胶凝砂砾石料剪胀特性试验_蔡新.pdf
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1、第 卷第 期 年 月河 海 大 学 学 报(自 然 科 学 版)():基金项目:国家重点研发计划();国家自然科学基金();南通市科技计划(,)作者简介:蔡新(),男,教授,博士,主要从事水工结构工程研究。:引用本文:蔡新,谢昕卓,杨杰胶凝砂砾石料剪胀特性试验河海大学学报(自然科学版),():,(),():胶凝砂砾石料剪胀特性试验蔡 新,谢昕卓,杨 杰(河海大学力学与材料学院,江苏 南京;南通大学交通与土工程学院,江苏 南通)摘要:为探究弹性和塑性对胶凝砂砾石料()应力应变特性的影响,建立了适用于 的剪胀方程,参考粗粒土或堆石料剪胀特性的研究方式开展了一系列不同掺量和围压下的三轴压缩试验、三轴
2、等向加卸载试验和三轴轴向加卸载试验,对 的剪胀特性进行了系统研究。试验结果表明:加载过程中弹性和塑性应变都不可忽略,在低围压下具有剪胀性,随着围压的增大逐渐向剪缩性过渡;由试验数据得到 的弹性体积应变和弹性剪应变,对比分析了考虑和不考虑弹性应变的 剪胀特性曲线,发现弹性应变对 剪胀特性影响较大,仅在高掺量、高围压、大应力条件下可以忽略弹性应变的影响;二次函数可以很好地描述 的剪胀特性。关键词:胶凝砂砾石料;三轴压缩试验;等向加卸载试验;剪胀性中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,;,):(),:;胶凝砂砾石坝是在坝址附近河床或山区就地取材的石料中添加少量的胶凝剂、水,经拌和后倒入施工仓面
3、,摊铺、碾压而成的一种新坝型,其筑坝材料 胶结砂砾石料()本质是一种超贫碾压混凝土,但跟常规碾压混凝土相比,具有施工工艺简单、造价低廉、加固方案对大坝填筑的正常施工干扰小等优点,因此,胶凝砂砾石坝是一种经济且环保的水工建筑物,在今后的水电工程建设中极具竞争性。目前,胶凝砂砾石坝或围堰在国内外已建成 余座。与国外相比,国内胶凝砂砾石坝的应用与研究起步相对较晚,但该筑坝技术已先后在福建洪口、云南功果桥、贵州沙沱、四川飞仙关等临时性围堰工程,以及山西守口堡大坝、顺江堰溢流坝等永久性工程中得到应用。然而胶凝砂砾石坝的结构设计主要是依据工程经验、土石坝或碾压混凝土坝等设计规范或标准完成的。为准确把握胶凝
4、砂砾石坝的结构性态,合理设计该坝型,部分学者尝试分析其力学特性,并修正其他岩土材料常用的本构模型,构建胶凝砂砾石料本构模型。第 期蔡 新,等 胶凝砂砾石料剪胀特性试验曹学兴等对 进行了抗压、抗折等强度特性试验,给出了该材料的胶凝掺量、含砂率、水胶比、集料级配等材料组分的参考取值。傅华等开展了不同掺量的胶凝砂砾石料动、静三轴剪切试验,研究了 的基本力学特征,获得了其力学特性随掺量变化的规律,同时探究了围压、固结应力和动应力对 动力残余特性的影响。蔡新等基于掺量 的 试验数据,获得了应力应变关系,推导了 剪切屈服方程和体积屈服方程,建立了适用于 的弹塑性本构模型。刘俊林等在 三轴试验数据的基础上,
