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河海学院硕士学位论文堆砂石流变特点研究姓名：****请学位级别：硕士专业：岩土工程指导班主任：**浩摘要摘要我国的高土石坝发展十分迅速，尤其是面板堆石坝以其突出的优点深受注重，在建的江西清江水布垭面板坝高达２３３ｍ，是目前世界最高的面板坝。我国从“七五”到“九五＂期间，结合东北口面板坝、天生桥一级面板坝、水布垭面板坝相继举办了一系列研究工作，在水坝填料特点、试验方式、数值剖析技术、反剖析方式、设计理论、施工技术等方面取得了大量研究成果。随着研究的进展和土石坝运行的经验与观测资料的积累，高土石坝的流变己成为坝工专家和工程师广泛关注而亟需深入研究的问题。堆砂石是土石坝的主要填料，其流变特点是土石坝流变研究的关键，但目前国外外对堆砂石流变特点的研究并不多，在这方面尚有好多问题须要阐述。本文结合北京水利科学研究院岩土所承接的项目“坝料流变及湿化的心墙堆石坝挠度应变有限元剖析理论和技巧研究”，在糯扎渡心墙堆石坝料的流变试验成果的基础上，研究堆砂石的工程特点，研究堆石的流变机理，研究堆砂石的流变量与时间的函数拟合关系，阐述堆石体流变的化学机理和影响堆石流变变型的主要诱因，构建一个高围压条件下的流变量估算改进模型。

从糯扎渡心墙堆石坝料角泥岩、花岗岩、泥质泥岩和心墙含砾土（掺砾３５％）４种坝料在不同挠度状态下的流变试验，得到如下推论：（１）坝料流变与自身性质有关，心墙土流变较堆砂石大，颗粒硬度低的堆砂石流变较颗粒硬度高的堆砂石大，饱和堆砂石的流变较风干堆砂石的流变大。就４种坝料而言，心墙土流变量较大，泥质泥岩次之，大理石再度之，角二叠纪最小。（２）最终容积流变与周围压力ｃｒ３和挠度水平Ｓ有关，在高围压下，最终容积流变与周围压力以和挠度水平为线性关系。最终剪切流变也与周围压力以和挠度水平Ｓ有关，在高围压下，最终剪切流变与围压为线性关系，与挠度水平为双曲线关系。（３）高围压下，流变与时间选用衰减曲线指数函数更合适。（４）通过本次试验得到四参数流变模型，对最终容积流变和最终剪切流变量改进。大坳面板堆石坝大坝内部原型观测资料结果表明，在回填到顶之后水坝仍然持续的沉降和发生水平位移，蓄水时因为水压力的作用内部变型发生比较显著的突变石料，蓄水后沉降和水平位移仍继续减小，大坳软岩堆石存在显著的流变变型。关键词：堆砂石流变特点流变机理流变试验流变模型原型观测羹重薹蓁萎羹鍪萋耋荤羹雾雾薹霎ｉｉｉ茎茎茎ｉ璧羹篓ｊｊ主茎监事垂奏茎主薹薹。

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国际上通过各类形式交流总结了修筑面板坝的经验和技巧，对于该坝型的技术与理论研究也取得了丰硕的成果。在建的江西清江水布垭面板坝高达２３３ｍ，是目前世界最高的面板坝。我国从“七五＂到“九五”期间，结合东北口面板坝、天生桥一级面板坝、水布垭面板坝相继举办了一系列研究工作，在水坝填料特点、试验方式、数值剖析技术、反剖析方式、设计理论、施工技术等方面取得了大量研究成果【ｌ卜１６Ｊ。随着研究的进展和土石坝运行的经验与观测资料的积累，高土石坝的流变己成为坝工专家和工程师广泛关注而亟需深入研究的问题。国外外的坝体实践已积累了许多土石坝的变型随时间发展的观测经验，也有土石坝因为堆砂石流变而殃及到安全运行。从已有的坝体沉降资料来看，完工之后的沉降通常占坝高的Ｏ．１％左右，其中相当一部份是因为作为防波堤填料的堆砂石流变造成刚１３Ｊ。俄罗斯的里苏（Ｌｅｓｕ）坝于１９７２建成，水闸运行２年后，右岸坝肩面板与趾板内形成明显相对位移，致使周边缝止水破坏，渗漏渐渐加强，满库运行４年后，紧靠左岸坝肩面板继续形成一系列裂纹【１６】。美国的塞沙那（Ｃｅｔｈ觚ａ）坝于１９７１建成后，运行１０年后仍在沉降。我国于１９８９年建成第一座面板堆石坝一东北口面板坝，１９９０年面板出现裂纹，经处理后，１９９１年９月水闸即将蓄水，蓄水运行满７年后，大坝仍有较大的变型形成【１３】。

