粗粒料的单参数级配方程及其适用性研究

提出了一个适用于描述粗粒料连续级配的单参数级配方程，研究了方程的基本性质，分析了方程对连续级配粗粒料两种典型级配曲线的反映能力，利用多个土石坝工程粗粒料级配曲线验证该方程的适用性，推导了方程表示良好级配的参数范围。结果表明：提出的级配方程能够描述反S形和双曲线形两种典型的粗粒料级配曲线。方程参数? 的范围为(0，1)，当? 值较小时，方程表示的级配曲线为双曲线形；当? 值较大时，方程表示的级配曲线为反S形。提出的级配方程对土石坝工程中各种粗粒料的级配具有较好的适用性。与分形级配方程和连续级配方程相比，该单参数级配方程更具有实用价值。当? >0.13时，方程表示的级配为良好级配，该范围的确定可以为筑坝粗粒料的级配设计提供依据。     

土的连续级配方程在粗粒料中的应用

粗粒料的级配对其物理力学性质具有重要影响。土体的级配通常用级配曲线来表示,级配方程则是对土体级配曲线的定量描述。利用土的连续级配方程,对各种粗粒料级配的适用性进行了验证,进一步总结了土石坝工程中粗粒料级配参数的常用取值范围;同时,分析了利用该方程进行粗粒料配料计算的实用性。主要结论如下：粗粒料的级配参数常用取值范围集中在-2相似文献   

基于级配方程的粗粒料压实特性试验研究

级配显著影响着堆石料的压实特性,定量表述级配对堆石料压实特性的影响至关重要。基于连续级配土的级配方程,设计了16组不同级配的试验粗粒料,进行了表面振动压实试验和侧限压缩试验,定量研究了级配对粗粒料压实特性的影响。研究表明：由表面振动压实（动应力）试验和侧限压缩（静应力）试验得到的干密度与级配曲线面积之间均呈二次函数关系,且干密度中的最大值对应的级配曲线面积均在0.9附近;无论是表面振动压实试验还是侧限压缩试验,堆石料都存在干密度最优（最大）的级配。依据试验成果,给出了所试验堆石料的最优级配区间（级配上、下包络线）;同时,利用相似级配法论证了实际级配粗粒料的最优级配区间,并根据国内外多座土石坝粗粒料的设计级配验证了该最优级配区间的普遍适用性,为土石坝粗粒料的级配设计提供了理论依据。     

描述土体级配分布的级配方程及其适用性

对Weibull模型公式进行变形和演化,得到一个用于定量表示连续级配分布的级配方程,该级配方程可以表示双曲线、近似直线、反S形曲线3种典型级配分布形态。对粉土、黏土、砂土、粗粒土的级配分布进行拟合,拟合结果均良好。从粒径的分布范围考虑,用理论推导的方法,对级配参数的取值范围进行了详细的研究。将实际拟合结果和理论推导结果相结合,得到最终的级配参数范围：c为0.001～1.5,n为0.065～4.8。将新级配方程与Talbot分形级配方程、吴二鲁单参数级配方程进行对比分析,发现Talbot分形级配方程不能反映反S形级配分布,单参数级配方程不能反映颗粒均匀的窄级配分布,而新级配方程对以上不同级配分布均拟合良好,因此新级配方程具有更广泛的适用性。另外,对级配参数在剔除法、相似级配法、等量替代法、混合法下的演变进行了推导,实现了对缩尺前后级配分布的定量表示。     

考虑颗粒强度尺寸效应的原型堆石料破碎特性研究

高土石坝中,堆石体颗粒破碎是导致坝体变形的主要因素之一。但是由于原型坝料的颗粒尺寸较大,其破碎程度难以直接通过室内试验度量,因此通常要将原型级配缩尺为60 mm以下的小粒径级配堆石料,然后才能进行室内试验。而由于原型和试验级配差异较大,导致试验测得的参数往往和原型坝料实际参数有较大差异,因而影响了原型坝料力学特性的深入研究。这里提出了一种新的实时预测原型坝料破碎的方法。首先在颗粒尺度上,基于单粒强度的Weibull分布理论和颗粒分形破碎理论,阐述了原型堆石料级配演化的推求过程;然后通过单粒强度试验测得了相关参数,并与三轴试验测得的试样级配曲线对比,验证了参数选取的合理性;之后分析了颗粒强度离散程度对于原型坝料级配曲线形状的影响;最后,讨论了加载过程中原型级配和试验级配堆石体的相对破碎参量和受力状态的关系。     