5、建立了参数物理意义明确的六参数非线性弹性本构模型,并将模型用于坝高 的大坝有限元分析,取得了较准确的计算结果。剪切过程形变是岩土材料的重要特征,剪胀方程是岩土材料本构模型研究的热点和难点。自 提出 剪胀方程以来,国内外很多学者对剪胀问题进行了大量研究。等提出了 剪胀方程,并从能量角度对其进行分析;贺林林等以砂土剪切过程位移为参照,标定其抗剪强度;郭万里等对粗粒土的剪胀特性进行了研究;王占军等通过试验对堆石料的剪胀特性进行了研究;姜景山等开展了粗粒土大三轴试验,探究了粗粒土的剪胀特性;魏浩等通过试验,探究了级配对粗粒料力学特性的综合影响。目前 剪胀特性的研究大多参照堆石料剪胀特性的研究方式,直接
6、采用体积应变与剪应变增量比近似塑性体积应变增量与塑性剪应变增量比。但 是在堆石料基础上拌和胶凝剂,力学特性发生了较大的改变,是否可以沿用堆石料剪胀表达形式尚不清楚,需要进行进一步分析。为此,本文开展系列不同围压下 的三轴压缩试验、三轴等向加卸载试验和三轴轴向加卸载试验,研究不同试验条件下 的剪胀特性,并针对剪胀过程中弹性应变的影响进行探究。剪胀方程定义在土力学理论中,由剪切引起材料体积变化的特性称为剪胀性。剪胀方程定义为剪胀比 与应力比 的函数:,()()其中()()()()式中:,为塑性体积应变增量;,为塑性剪应变增量;,为弹性体积应变增量;,为弹性剪应变增量;为正应力;为剪应力;、为 个主
7、应力。在岩土材料的研究中,多忽略弹性变形的影响,认为剪胀比为总应变比值,即 ()式中:为体积应变增量;为剪应变增量。材料弹性体积应变满足以下关系:,()图 骨料级配曲线 式中 为体积模量。试验方法试验设备为南京水利科学研究院土工试验室的 型静、动力三轴试验仪。参照 土工试验规程,胶凝砂砾石料大型三轴压缩试验、三轴等向加卸载试验以及三轴轴向加卸载试验全部在该试验仪器上完成。依据 胶凝颗粒料筑坝技术导则,的胶凝剂采用海螺牌 普通硅酸盐水泥,水胶比取,细骨料为南京市场出售的中粗砂,粗骨料为南京市郊区的破碎石料。用于三轴试验的胶凝砂砾石料中砂占,石料占,砂砾石料级配如图 所示,骨料河 海 大 学 学
8、报(自 然 科 学 版)第 卷干密度为 。三轴试验试件采用直径、高 的模具制成,制备过程为:依据骨料级配要求筛选骨料;按 的材料组分掺量将胶凝剂、粗细骨料及水等材料混合并拌和均匀(图();将 分 层装入圆筒模具,每层分别采用振动碾振实,使试件成形(图();成形试件进行 养护。图 拌和料与成型试件 三轴压缩试验将试件分为 组,在围压、与 下饱和固结,完成后进行三轴固结排水剪切,轴应变到 或试样完全破坏时停止试验。在三轴轴向卸载 再加载试验过程中,试件用橡皮膜套住并吊装至试验仪器,注水使之充分饱和后施加围压。首先进行常规三轴固结排水剪切试验,当加载到设定的应力水平后,稳定 ,开始卸载,将轴向应力卸
9、载至,稳定 ,进行再加载试验。试验中卸载的应力水平分别设定为、。整个试验过程的应力卸载 再加载速率为 ,整个试验过程中进行 次加卸载操作。三轴等向加卸载试验是试件达到设定的养护时间后,用橡皮膜套住,吊装至三轴试验仪上,采用静水头法对试件进行饱和,饱和后对其各向均施加 进行固结,之后继续各向加载至预定围压值,稳定,卸载至,再稳定,继续加载至预定围压值,整个过程循环 次。预定围压值分别设定为、与。循环完成后结束试验。试验结果与分析 三轴压缩试验与三轴轴向加卸载试验图 为 三轴压缩试验与三轴轴向加卸载试验应力 应变曲线。图 说明 在加卸载过程中同时存在弹性和塑性应变,卸载之后再加载,其应力 应变曲线
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