缩尺效应对粗颗粒土静止侧压力系数影响规律试验_蒋明杰.pdf
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1、水利与土木工程DOI:10.15961/j.jsuese.202101107缩尺效应对粗颗粒土静止侧压力系数影响规律试验蒋明杰1,2,3,朱俊高3,张小勇1,2*,梅国雄1,2,赵辰洋4(1.广西大学 工程防灾与结构安全教育部重点实验室,广西 南宁 530004;2.广西大学 广西防灾减灾与工程安全重点实验室,广西 南宁 530004;3.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏 南京 210098;4.中山大学 广东省海洋土木工程重点实验室,广东 珠海 510275)摘要:准确把握粗颗粒土静止侧压力系数K0对分析及设计土石坝等岩土工程具有十分重要的作用。由于缩尺效应的存在,粗颗粒土
2、室内K0试验结果往往无法正确反映其真实值。本文利用自行研制的大型K0测试仪对某砂卵砾石料及堆石料进行大量试验,以研究分析缩尺效应对粗颗粒土K0影响规律,找出消除缩尺效应影响的方法。通过改变试样颗粒的最大粒径dM、缩尺方法、初始相对密实度Dr0等初始条件,设置24组试样,利用大型K0测试仪对各组试样进行直剪试验,定量研究dM、缩尺方法和Dr0对粗粒土K0的影响规律,并探讨以室内试验数据推求现场粗粒土K0,从而消除缩尺效应的方法。结果表明:Dr0及缩尺方法不变时,粗颗粒土K0随着dM的增加而显著减小,因此,缩尺效应会导致粗颗粒土K0显著增高,且缩尺后土料dM越小,其K0受影响程度越高;Dr0及dM
3、相同时,缩尺方法对粗颗粒土K0有一定影响,采用等量替代法缩尺后,试样K0值增加最小,因此,采用等量替代法缩尺可减小缩尺效应对粗颗粒土K0的影响;相比dM,Dr0对粗粒土K0的影响更为显著,Dr0越大的土样,dM对粗粒土K0影响更明显。基于砂卵砾石料K0试验结果及前人的研究,建立根据室内试验结果反推现场粗颗粒土料K0的公式,以消除缩尺效应对粗颗粒土K0的影响。利用堆石料K0试验结果验证了该经验公式的准确性及适用性。关键词:粗颗粒土;静止侧压力系数;缩尺效应;颗粒最大粒径;缩尺方法;相对密实度中图分类号:TU443文献标志码:A文章编号:2096-3246(2023)02-0259-08Exper
4、imental Investigation on Scale Effect of the At-rest Earth Pressure Coefficient of Coarse-grained SoilJIANG Mingjie1,2,3,ZHU Jungao3,ZHANG Xiaoyong1,2*,MEI Guoxiong1,2,ZHAO Chenyang4(1.Key Lab.of Disaster Prevention and Structural Safety of Ministry of Education,Guangxi Univ.,Nanning 530004,China;2.
5、Guangxi Key Lab.of Disaster Prevention and Structural Safety,Guangxi Univ.,Nanning 530004,China;3.Key Lab.of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Eng.,Hohai Univ.,Nanjing 210098,China;4.Key Lab.of Oceanic Civil Eng.,Sun Yat-sen Univ.,Zhuhai 510275,China)Abstract:The accurate measure
6、ment of the at-rest earth pressure coefficient K0 for coarse-grained soil is important in the analysis and design ofgeotechnical engineering such as the earth rockfill dam.The laboratory K0 test results of the coarse-grained soil usually cannot accurately reflectits K0 value due to scale effects.To
7、investigate the scale effect of K0 for coarse-grained soil,and propose a method to eliminate its influence,sev-eral K0 tests for the sandy gravel and the rockfill were performed by using a special large-size K0 testing apparatus.By changing the maximumgrain size dM,scale method,and relative density
8、Dr0,24 groups of specimens were designed.K0 tests for all specimens were conducted by a large-size K0 apparatus,to quantitatively study the multiple influences of dM,scale method and Dr0 on the K0 of coarse-grained soils,and investigate themethod that can predict the K0 behavior of sandy gravel in s