免疫遗传算法在土石坝筑坝粗粒料本构模型参数反演中的应用研究

建立了确定筑坝粗粒料本构模型参数的有限元计算理论与IGA相结合的反演分析方法,利用公伯峡筑坝现场大型载荷试验资料,对筑坝原级配料的本构模型参数进行了反演研究。结果表明,由于在微弱风化花岗岩掺加云母片岩,颗粒破碎严重,爆破堆石料（3BⅠ）的原级配粗粒料反演参数远低于室内三轴试验成果;与3BⅠ堆石料相反,砂砾料（3BⅡ）现场反演得到的邓肯E~B模型参数高于室内三轴试验值;室内三轴试验成果不能客观反映筑坝材料的力学特性,对于当今的300 m级高土石坝建设,宜加强对原级配粗粒料的力学特性研究;同时对原型实测的空间位移场不同拟合方式进行了探讨,认为仅考虑铅直向变形的IGA参数反演成果能基本满足土石坝工程的精度要求。     

典型工程筑坝砂砾料级配特征与压实特性研究

砂砾石坝坝料级配设计、坝体分区和填筑标准的设计均依赖于工程经验,为砂砾石坝坝料设计和填筑标准设计及评估提供工程类比基础。基于典型工程筑坝砂砾料级配包线和填筑标准现场试验干密度统计,分析实际工程筑坝砂砾料典型级配包线范围,给出关键级配特征参数的分布区间,并研究砂砾料级配特征对压实特性的影响。结果表明：（1）典型筑坝砂砾料级配最大粒径为400～600 mm,常见级配包线含砾量为70%～88%,曲率系数为1～10,不均匀系数多大于5,级配方程参数b和m范围分别为0～0.9和0.2～1.0;（2）能获得较高填筑干密度的砂砾料级配含砾量为70%～85%,曲率系数为1～10,不均匀系数大于5,级配方程参数b值和m值分别为0.7～0.9和0.6～0.9;（3）含砾量、曲率系数、不均匀系数和最大粒径对干密度均有显著影响,影响程度依次减小。     

重载铁路基床表层级配碎石填料组构系数应用与分析

传统级配曲线不能直观展现碎石填料内部物理组构信息,重载铁路基床表层级配碎石填料设计缺少实用的优化目标参数。引入对数几率回归函数将传统积分级配曲线进行了转换,定义了能直观展现碎石填料内部物理组构信息的组构系数R概念。基于对数几率回归函数级配曲线方程,推导了组构系数的数学表达式,并分析了参数的敏感性,进而将组构系数作为优化目标,提出了重载铁路基床表层级配碎石填料级配的组构系数优化方法。通过重载铁路基床表层级配碎石填料击实试验、大型直剪试验、渗透性试验以及对其他工程材料的应用,验证了组构系数方法的可行性。应用研究表明:组构系数R能够定量描述材料组构信息;重载铁路基床表层级配碎石填料的最优组构系数值在21.17～22.08之间。     

K0固结粗粒土剪胀特性大型三轴试验研究

采用大型三轴剪切仪对不同相对密度的双江口心墙坝覆盖层料,进行了 固结及各向等压固结条件下的排水剪切试验,探讨了 固结及各向等压固结条件下粗粒土剪胀性的差异,并检验了修正Rowe剪胀方程对 固结粗粒土的适用性。结果表明：粗粒土在 固结条件下,较各向等压固结条件下的剪胀性明显,且这种差异性在密度较小的粗粒料中体现较为突出,而随着密度的增加,差异性逐渐减弱;对试验数据进行非线性拟合,总结出剪胀因子 与相对密度 、围压 之间的关系式,据此可分析不同紧密程度粗粒料剪胀性的强弱;对 固结粗粒土,修正Rowe剪胀方程能较好地描述其剪胀性。     

Effects of skeleton void ratio on the strength and deformation characteristics of coarse-grained soilEI北大核心

