CN110243681A - 一种粗粒料原位载荷试验确定颗粒破碎率的方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于水利水电工程领域，特别涉及一种粗粒料原位载荷试验确定颗粒破碎率的方法及应用。本发明基于原位载荷试验进行破碎率确定，由于是现场试验，粗粒料级配、尺度等均与实际一致，判断方法更符合实际情况；本发明通过初判、复判确定粗粒料破碎的范围，方法更为精确，可为高土石坝建设提供精准依据；本发明充分利用了复合土工膜的延展性，既可以有效传递接触荷载，又可以包裹粗粒料限定范围，确保了前后颗粒分析试验条件的一致，达到精确检测的目的；本发明除了反映粗粒料原位载荷试验高压作用下的颗粒破碎外，也可以考虑分层碾压过程中，粗粒料在大荷载高频振动碾压机作用下，颗粒破碎程度的影响，故更能精确反映实际最终颗粒破碎率。

Description

一种粗粒料原位载荷试验确定颗粒破碎率的方法及应用

技术领域

本发明属于水利水电工程领域，特别涉及一种粗粒料原位载荷试验确定颗粒破碎率的方法及应用。

背景技术

近年来，我国水利水电工程建设中，土石坝工程建设向着高、大趋势发展，建设高度越来越高，从传统200米级已发展到300米级，填筑方量也越来越大。随之，高土石坝建设的填筑材料选取原则、填筑标准、变形特性、宏细观破坏机理、渗流机制及对应的试验方法等技术难点、科学问题已成为现今关注的焦点。

其中，粗粒料作为填筑的主要材料，其在高压作用下的颗粒破碎及带来的工程技术问题越来越突出，主要表现在以下几个方面：

(1)由于土石坝坝体填筑越来越高，其竖向压力及围压量级与传统低坝发生根本性变化，以250米级土石坝为例，坝底部竖向压力超过6MPa，在高压作用下，颗粒破碎率与传统低坝相比会发生质的变化；

(2)由于粗粒料料源场地的差异，粗粒料母岩岩性、颗粒级配和几何形状差异性较大，不同岩性、不同级配、不同棱角形状的颗粒在高压作用下，破碎程度和破碎率差异较大；

(3)粗粒料颗粒之间的接触包括点与面、点与点、面与面等方式，在高压压实和剪切作用下，较容易发生颗粒破碎；

(4)颗粒破碎后，对于土石坝而言，颗粒间骨架会发生本质改变，破碎后的颗粒会充填到大颗粒孔隙中，整体体积减小，产生大的附加变形，或者颗粒破碎后，在高围压作用下产生剪胀现象或应力集中现象，影响坝体结构的整体安全稳定和变形。

鉴于此，需针对性地研究高压作用下，粗粒料破碎率的精确确定方法，对于高土石坝确定方案可行性、设计分析、安全评估及保证工程质量意义重大。

颗粒破碎问题，主要依据颗粒破碎前后的级配曲线，对颗粒破碎前状态和破碎后状态进行颗粒分析评价，根据各粒径分布的差异比值，获取颗粒破碎率。然而，目前存在诸多问题亟待解决：

(1)针对颗粒破碎率，传统方法往往采取室内试验评价分析，缺乏采取原位载荷试验分析评价的方法。由于粗粒料颗粒大小限制、室内试验和原位试验尺寸效应问题，现场试验更能反映真实情况。而且根据要求，针对粗粒料需要开展多组原位载荷试验，以评价其载荷变形情况，如何利用原位载荷试验，进行粗粒料颗粒破碎率的评价分析值得大力开发；

(2)原位载荷试验完成后，将载荷板下全部粗粒料开挖进行颗粒分析试验不现实，为精确获取颗粒破碎率，针对某类岩性的粗粒料，如何预估该岩性粗粒料的破坏应力条件，及如何评判、确定粗粒料的颗粒分析试验范围，是精确评估颗粒破碎率的关键因素；

(3)为了获取精确的颗粒破碎率，需要保证载荷试验前后，颗粒分析的颗粒范围和数量条件一致，即原位载荷试验加载前后，如何采取措施达到这一技术目标也较为重要；

(4)由于粗粒料在填筑过程中是分层碾压的，且在大荷载高频振动碾压机作用下，颗粒破碎程度影响也相当大，碾压过程中的颗粒破碎目前尚无相关技术能够检测，此部分因素对工程判定影响较大，也需要重点关注。

发明内容

本发明提供了一种粗粒料原位载荷试验确定颗粒破碎率的方法及应用，目的在于提供一种更符合实际情况的精确确定颗粒破碎率方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种粗粒料原位载荷试验确定颗粒破碎率的方法，包括如下步骤