9、itu based on the laboratory test results and eliminate the influence of scale effects on收稿日期:2021 11 03基金项目:国家自然科学基金项目(51878185;52178321;52108309);国家自然科学基金委员会雅砻江流域水电开发有限公司雅砻江联合基金(U1865104);长江水科学研究联合基金重点支持项目(U2040221);广西防灾减灾与工程安全重点实验室开放基金资助项目(2020ZDK003);广东省海洋土木工程重点实验室开放基金资助项目(LMCE202103)作者简介:蒋明杰(199
10、0),男,副教授.研究方向:土体基本性质;土石坝工程.E-mail:*通信作者:张小勇,E-mail:网络出版时间:2022 07 26 16:08:22 网络出版地址:https:/ http:/http:/ 第 55 卷 第 2 期工 程 科 学 与 技 术Vol.55 No.22023 年 3 月ADVANCED ENGINEERING SCIENCESMar.2023K0.The test data show that:when the scale method and Dr0 are the same,K0 for coarse-grained soil trend to decre
11、ase observably with increasingdM,therefore scale effect results in the obvious increasing value of K0 for coarse-grained soil,and the smaller dM for reducing scale soil,thestronger influence of scale effect on its K0;Scale method have some influence on K0 for coarse-grained soil with the same dM and
12、 Dr0,and the in-creasing value of K0 for test specimens prepared by replacement technique is the least,therefore adopting the replacement technique to preparetest specimen can reduce the influence of scale effect on K0 for coarse-grained soil;Compared with dM,Dr0 have a stronger influence on K0 forc
13、oarse-grained soil,and the larger Dr0,the stronger influence of dM on K0 for coarse-grained soil.Based on the K0 test data of sandy gravel andprevious research results,an empire equation,which could predict the K0 behavior of sandy gravel in situ based on the laboratory test results,wasproposed to e
14、liminate the influence of scale size on K0 for coarse-grained soil.Furthermore,the accuracy and applicability of the empire equationwere verified by the K0 test data of the rockfill.Key words:coarse-grained soil;at-rest earth pressure coefficient;scale effect;maximum grain size;scale method;relative
15、 density 土体静止侧压力系数K0是土体重要的状态参数,可表示为:K0=hv(1)v式中,h与分别表示作用于无侧向变形土体上的有效水平应力与有效竖向应力。由于土体力学特性本质上取决于其应力状态,因此准确把握土体初始应力状态对分析及设计土石坝等工程十分重要。在工程实践中,一般根据土体容重及埋置深度确定某一土层所受竖向应力,再利用竖向应力及土体K0值计算出土体水平应力,从而确定土体初始应力状态。事实上,在不少工程设计中,如土石坝工程、大规模填海工程及重载铁路路基等,粗颗粒土常常用作填筑材料,准确把握粗颗粒土K0对土方工程的分析及设计意义重大1。因此,深入研究粗颗粒土K0有重要的工程意义和理论
16、价值。实际工程中,粗颗粒土颗粒的最大粒径能够达到8001 200 mm2,由于室内仪器尺寸限制,在对粗颗粒土进行室内试验前,需对其原始级配进行缩尺。不论采取哪种缩尺方法,缩尺后土料的物理力学性质与原始级配土料都会存在差异,这种现象称之为缩尺效应。目前,对粗颗粒土缩尺效应的研究主要集中在通过探讨缩尺后替代料与原级配料的物理力学指标之间的关系,从而基于替代料室内试验结果预测原级配料的物理力学性质3。郦能惠等4利用相似级配法缩尺,基于大量替代料的三轴试验结果,提出估算原始级配粗粒料力学参数及本构模型参数的方法;BagherzadehKhalkhali等5结合替代料室内三轴试验及离散元数值试验,研究了
17、缩尺效应对粗颗粒土应力变形的影响;赵娜等6基于分形理论研究了缩尺效应对土样最大干密度的影响;苏海健等7基于室内巴西劈裂抗拉强度试验,研究了缩尺效应对红砂岩抗拉强度的影响;胡峰等8基于大型直剪试验研究了缩尺效应对土石混合体关键剪切带变形特征的影响;王永明等9利用PFC2D软件研究缩尺效应对粗颗粒土的干密度极值、初始弹性模量及体积模量等关键物理量的影响;李毓等10利用数值模拟软件开展直剪试验,分析级配变化对土体抗剪强度指标的影响规律,并提出新的级配评价指标;朱晟等11利用大尺寸密度桶试验,探讨了干密度缩尺效应对于室内缩尺试验的制样标准及现场压实质量评价的影响;孔宪京等12利用超大型及常规大型三轴试