粗粒土强度变形特性与初始级配和制样干密度密切相关。为研究不同级配和密度组合的粗粒料强度变形特性,提出了一种计算简便、易于推广的粗粒土骨架孔隙比计算方法。开展的室内试验结果表明,该计算方法所得的骨架孔隙比与粗粒土力学特性之间存在较为明显的单调性变化规律。当试样尺寸一致时,随着骨架孔隙比减小,破坏剪应力增大,破坏摩擦角增大,黏聚力减小;平均初始切线弹性模量增大,平均初始切线泊松比减小。整体而言,骨架孔隙比越小,粗粒土强度、刚度越大。基于该结论,笔者提出了一种等骨架孔隙比粗粒土缩尺方法。     

颗粒级配对粗粒土强度与变形特性影响的研究

采用三维颗粒流软件PFC3D的内置FISH语言,进行二次开发,模拟粗粒土级配,建立一个研究高铁填方路基粗粒土变形特性的颗粒流模型。通过粗粒土三轴试验,标定了表征粗粒土细观力学性质的模型参数,并验证了模型的有效性。考虑粗粒土曲率系数和不均匀系数对颗粒级配的影响,模拟并研究了5种不同级配下粗粒土在3种不同围压下的变形特性。试验结果表明,曲率系数对粗颗粒土变形特性影响较大,当其有效粒径与中值粒径及限制粒径的差距过大时,粗粒土中颗粒填充及致密性将变差,变形增大,强度降低。以较大曲率系数与较大不均匀系数组合的粗粒土受力性能较好,但此种级配的粗粒土压缩性大。级配良好且不均匀系数较大,其应力链分布越均匀,颗粒的挤压效果越显著,力的传递和分配也越均匀。     

砂砾石反滤料级配设计研究

在土石坝和堤防工程砂砾石反滤设计中,长期以来,一直使用太沙基反滤准则,而太沙基准则适用范围有其局限性.在王圪堵水库大坝反滤设计中,根据适用范围更广的谢拉德反滤准则,按反滤料分区设计思想,由被保护土料的特征求出适宜的反滤料级配包线.     

反滤系统渗透流失土颗粒级配的显微图像分析法

在反滤系统渗透稳定性的研究中,提出采用数码显微镜和图像分析软件测定渗透流失土颗粒级配的方法。该法可对渗透流失的少量土颗粒进行级配分析,测定成本低,但对取样要求较高。针对所用的粉土,采用异丙醇作为分散剂,颗粒浓度取4 g/L,可获得良好的测定效果。与比重计法测定结果的对比分析表明,显微图像分析法是可靠的。误差分析表明,对于扁平不规则的土颗粒,显微图像分析法测定的级配曲线粒度偏大,细颗粒产率偏低,而比重计法则相反。显微图象分析法可为反滤系统渗透稳定性研究提供有效的手段。     

基于数字图像处理技术的砂土颗粒级配分析研究

砂土颗粒级配是影响砂土工程性质的重要参数之一，传统的颗分试验方法由于试验原理不同而具有不同的适用范 围。为更加方便、准确地获取砂土颗粒级配，提出了一种基于数字图像处理技术来获取SEM照片中的砂颗粒粒径参数及级 配特征的新方法。将准备好的砂土样品打磨成薄片放在扫描电镜下拍照，然后利用Photoshop软件对照片进行拼接，并采用 自主研发的SMAS数字图像分析系统对拼接好的照片进行定量分析处理，获取样品的微观结构参数，将获得的“土颗粒等 效直径”和“土颗粒面积”分别等效为实际土颗粒粒径和土颗粒质量，进而换算得到砂土的颗粒级配曲线；然后将通过数 字图像技术获得的砂土颗粒级配曲线与通过传统筛分法和激光粒度分析法得到的颗粒级配曲线进行对比，验证了提出的数 字图像处理方法的有效性和可靠性，同时分析了两种方法之间存在的差异及其原因，并对数字图像处理方法和传统颗分方 法各自的优缺点进行了讨论。     

