹性属性使用自主研发的大型真三轴仪器标本大小为220毫米×250毫米×500毫米。

本文旨在阐明中间主应力的影响比粗颗粒材料的行为与最大粒子直径60毫米,至今还没有被赋予充分的实验的观点。

2。材料和方法

2.1。测试材料

本研究获得的测试材料厚覆盖层的水电站在中国西部,这是作为大坝建筑材料。利用巨大的粒子在建设、现场材料不能直接被测试在实验室标本大小的考虑。根据土壤测试规范sl237 - 1999 (27),粒子粒径分布曲线在缩减规模使用等效替代的方法,然后采用实验室(图1)。材料的基本物理性质得到如下:最小干密度为1.977克/厘米³最大干密度为2.307,比重为2.79,最小孔隙比为0.209,最大孔隙比为0.411。

检查井和井眼一般采用确定原位细粒土的密度。然而,一个技术障碍粗颗粒材料(1米直径的规模)是他们的原位密度随深度几十米很难确定哪些显著影响土壤的行为。原位密度是重要的执行实验室测试时粗颗粒材料,因为它大大影响材料的刚度。在这项研究中,提出了一个近似方法。利用材料的级配曲线不同,但从同一来源,原位测试和模型压力测试表进行现场和实验室,分别。当原型材料和缩减规模的材料有压力表模量相等,他们可以封闭的物理性质。据当地地面调查报告、材料的深度是22.8 - -34.4米,平均27.4米的价值。这表明340 kPa的有效地静压力。地面调查报告(28]表明表模量变化从31.7 MPa为42.4 MPa,平均值为37.8 MPa。模型压力计测试然后在实验室进行的五种不同的密度,即。,2.10克/厘米³,2.16克/厘米³,2.22克/厘米³,2.28克/厘米³和2.34克/厘米³。土壤密度和弹性模量之间的关系可以获得(图2)。基于以上曲线,原位密度预计为2.28克/厘米³。

标本在真三轴测试准备控制密度2.28克/厘米³,相对密度为0.875。标本制备使用潮湿的捣固技术由五层。在每一层中,不同组件的粒状材料(图3)混合独立,以确保一个相对统一的成分。在真三轴测试控制最大粒径是60毫米,考虑样本大小的试验装置(29日]。

2.2。试验装置

一个大型真三轴仪器由长江科学研究所29日本研究采用(图)4(一))。真三轴仪采用高四边形标本高度600毫米和300毫米×300毫米等于宽度在横截面(图5)。应力控制和strain-control加载模式可以通过使用仪器。真三轴仪采用新的刚性和柔性混装技术。小主应力的方向、细胞水压力和灵活的加载应用于标本。最大主应力的方向,垂直载荷应用通过刚性板块顶部和底部的标本。中间主应力的方向,横向荷载应用减阻的标本通过一对盘子。减阻板由30×60块,积分联系转移到分布式接触。被轻微的滚珠轴承和沟槽式,滑块可以横向和纵向移动。在加载过程中,试样的局部变形发生滑块的运动。滚动摩擦代替了滑动摩擦,导致相当大的摩擦力减少标本的侧面。 More details are introduced in the Patent [29日]。采用上述装置,三个主应力不均都可以单独应用于标本。

真三轴仪器包括6套加载和测量装置,每一组包含一个激光位移传感器、负荷传感器和液压油缸。内部负载细胞测量轴向载荷应用于标本。此外,它包括以下组件:一个细胞压力传感器,一个孔隙水压力传感器和一个外部和内部体积变形测量系统。控制系统是为了实现一定的应力路径定义使用相应的算法。数据采集系统是为了获取电子信号和传输数字数据。

