浸水湿化和水位升降条件下堆石材料变形特性研究

发布时间：2020-05-04 11:32

【摘要】：对于高土石坝工程,填筑体变形控制是坝体设计和施工中的关键因素,也是攸关大坝安全的重要问题。大量工程实践证明,蓄水过程中坝体堆石料的浸水湿化变形和库水位升降变动过程因荷载循环所引发累积变形是土石坝运行过程中坝体变形的重要组成部分,对工程安全具有重大影响。随着国家水利水电开发和相关工程建设的不断发展,近期将有一批200m～300m级坝高的高土石坝工程开工建设,深入开展高土石坝变形机理的研究,具有重要的理论价值和工程实践意义。论文在深入分析以往研究成果的基础上,结合对高土石坝工程运行期实际工作状态和应力状态变化过程的研究,以室内试验研究为基础,考虑了多种影响因素,结合材料变形机理分析,研究了浸水湿化和水位升降两种条件下堆石材料的变形发展规律。研究成果为深入了解蓄水过程中坝体堆石料的浸水湿化变形和库水位升降变动过程因荷载循环所引发的累积变形的机理提供了基础,同时,也提升了对高土石坝工程建设与运行过程中相关关键技术问题的认识。论文的研究工作和主要成果如下:(1)针对堆石材料的湿化变形试验,通过大量的试验对比,研究、探讨了对湿化变形试验的稳定控制标准。研究中将单线法湿化试验的全过程分为三个阶段,提出了考虑材料受荷流变以及设备长历时稳定控制对试验的影响,并结合试验目标和试验效率制定适宜的变形稳定标准的总体思路。提出了堆石料湿化试验过程各阶段采用10分钟内平均轴向应变率不超过0.001%/min的变形稳定控制建议标准。(2)开展了以球应力和偏应力为试验应力条件的堆石材料湿化试验。通过研究认为该应力条件更能反映土石坝上游坝壳堆石材料在蓄水过程中应力状态的变化,也更易于以此建立湿化变形理论模型。研究得出:偏应力和球应力均对材料的湿化剪应变有影响,但球应力的影响程度相对较弱可以忽略。湿化体应变随球应力的增大呈幂函数的变化(增大)规律;对于相同的偏应力条件,湿化剪切应变随球应力的增大而减小,对于相同的球应力条件,湿化剪切应变随偏应力增大呈幂函数的增大规律。(3)开展了考虑多种影响因素的堆石材料湿化试验。采用了不同母岩材料、不同初始含水量和不同制样密度进行湿化试验研究。研究表明:母岩强度显著影响材料的湿化变形,对于相同应力条件,母岩强度高的材料湿化变形小;初始含水量显著影响材料的湿化变形,对于相同应力条件,湿化变形随着初始含水量的增大显著降低。制样密度会显著影响材料的湿化变形,对于相同的应力条件,试样密度在较低的范围内增加时,湿化变形量将随密度的增加而减小,而当试样密度过高时,制样过程造成过多的颗粒破碎造成细颗粒含量增加,导致湿化变形有一定程度的增加。(4)以球应力和偏应力试验研究为基础,将应力条件转化为围压力和应力水平的组合,比较两种应力组合条件下材料的湿化变形规律。研究表明:湿化体积应变和湿化剪切应变均与围压力和应力水平有关。对于相同的围压力,湿化体应变随应力水平的增大呈线性增大,湿化剪切应变随应力水平呈幂函数增大的规律;对于相同的应力水平,湿化体积应变随围压力增大呈线性增大规律,湿化剪应变随围压力的增大基本呈线性变化规律。此变形规律与以往的研究结论较为一致,由此可证明作者以球应力和偏应力为应力条件试验成果规律的正确性。(5)建立了以球应力和偏应力为变量的堆石料湿化变形计算模型。模型反映了湿化剪应变随着偏应力的增大呈幂函数增长的变化规律,同时也体现了球应力对湿化剪应变的影响,并反映了湿化体应变随着球应力的增大呈幂函数增长的变化规律。模型应力条件与实际蓄水过程中的应力状态较为符合,可较为便利地进行堆石材料湿化变形理论模型的开发和有限元计算分析。采用不同母岩材料、不同制样干密度以及不同初始含水量条件,以及其他研究者以往试验结果数据对所建立的湿化模型的试验验证,结果表明作者提出的湿化模型可以很好地反映堆石的湿化变形规律,证实了模型在多种条件下的良好适应性。(6)开展了偏应力恒定,球应力低速循环条件下的堆石材料变形特性试验研究。试验以初始有效球应力、初始偏应力以及球应力循环幅值为变量,得出以下基本规律:随着有效球应力的减小,试样体积变形表现为体积膨胀,随着有效球应力的增大,试样体积变形则表现为体积回缩,变化规律均可用指数函数关系式较好地模拟;随着有效球应力的减小,试样剪切变形随应力条件的不同而存在显著差异,或基本不变或有较大增长,变化规律亦可用指数函数关系式进行模拟。随着有效球应力的增大,试样剪切变形基本表现略有线性减小的特征;单个循环周次和多个循环周次后的体积应变向压缩方向发展。随着循环周次的增加,体积变形和剪切变形具有累积发展的趋势,但累积量值均趋缓。初始应力比值和球应力循环过程的动态应力比大小是影响循环变形发展的主要影响因素,且其对剪切应变的影响尤为显著。(7)分析球应力低速循环第1周次的剪应变变化规律,根据拟定的剪应变不同阈值,得出了材料的转折应力比值点,提出了“状态转折线”的概念。“状态转折线”可作为球应力循环过程中弹性变形和塑性变形的分界线,当试样应力状态处于状态转折线之内,不论初始应力条件的大小,在球应力循环过程中,剪应变量值较小,试样主要表现为弹性变形,且循环周次对剪应变的累积效应也不明显。当试样所受应力状态处于破坏线和“状态转折线”所围区域时,剪应变将发生突变,其变形趋势接近指数函数规律,由此产生较为显著的塑性变形,且循环周次对其累积剪应变的发展也较为明显。
【图文】：