成屏面板堆石坝运行３年后，变型才渐渐趋向稳定【１９１。从天生路面板坝的实际运行情况表明，蓄水后填土相继下沉量超过１ｍ。定陵电厂上池面板坝原型观测结果表明，在较长时间内堆石的沉降仍持续发展【２０１。堆砂石是土石坝的主要填料，其流变特点是土石坝流变研究的关键，但目前国外外对堆砂石流变特点的研究并不多，在这方面尚有好多问题须要阐述。第一章总论坚硬的块石砾石，在碾压时不易压碎，因此不易达到很高的密实度，但完工之后不易被自重和水载荷压碎，不会形成很大变型。懦弱的块石砾石，在碾压时容易压碎，可达到很高密实度，堆石孔隙率很小，故完工后在自重和水载荷作用下，也不会形成很大变型。饱和抗压硬度小于２５ＭＰａ的岩石均可作为堆石坝料，大于２５ＭＰａ的岩石可按软岩筑堤设计施工【２¨。ｌ＋３．２堆石的颗粒破碎堆石的颗粒破碎是指组成堆石的颗粒在受力（包括自重与外荷）作用下形成结构破坏或损毁，分裂成粒径相等或不等的多个颗粒。不同的材料其破碎挠度是不同的。堆石的颗粒是堆石特有的一种性质。因为颗粒破碎，致使其受力前后的骨料发生变化，因而使其化学热学性质发生变化，显著影响其硬度、变形和土体特点，同时也影响其鹾实特点。露前测度颗粒破碎的方法有三种：（１）Ｍａｒ：商【瑙建议用破碎率Ｂ。

来表征稽应压力下颗粒破碎的程度，其定义为试验前偌颗粒在曲线上各粒组浓度之差的诳值之和，酃魄＝∑（△畋）（１一１）△％＝％一％式中：％—试验翦骨料曲线上某粒径组的浓度；聆一试验后骨料曲线相同粒径组的浓度。他在对堆砂石进行大规模的试验后觉得，影响材料抗剪硬度与压缩特点最重要的诱因是当材料受力后挠度状态发生改变时而引发粒状材料颗粒本身的破碎。（２）槐树田等粒３１提出用堆石受荷前后的限制粒径之差来测度颗粒破碎程度。占矗＝ｄ印一ｄ∞，（１五）式中：‰—试验前后限制粒径变化差（ｎ埘）如一试验前的限制粒径（ｍｍ）九ｒ—试验后的限制粒径（ｍｍ）（３）Ｈ删ｎ（１９８５）【２４１在实验成果剖析的基础上，引入了破碎势的概念，破碎势是颗粒分布曲线与粒径ｄ＿Ｏ．０７４ｍｍ竖线所围的面积，试验前后颗粒分布曲线与粒径扣Ｏ．０７４瑚瑚竖线所围的面积，分别为初始破碎势占。ｉ和最终破碎势％，根据是粒径大于ｏ．０７４ｎｕｎ的细颗粒对颗粒的破碎影响不大，破碎量Ｅ为上河海学院硕士学位论文述两面积的差值，即Ｅ＝Ｂ∥一Ｂ∥（１－３）并再定义相对颗粒破碎率Ｂ，为破碎量乘以初始破碎势Ｂ耐之商，即Ｂｒ＝ＢｔｉＢ哺（、４）该法觉得颗粒破碎的可能性随颗粒粒径的减小而减小石料 河海大学硕士论文：高土石坝流变特性研究与面板堆石坝发展，在高挠度作用下大颗粒将破碎成粉粒，而粉粒则被觉得是不可继续破碎的。