2.3。测试程序

当b= 0.0,在真三轴试验应力路径应该是完全相同的,在常规三轴试验。验证真三轴仪,平行的巩固和排水试验b= 0.0,σ₃' = 0.4 MPa进行了使用大型真三轴仪和另一个传统的大型三轴仪,分别(图4)。此后,共有四个系列的真三轴测试(25测试,如表所示2)进行调查中间主应力和各向同性固结压力的影响。其中,三大系列标本上进行了不同的中间主应力值比b,定义如下: 在哪里σ₁”,σ₂”,σ₃是主要的,中间,和小主应力,分别。

第一和第二系列的真三轴测试(在初始各向同性的整合压力σ₃分别为' = 0.2 MPa和0.4 MPa)进行了九种不同b值,即b= 0,0.15,0.25,0.375,0.50,0.625,0.75,0.875和1.00。随着橡胶膜容易刺穿了在更高的压力条件,第三个系列(在初始各向同性固结压力σ₃' = 0.8 MPa)只在四个不同的执行b值,即b= 0.00,0.25,0.50,0.75。第四系列测试进行了平面应变条件下,三种不同的各向同性固结压力,例如,σ₃' = 0.2 MPa, 0.4 MPa, 0.8 MPa。所有的测试都是在巩固和排水条件下进行。

在测试之前,孔隙水压力系数(B0.95需要实现的)。为了这个目的,一个标本是由应用饱和吸和冲洗水从底部,随后逐渐增加细胞压力和背压。轴向应变增加0.33%的速度/分钟为饱和排水加载测试材料。在测试过程中,体积应变计算使用标本利用排放水的体积内体积变形测量系统。

3所示。结果和分析

在一般应力条件下,平均有效压力p“和偏应力问被定义为满足功能保护的原则如下:

3.1。验证的测试仪器

两个平行的巩固和排水测试0.4 MPa围压下进行使用真三轴仪(图4(一))高四边形标本300 mm×300 mm×600 mm和常规三轴仪(图4 (b))和一个列标本ϕ分别为300毫米×600毫米。应力-应变曲线(图6)与一致的刚度和动员力量非常接近,表明真三轴仪是相对可靠的。图7显示了postfailure标本与膨胀的特性和明显的故障飞机在上面的真三轴试验。

3.2。常数σ₃和持续b测试

图8介绍了偏应力与轴向应变的变化在一个初始围压σ₃' = 0.2 MPa但在九个不同的中间主应力比,也就是说,b= 0.00,0.15,0.25,0.375,0.50,0.625,0.75,0.875和1.00。对于所有标本,偏应力与轴向应变增加稳步升值,最终达到或接近峰值。尽管最初的斜坡应力-应变曲线非常接近,在更高的标本b值通常达到同一围压下峰值强度更大。所有标本展示初始收缩变形,其次是一致的扩张。一个更高的b其次是较小的膨胀值总是显示更大的收缩。最大体积应变增加而增加b价值。在更高的b值,样品需要更大的轴向应变达到一个更高的最大体积应变。

的行为对粗颗粒材料b值初始围压下进一步调查σ₃' = 0.4 MPa和0.8 MPa。测试结果表明,在本质上类似的现象σ₃' = 0.2 MPa。

在b值为0.75时,材料在不同围压下的应力-应变关系是进一步策划和比较图9。的偏应力与轴向应变增加单调和方法三个测试的峰值。围压越高显示更大的峰值强度和更高的初始斜率代表更高的材料刚度。在初始围压下σ₃= 0.2 MPa,标本展示初始明显收缩轻微膨胀紧随其后。根据初始围压压力σ₃' = 0.4 MPa和0.8 MPa,标本显示一致的收缩。标本往往达到稳定的体积在所有三个测试菌株。

