钢珠模拟堆石料三轴试验研究

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1、http://www.paper.edu.cn钢珠模拟堆石料三轴试验研究孔德志，张丙印，孙逊清华大学水利水电工程系水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京（100084）E-mail:kdz04@mails.tsinghua.edu.cn摘要：颗粒滑移是影响堆石体强度和变形的主要因素。采用钢珠人工模拟堆石料进行了常规三轴排水试验，探讨了堆石料变形细观机理对其强度和变形特性的影响。研究工作表明，不破碎模拟堆石料的莫尔-库仑强度包线为过原点的直线。在峰值强度以前，不破碎人工模拟堆石料的变形主要由颗粒滑移引起，近似满足R

2、owe剪胀方程。在峰值强度以后，颗粒组咬合结构的崩塌失稳变形可显著地削弱土体的剪胀，此时Rowe剪胀方程会过高估计堆石料的剪胀变形。修正Rowe剪胀方程对颗粒非滑移变形具有更好的适应性。关键词：钢珠模拟堆石料；Rowe剪胀方程；颗粒破碎；常规三轴试验0.引言会产生附加变形，因此可认为试验结果主要反映了颗粒滑移变形的影响。经典土力学认为，土体颗粒是不可压缩和破碎的，其变形主要由土体孔隙中水或气1.试验情况概述的排出以及颗粒的重组产生，其强度理论也试验采用的圆球形钢珠采用轴承钢加是主要建立在粒间摩擦和滑移的基础之上。工制

3、成（图1），共有四种粒径，直径分别为然而一般情况下，由于土体颗粒均具有一定10mm、13.493mm、16.669mm和23mm，均的强度，在受到大于其自身强度的应力作用为标准规格尺寸。制备一个试样共需钢珠下会发生部分或整体的破碎，对堆石料尤其1000颗，从小粒径到大粒径依次分别为210、如此。由于堆石料多由人工爆破开采，具有230、260和300颗。许多天然的肉眼无法看到的潜在缺陷，在高应力作用下，堆石料的颗粒破碎现象通常会[1-5]很严重。土体颗粒的破碎会引起自身级配的改变，从而使其物理力学性质发生变化。堆石体变

4、形的细观机理十分复杂，主要包括堆石颗粒的滑移、转动以及破碎。由于问题的复杂性，目前针对堆石体变形和强度图1.钢珠示意图的研究工作一般没有具体区分变形的细观Fig.1Sketchofsteelballs机理。但要想深入研究堆石体的强度和变形采用中型三轴仪进行试验，试样直径特性，则需要针对各个影响因素和变形机理15cm，高26.5cm。每个试样采用上述4种分别展开研究和讨论。颗粒间的滑移是影响不同大小的钢珠混合制成。为保证试样的均堆石体强度和变形特性最基本的影响因素。匀性，分十层撒制试样。每层钢珠的颗粒数为了定量探索各个

5、变形细观机理对堆之比从小粒径到大粒径依次为21:23:26:30。石体强度和变形特性的影响，本文采用四种装样时，在同一固定高度将一定数目的钢珠不同粒径的钢珠混合成为不可破碎的人工模拟堆石料，进行了常规三轴排水试验，研───────究了其强度和应力变形特性。对采用的钢珠本课题得到国家自然科学基金委员会、二滩水电开发有限责任公司雅砻江水电开发联合研究基金项目（项目批人工模拟堆石料，试验中不会发生颗粒的破准号：50639060）；高等学校博士学科点专项科研基金碎，同时由于钢珠颗粒为球形，其转动并不资助课题（项目批准号：20

6、060003040）的资助。-1-http://www.paper.edu.cn自由随机撒落到对开膜中，每两层用击锤击2.8σ3=1200kPa2.4实10下，所得试样的初始孔隙比e0=0.526。/MPa）32.0800kPa试样采用两层橡皮膜，里层厚0.8mm用σ-1σ1.6于试样的成形，外层厚2mm用于防渗。为1.2400kPa了防止橡皮膜刺穿，在两层橡皮膜间加设了0.8偏差应力（200kPa厚为3mm的橡皮板。0.4100kPa0对钢珠模拟料进行了5个围压力的常规02468101214三轴固结排水试验。试样剪

7、切到轴向应变轴向应变ε1/%σ=100kPa3ε1=15%时停止试验。5个围压分别为：-6200kPa-5σ3=100kPa、200kPa、400kPa、800kPa、/%εv-41200kPa。试验的剪切速率为0.62mm/min。400kPa-3体应变800kPa-22.试验结果及应力变形特性-11200kPa02468101214图2分别给出了钢珠模拟堆石料常规三轴向应变ε/%1轴固结排水试验偏差应力(σ1-σ3)和体积应变图2.常规三轴试验结果εv随轴向应变ε1的变化曲线。下面结合试验Fig.2Results

8、ofconventionaltriaxialtest结果讨论钢珠模拟堆石料的一些基本变形特性。在低压下σ3=100kPa时，试验最终的体在图2中的应力变形曲线上用小箭头标胀可达约6.5%，且在试验结束轴向应变达出了各围压下偏差应力首次出现峰值的位15%时，试样仍处于持续的剪胀过程中。值置。从试验结果可见，不论围压力的大小，得注意的是，应力变形曲