他还定义了相对破碎率，这些引入相对破碎率的一个明显特征就是对于同一种材料，具有相同的颗粒形状和相对初始状况，沿同一路径加载，不同级配的试样相对破碎率基本相同。这可理解为相对破碎是材料的一种基本属性。对堆石进行三轴压缩试验表明，在加荷过程中因为颗粒破碎而改变骨料。堆石等粗粒料是由大小颗粒彼此充填而呈粒状结构的散粒体，颗粒间常为点接触，在自重和外力的作用下，在压实和剪切的过程中，虽然施加的能量和周围压力并不非常大，也很容易发生颗粒破碎。堆砂石的挠度．应变关系、抗剪硬度、变形特点和渗透特点等都与颗粒的破碎程度有关。沈珠江教授强调，堆砂石的剪缩性是影响面板堆石坝挠度的决定性诱因，而堆砂石的容积收缩主要是颗粒的棱角破碎所导致。Ｍａｒｓａｌ、郭庆国【２５】、柏树田和周晓光‘２６１等、郭熙列２７】和Ｈａｒｄｉｎ等都对堆砂石的颗粒破碎进行了研究，结果表明颗粒破碎同颗粒的大小与形状、颗粒本身硬度、颗粒骨料、粗粒料密度、受力情况等诱因有关。颗粒粒径越大，棱角越尖锐，颗粒本身硬度越低，颗粒骨料越均匀，密度愈小，有效主挠度比越大；围压越大，则颗粒越易破碎，但是破碎量越大。堆石颗粒破碎的过程就是堆砂石粗颗粒降低、细颗粒降低的过程，堆石颗粒的破碎须要消耗一部份能量，这种能量由外力做功所提供，破碎过程中，颗粒吸收的能量以声能、热能等方式耗散。

１．３．３堆石的骨料堆砂石的热学性质在很大程度上取决于坝料的骨料。采用骨料曲线及其特点粒径和骨料参数来表示颗粒骨料，堆石的骨料有两个显著的特征。第一，在受力条件下，因颗粒破碎，其骨料可变；第二，试验骨料常常不是原型骨料。试验骨料受试验条件的限制，需根据一定方式缩制处理，比如相像骨料法、等量替换法、剔除法或综合法等。为了表征堆石的骨料，一般，采用粗粒纯度只（即小于５ｍｍ颗粒的相对浓度）或颗粒加权平均粒径孑来表示骨料的粗细程度；以不均匀系数Ｃ。和曲率系４第一章总论数Ｃ。表示骨料的好坏。ｅ＝鲁ｃ。＝丧（１—５）（１．６）就骨料与工程性质（如干密度７ｄ）的关系来说，以只最密切，且有规律。但是，具有同样只的堆砂石，其孑、ｑ、ｅ值可能大不相同，因此７Ｊ也不同。为了综合地说明只与万的影响，１９８０年，司洪洋提出了一个同时包括只与孑的骨料指数，并命名为粗度系数，以Ｋ。表示嘲：疋＝私式中，以一粗细料的分界粒径，即５ｎＨｎ；（１．７）只一粗粒浓度，以小数计。上式表明，粗度系数以孑与ｄ，的比值为系数的粗料浓度的大小值，是一个综合地表征骨料粗细程度的系数。我国对粗粒土的分类，当Ｇ≥５，Ｃｃ＝１～３，则定为良好骨料砾（或堆石）ＧＷ，上述两指标有一项不满足，即为不良骨料砾（或堆石）ＧＰ。

优良骨料最好能符合或接近Ｔａｌｂｏｔ公式口１】ｐ＝㈢”∽８，胪Ｉｅｊ¨培’式中：ｒ大于粒径ｄ的颗粒重量百分率，以小数计；卜某估算粒径；‰一最大粒径；ｎ一指数，为Ｏ．２５～Ｏ．５，通常采用Ｏ．３～０．４为宜。１．３．４堆石的抗剪硬度堆石的抗剪硬度是面板堆石坝的基本性质之一。堆石作为一种散粒体结构，堆石的抗剪硬度就是：当其达到失稳状态时，一部份堆石相对于另一部份堆石沿某一分界面形成滑移破坏即剪切破坏，堆石抵抗外荷的能力。第一章总论然同时形成这两种磨擦。为此，假如可以应用叠加原理，则堆石的总内磨擦角缈≥纪。＋仍，可以说，这是对作为粒状材料的土或堆石抗剪硬度机理的通常叙述方式。而且，对于这种叙述，迄今存在着以下几种不同的看法。Ａ、泰勒觉得土层的抗剪硬度由二部份组成，一部份是颗粒的滑动和滚动磨擦提供的剪阻力——摩擦份量，与颗粒粗糙程度有关；另一部份是由颗粒间咬合作用造成的剪阻力——剪胀份量石料，与泥岩的松紧程度和颗粒的形状有关。对于紧砂，剪胀分量在它的硬度上将占明显比列。内磨擦角除了取决于磨擦份量，但是还取决于剪胀份量。Ｂ、罗威（ＲｏｗｅＰ．Ｗ．，１９６４）觉得，土层在低压力下的抗剪硬度有三个份量。即，颗粒间纯滑动磨擦提供的剪阻力；颗粒重新排列和重新定向所需的剪阻力；

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