3.3。平面应变测试

在平面应变测试,所有标本显示一致的加工硬化行为在不同的压力条件下(图10)。受排水加载时,偏应力第一轴向应变时上升明显低于1%。然后在慢得多的速度提高,达到或接近峰值强度的终止测试。的测试σ₃' = 0.2 MPaσ₃' = 0.4 MPa,体积应变增加最初和轴向应变达到高峰值在2%和5%然后在不同程度逐渐降低,反映了一个初始的过程收缩膨胀紧随其后。对于测试σ₃' = 0.8 MPa,标本显示连续收缩变形在整个加载过程。上面的体积膨胀变形行为意味着抑郁的围压增加σ₃。在平面应变测试,在零初始控股后,中间主应力比b增加与轴向应变。的测试σ₃' = 0.2 MPa,σ₃' = 0.4 MPa,σ₃最后,= 0.8 MPab值是0.20,0.17和0.15,分别表示的增加b增加围压值是沮丧。

考试σ₃' = 0.8 MPa为例,应力-应变曲线位于相应的曲线之间的常数σ₃”和常数b测试b= 0.0,b= 0.25,代表的上限和下限b在平面应变值测试。平面应变试验的峰值强度接近常数σ₃”和常数b测试的时候b= 0.25。同样,标本在平面应变测试后显示更明显的偏应力增加4%的轴向应变比常数σ₃和持续b测试(图11)。如前所述,在更高的标本b值显示更高的剪切强度。不断上升的b这表明越来越动员力量和价值。

4所示。讨论

4.1。应力路径和强度分析

的常数σ₃”和常数b测试及平面应变测试,围压应力σ₃满足以下几点:

用方程(3)到方程(2)和(2 b),我们可以得到以下方程:

方程(4)定义的递减函数b值范围内b=[0,1],表明应力路径的斜率随增加而减小b价值。

在相同围压σ₃”,应力路径的斜率降低一起b但达到更高的偏应力值大b值(图8 (c))。在同一b值,应力状态移动右上角不断在不同围岩压力和演示了在同一平行应力路径b值(例如,b= 0.75图9 (c))。

在平面应变测试,b在加载过程的价值不断增加在所有三个测试。相应地,应力路径的斜率逐渐减小,表明向下弯曲的曲线(图10 (c))。在恒定的σ₃”和常数b在平面应变测试,测试和压力测试路径显示一致的趋势方程(4)。

在峰值强度的应力状态不变σ₃”和常数b测试是在图绘制12。一般来说,一个线性最佳问:p可以获得的关系b= 0.00,0.25,0.50,0.75。一个常见的趋势是巅峰状态应力比减少不断增加b值,这表明动员单位平均有效压力下强度降低。

4.2。强度参数

在b= 0.00,0.25,0.50,0.75,莫尔圆三种不同的围压下的材料是绘制在图13。线性强度的莫尔圆都装信封。增加的b价值,从39°内摩擦角增加到49.5°和明显的凝聚力从0.083 MPa提高到0.169 MPa(表3)。尽管粗颗粒材料展示了明显的凝聚力在一定程度上由于颗粒嵌入效应,一个常识是,粗颗粒材料应无黏性。

高围压应力下,材料会经历粒子运动,粒子破碎,应力再分配和导致减少内摩擦角。以反映内摩擦角与围压应力,减少邓肯et al。30.在对数关系)提出了一个非线性方程: 在哪里p_一个“是大气压力;φ₀是初始内摩擦角当围压应力等于大气压力;和Δφ′是增量内摩擦角。

非线性拟合强度信封后方程(5)在不同b值传递的起源σ′-τ飞机(图展示了明显的弯曲特性14)。的范围内b=[0,0.75),初始内摩擦角的增加从48.7°到60.8°和增量内摩擦角增加从8.7°到10.8°(表3)。增加的强度参数的线性和非线性强度信封可能带来的一起进一步加强横向限制粒子联锁。

内摩擦角的计算值使用一个独立的莫尔圆进一步相比郭芷伶从其他研究人员4,14,21,31日,32]调查中间主应力影响的内摩擦角,因此大型真三轴试验粗颗粒材料很少介绍。在一些报道发现,内摩擦角与中间主应力比增加b= 0b= 0.3,然后用轻微的波动(图大致保持稳定15)。在这项研究中,内摩擦角与中间主应力比从0增加到0.75,然后大致保持稳定,此后演示了一个轻微的减少时b值的方法。