粗粒土压实特性及颗粒破碎分形特征试验研究

对多个级配不同含水率的粗粒土进行击实试验,研究粗粒土的压实特性和颗粒破碎分形特征。结果表明,粗粒土最大干密度随级配中粗粒含量的增大而增大,当粗粒含量P5=70%时,最大干密度出现最大值;当P5＞70%时,最大干密度又随粗粒含量的增大而减小,粗粒土击实破碎后的粒径分布具有良好的分形特性,破碎分形维数为2.279 0～2.892 2,均大于击实前粗粒土粒度分形维数;相同级配条件下,粗粒土破碎分形维数随含水率的增大而增大,且粗粒含量P5＞50%时,增幅显著;粗粒土破碎分形维数D与破碎率Bg存在良好的线性关系,且击实前后粗粒土粒度分形维数差值能客观表征颗粒破碎的程度;粗粒含量和含水率是影响颗粒破碎率的两个重要因素,但相对于含水率而言,粗粒含量对破碎率的影响更加显著。     

黑河黏土心墙土石坝分期位移反分析

高心墙土石坝的安全性评价问题涉及到土坝的变形与渗流规律及相关力学参数的确定,是当前土力学研究的热点与难点之一。由于土石坝受施工过程中施工工艺、施工方法和施工质量以及运行期运行环境和管理方法的影响,土石坝坝料的实际力学参数与原设计参数有一定的差别。为获得西安黑河黏土心墙土石坝大坝填料实际的力学参数,利用大坝的应力、变形与渗流观测资料,通过深入分析大坝变形机制和渗流特征,建立了黑河黏土心墙土石坝变形与荷载之间的对应关系,提出了基于准饱和土固结理论的心墙土石坝分期位移反分析的思路与方法,实现了心墙土石坝施工期、运行期全过程反演。结果表明该方法可反演得到心墙土石坝填筑材料的主要参数（邓肯-张模型）、心墙渗透系数及湿化变形参数。反演思路与方法对同类工程设计与反分析具有参考意义。     

细粒含量Pc＜25％渗透变形类型为非管涌碎砾石的颗粒级配特征及判别方法

细粒含量判别法是无黏性粗粒土渗透变形类型主要判别方法,但细粒含量Pc25%渗透变形类型为流土和过渡的碎砾石,其渗透变形类型不符合细粒含量判别准则.通过对46个工程310个试样(其中Pc25%的试样数214个),渗透变形试验结果统计分析发现,该类土虽然仅占同级配段(Pc25%)比例为6.1%,但其颗粒级配曲线均具有独特特征,即各粒径级颗粒含量均较均匀,即Cu均大于5,Cc多数为1.0~3.0之间,即该类土大多数为优良级配,进一步分析发现其D15/d85之比均小于等于5,进而提出用D15/d85≤5作为判别该类土的方法.     

考虑颗粒破碎引起级配演变的粗粒料屈服函数研究

级配作为粗粒料的重要物理特性,显著影响着粗粒料本身的力学性质。准确预测土体在加载过程中的级配演变,是有效分析土体结构全寿命周期强度和变形特性的基础。引入Einav的分形破碎理论,认为土体在加载过程中的颗粒破碎耗能增量正比于颗粒分形破碎率增量,结合考虑颗粒破碎的能量平衡方程,选取已有文献中的试验数据,对粗粒料加载过程中的级配演变进行了研究,提出了一种预测试样加载过程中级配演变的方法。在此基础上,建立了一个可以反映粗粒料级配演变的屈服函数,对该屈服面函数进行了初步探讨。每一个屈服面对应土体的一个级配演化曲线;屈服面是土体剪切应变的等值面,屈服面的轨迹和剪应变大小密切相关。     

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 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。     

基于Copula理论的粗粒土渗透破坏临界水力比降估值

破坏水力比降是土体渗透稳定性分析和渗流控制的基础。以渗透变形试验为基础,分析了粗粒土临界水力比降与孔隙比、级配不均匀系数和曲率系数间的相关性。利用Copula理论适合建立多个非独立变量间联合分布函数的优点,构造了拟合粗粒土临界水力比降 、孔隙比e、级配不均匀系数 和曲率系数 间相关关系的最优Copula函数,并将其应用于粗粒土临界水力比降估值。结果表明：具有单参数的四维对称Archimedean Copula函数的Nelsen No 6为最优Copula函数。利用构造的最优Copula函数求条件概率,便可得到粗粒土临界水力比降估值的保证率,或者计算在一定保证率条件下临界水力比降估值。通过比较临界水力比降试验值与Copula理论方法、Terzaghi公式及刘杰公式估值,阐述了Copula理论的可靠性,为建立粗粒土临界水力比降与孔隙比及级配特征的多变量统计概率关系及临界水力比降估值提供了一种新途径。