土石坝,文献

随着库内水位升降变化，上游坝壳堆石材料的受力状态也将往复变化，，也将使得堆石体逡逑产生一定程度的变形，该部分变形可称之为水位变动引发的变形。逡逑Ｎｏｂａｒｉ和Ｄｕｎｃａｎ［２］曾将水库蓄水对土石坝状态的影响分为四个方面，见图１－１：（１）逡逑随着蓄水位提升，心墙上游侧横向拉力增大，使坝体产生向下游侧的变形；（２）水压力逡逑作用在高压缩性的上游地基上，使坝体形状发生变化；（３）蓄水后上游坝壳内的浮力使逡逑得上游坝壳内的有效应力降低；（４）上游坝壳内材料遇水湿化以及软化变形将使材料强逡逑度指标和弹性模量降低，并最终产生沉降变形。逡逑堆石材料湿化变形给土石坝工程带来严重影响的案例较多，比较有代表性的案例包逡逑括：委内瑞拉的埃尔伊西罗坝［３］，坝型为土质心墙砂砾料坝，上、下游区的坝壳材料均逡逑为含少量粘粒且级配好的砾质砂土，最大粒径约１０ｃｍ。蓄水后在下游坝坡发现了一条纵逡逑向裂缝。学者对该裂缝的形成原因进行了分析，最终认为是由于上游坝壳料初次蓄水湿逡逑化造成的局部湿陷所引起的。在其初次蓄水湿陷后

局部图,矿物分析,材料

该试验材料存在两种岩性，对该岩石样品制作了两个薄片（１＃薄片和２＃薄片）分别逡逑进行分析。其中１＃薄片肉眼观察：岩石呈黑灰色，晶屑岩屑熔结凝灰结构，层状构造，逡逑硬度高；镜下观察显示该岩石具岩屑晶屑凝灰结构（见图２－１邋（ａ）），定向构造；岩石由逡逑晶屑（４４％？４６％）、岩屑（１０％？１１％）、小于０．０５ｍｍ火山尘（２８％？３２％）及一些陆源逡逑碎屑（１４％？１６％）构成。其中晶屑呈棱角状、次棱角状，粒径０．０５ｍｍ？０．３０ｍｍ，由石逡逑英、钾长石、斜长石、白云母组成。石英为碎镰刀状（玻屑脱玻）、次圆状和次棱角状；逡逑钾长石可见泥化、碳酸盐化；斜长石可见聚片双晶，可见碳酸盐化、绢云母化；白云母逡逑片状，干涉色鲜艳，平行消光。岩肩为次棱角状、次圆状，主要为燧石岩屑，其次为安逡逑山质岩屑，粒径0．0５ｍｍ？０．６５ｍｍ。火山尘为小于０．０５ｍｍ的各种碎屑，可见碳酸盐化，逡逑局部}y云母化。陆源碎屑为圆状、次圆状，由长石、石英、及少量不透明矿物和电气石逡逑组成，粒径０．０５ｍｍ？０．５０ｍｍ。逡逑ＭＵ逡逑（ａ）邋１＃薄片局部图逦（ｂ）邋２＃薄片局部图逡逑图２－１邋１＃材料矿物分析典型图逡逑２＃薄片肉眼观察：岩石呈灰黑色，隐晶结构，板状构造，硬度中等。镜下观察显示逡逑岩石具变余凝灰质细粉砂结构（见图２－１邋（ｂ））
【学位授予单位】：中国水利水电科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TV41

【参考文献】