4.3。的强度标准π飞机

可以分为线性和非线性强度准则类型。线性强度准则通常是不规则的或正六边形π飞机,包括针对摩尔-库仑准则和特雷斯卡标准。凸性的非线性强度准则应该有共同的特征和平滑的连续性,如米塞斯标准,Lade-Duncan判据,Matsuoka-Nakai标准。一些著名的粒状材料标准简要介绍如下。

当材料凝聚力是零,莫尔-库仑准则可以写成:

在应力空间变换后,方程可以表示如下:

Lade-Duncan标准(21可以介绍如下: 在哪里k_f1是一个材料常数,可以确定内摩擦角φ₀在常规三轴压缩试验:

在应力空间变换,方程(7一个)可以推导出如下:

Matsuoka-Nakai标准(5)可以表示如下: 在哪里k_f2是一个材料常数,可以确定内摩擦角φ₀在常规三轴压缩试验。

在应力空间变换,方程(8)可以改写如下:

矿脉的角度θ通常是用来评估的强度标准的形状π飞机。它可以被定义为一个函数的中间主应力比b: 在哪里θ单调增加从θ= -30°θ= 30°b值增加从b= 0b= 1.0。

下围压力σ₃' = 0.2 MPa, 0.4 MPa, 0.8 MPa,测试应力状态在高峰使用平均应力强度归一化p和策划π飞机使用脉角。同样,力量Lade-Duncan标准的信封,Matsuoka-Nakai标准,针对摩尔-库仑准则和规范化,显示在图16在不同的压力。粗颗粒材料,强度分真三轴测试通常Lade-Duncan最佳适合的信封,位于外Matsuoka-Nakai信封和莫尔-库仑信封。Lade-Duncan信封规范化在三种不同的围压力显示(图收缩特性16 (d))。坐标的相交点σ₁轴和Lade-Duncan信封从1.5531降低到1.3489。

5。结论

(1)同等密度预测方法预测的技术障碍,提出了粗颗粒材料的原位密度厚覆盖层。使用缩减规模材料从同一来源的原型材料,模型需要执行压力测试在实验室构建一个表模量和密度之间的关系。就地压力表模然后投影曲线上获得相应的原位密度。在这项研究中,材料的预测原位密度是2.28克/厘米³。(2)采用自主研发的大型真三轴仪器特别减阻技术,粗颗粒材料的行为的最大直径60毫米了四个系列的真三轴试验。材料的峰值强度增加一起增加围压应力和中间主应力比增加。材料膨胀受围压应力和中间主应力比。(3)应力路径的斜率问:p的形式减少增加b值的时候σ₃“是恒定的。峰状态应力比随增加而减小b值,这表明动员单位平均有效压力下强度降低。(4)非线性强度信封的莫尔圆通过原点σ′-τ飞机在不同的b值,描述了粗颗粒材料作为一种典型的无粘聚性材料。测试材料的内摩擦角首先增加b值从0到0.75左右然后时略有减少b值是接近团结。(5)平面应变试验是一种简化的应力路径试验的一个元素在坝体,因此是有意义的。在平面应变测试获得的峰值强度接近常数σ₃”和常数b测试的时候b= 0.25。问:p的斜率的曲线大于室内平面应变试验的常数σ₃和持续b测试。(6)在π飞机,Lade-Duncan强度包络的峰值强度与粗颗粒材料的最大粒径60毫米大型真三轴试验获得。Lade-Duncan强度包络线显示了明显的收缩特性在不同围压下,意味着实力信封的非线性特征。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金项目(批准号。51979010和U1765203),和自然基础科学研究资助的公立院校和研究机构(批准号CKSF2019182 /次)。