18、验,研究了缩尺效应对粗颗粒土应力应变关系,以及颗粒破碎等物理性质的影响规律;Wu等1314利振动压实试验,研究了最大粒径和级配结构对粗粒料压实密度的影响,并建立了考虑缩尺效应的粗粒料压实密度的预测模型;武利强等15通过系列大三轴试验研究了缩尺效应对堆石料内摩擦角、初始切线模量和体积模量的影响规律;王峰等16提出一种新的实时预测原型坝料破碎的方法;魏然等17以接触变形理论为基础,从粒径尺度、试件尺度,以及外部影响因素的角度,结合试验方法对筑坝料变形特性的缩尺效应开展了研究,并建立了多尺度统一修正模型;Ai等18利用SEPOHM和FLAC建立了三轴仿真模型,探讨了缩尺效应粗粒材料部分力学特性的研究
19、规律。综上,目前国内外学者通过室内试验和计算机仿真试验对缩尺后替代料和原级配料的力学特性之间的关系进行了大量研究,但是由于仪器的限制19,涉及粗颗粒土K0缩尺效应方面的研究极少。本文利用新近研制的大型K0测定仪,对某砂卵砾石料进行K0试验;基于试验结果,研究缩尺效应对粗颗粒土K0的影响规律,并寻找减小乃至消除缩尺效应影响的方法。1 试验方案试验采用河海大学研制的大型K0试验仪,该仪器可对包括粗颗粒土在内的大部分类型的土体进行试验,其试样加载压力最大可达2 MPa。该仪器基本结构与单向压缩固结仪类似,如图1所示。有关其工作原理及可靠性分析参考文献1920。260工程科学与技术第 55 卷试样取自
20、如美坝的堆石料及茨哈峡面板坝的砂卵砾石料。由于堆石料及砂卵砾石料的原级配土料颗粒最大粒径dM分别为600及100 mm,为满足试验尺寸要求,采用混合法21对原级配堆石料进行缩尺;采用剔除法22、等量替代法23及相似级配法243种方法对原级配砂卵砾石料进行缩尺。缩尺后的试验用料依次用H、T、D及X表示,针对每种缩尺方法都制备dM分别为60、40、20和10 mm的4个试样。试验采用高30 cm、直径40 cm的风干样。制样时,根据试样尺寸、级配和初始干密度均匀配置3份土料。然后,将配好的3份土料逐层倒进试样筒,土料倒进试验筒后不进行压实,只进行整平;由于最小干密度试验结果与各试样初始干密度相差不
21、到1%,各试样相对密实度Dr0可视为0。为进一步探讨相对密实度对试验结果的影响,再分别取H10、H20、H40、H60及D10、D20、D40、D60土料,分3等份逐层填进试样筒,且填完每层土都以振动压实器将每层土料压实到控制密度,保证这批试样中堆石料和砂卵砾石料相对密实度Dr0分别达到0.7及0.8。试验用料编号规则为:以剔除法得到的试样土料的缩尺粒径为40和10 mm,编号为T40和T10,其他以此类推;采用混合法和等量替代法缩尺后压实的试样,在原编号后加“Y”。利用各方法缩尺后所得土料的级配及各试样相对密实度Dr0与初始干密度0见表1。2 试验结果分析v基于K0试验结果,整理了加载阶段H
22、10、H20、H40、H10Y、H20Y、H40Y、T10、T20、T40,X10、X20、X40,D10、D20、D40、D10Y、D20Y、D40Y的K0随竖向应力的演化规律,如图2中离散点所示。vvvv图2表明:对粗颗粒土K0有较大影响,各试样K0都随着增加而减小;既往文献2528的K0试验结果显示了与本文相似的K0系数变化规律。因此,建立粗颗粒土K0与的关系式有重要理论价值。朱俊高等29根据粗颗粒土K0试验,推导出粗颗粒土K0关系式,即:K0=K0max+K0minv/pav/pa+1(2)表 1土料及试样基本性质Tab.1 Basic property of tested soil
23、and specimens 试样Dr00/(gcm3)粒组含量/%6040mm4020mm2010mm105mm5 mmH6001.717.623.818.411.728.5H4001.631.624.415.528.5H2001.543.727.928.5H1001.471.528.5T6002.115.721.116.310.436.4T4002.025.119.412.443.2T2002.025.916.557.7T1001.922.277.7D6002.017.623.818.411.728.5D4002.031.624.415.628.5D2001.943.727.928.5D10
24、01.971.528.5X6002.018.321.014.212.334.2X4002.027.618.913.739.8X2001.927.618.553.9X1001.827.672.4H60Y 0.72.417.623.818.411.728.5H40Y 0.72.431.624.415.628.5H20Y 0.72.343.727.928.5H10Y 0.72.171.528.5D60Y 0.82.117.623.818.411.728.5D40Y 0.82.931.624.415.628.5D20Y 0.82.343.727.928.5D10Y 0.82.271.528.5 131
25、298111106312910138765211434114(a)仪器结构示意图(b)实物图1.底座;2.底板;3.压重传感器;4.钢珠;5.下传力板;6.试样筒;7.上传力板;8.加压盖板;9.加压板;10.拉压力传感器;11.位移传感器;12.荷载传感器;13.加载架;14.加载油缸图 1试验仪器示意图Fig.1Schematic of experimental setup 第 2 期蒋明杰,等:缩尺效应对粗颗粒土静止侧压力系数影响规律试验261式中:pa为标准大气压强,本文取0.1 MPa;K0min及K0max分别表示竖向应力为和0时的K0系数。利用式(2)对加载阶段不同缩尺方法的试验
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