步骤一：填筑前的颗粒分析试验

对现场粗粒料，进行填筑前的颗粒分析试验，确定各粒径含量；

步骤二：初步选定颗粒破碎发生的范围

模拟原位载荷试验过程，根据终止压力时得到的压应力分布曲线，参照粗粒料母岩极限抗压强度，初步选定颗粒发生颗粒破碎的应力上限、应力下限及深度；

步骤三：颗粒破碎范围复判

根据步骤二初步选定的颗粒破碎的应力上限、应力下限及深度，将应力计埋设在颗粒发生破碎应力上限分布曲线以上、破碎应力下限分布曲线以下和两界限曲线之间的粗粒料中，并监测加载过程中应力变化，进一步确定颗粒破碎范围；

步骤四：原位载荷试验

在其它要进行原位载荷试验的点位，将粗粒料用复合土工膜包裹，根据步骤三确定的颗粒破碎范围，开展原位载荷试验；

步骤五：获取原位载荷颗粒试验数据

步骤四的原位载荷试验完毕后，通过将复合土工膜所包裹粗粒料取出，进行粗粒料的颗粒分析试验，获得经过载荷试验加载、颗粒破碎后的各粒径含量；

步骤六：对比分析

将步骤五获取的原位载荷试验中的颗粒试验数据与步骤一现场粗粒料的各粒径含量进行对比，获得各粒径含量差值百分比，将各差值百分比进行累加，得到粗粒料颗粒破碎率。

所述的步骤二中颗粒破碎应力上限分布曲线和破碎应力下限分布曲线的获取通过如下方式得到：利用有限元数值模拟分析方法，建立粗粒料模型，采用摩尔库伦本构模型和室内试验得到的物理力学参数，设定逐步荷载施加于边界，真实模拟原位载荷试验过程，根据终止压力时计算得到的破碎应力上限分布曲线和破碎应力下限分布曲线，参照粗粒料母岩极限抗压强度，初步选定颗粒发生颗粒破碎的应力上限和应力下限。

所述的步骤三中的应力计布置不少于3组，每组应力计颗粒破碎的应力上限和下限设置个数不少于3个。

所述的不少于3组的应力计呈圆形阵列布设，包络应力破碎范围。

所述的3个应力计分别在破碎应力上限分布曲线上限界线以上布置一个、破碎应力下限分布曲线下限界线以下布置一个、上限界线与下限界线之间布置一个。

所述的步骤四中的原位载荷试验是根据步骤三确定的颗粒破碎范围，在分层碾压填筑过程中，利用复合土工膜包裹粗粒料行分层碾压填筑，碾压填筑完毕后，安装载荷板，并逐级施加荷载而进行的。

一种粗粒料原位载荷试验确定颗粒破碎率的方法在高土石坝建设可行性、设计分析及安全评估中的应用。

本发明的有益效果：

(1)本发明基于原位载荷试验开展破碎率确定工作，由于是现场试验，粗粒料级配、尺度等均与实际一致，判断方法更符合实际情况；

(2)本发明通过初判、复判确定粗粒料破碎的范围，方法更为精确，可为高土石坝建设提供精准依据；

(3)本发明充分利用了复合土工膜的延展性，既可以有效传递接触荷载，又可以包裹粗粒料限定范围，确保了前后颗粒分析试验条件的一致，达到精确检测的目的；

(4)本发明由于采用包裹的粗粒料进行颗粒分析试验，除了反映粗粒料原位载荷试验高压作用下的颗粒破碎外，也可以考虑分层碾压过程中，粗粒料在大荷载高频振动碾压机作用下，颗粒破碎程度的影响，故更能精确反映实际最终颗粒破碎率。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明流程图；

图2本发明物理力学模拟分析的应力分布曲线示意图；

图3是本发明原位载荷试验应力计布置立面示意图；

图4是本发明原位载荷试验应力计布置平面示意图；

图5是本发明原位载荷试验复合土工膜布置立面示意图。

图中，1-粗粒料；2-模拟分析的约束边界；3-载荷板；4-施加荷载；5-破碎应力上限分布曲线；6-破碎应力下限分布曲线；7-分层碾压填筑；8-应力计；9-复合土工膜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

根据图1-5所示的一种粗粒料原位载荷试验确定颗粒破碎率的方法，包括如下步骤

步骤一：填筑前的颗粒分析试验

对现场粗粒料1，进行填筑前的颗粒分析试验，确定各粒径含量；

步骤二：初步选定颗粒破碎发生的范围

模拟原位载荷试验过程，根据终止压力时得到的压应力分布曲线，参照粗粒料1母岩极限抗压强度，初步选定颗粒发生颗粒破碎的应力上限、应力下限及深度；

步骤三：颗粒破碎范围复判

根据步骤二初步选定的颗粒破碎的应力上限、应力下限及深度，将应力计8埋设在颗粒发生破碎应力上限分布曲线5以上、破碎应力下限分布曲线6以下和两界限曲线之间的粗粒料1中，并监测加载过程中应力变化，进一步确定颗粒破碎范围；

步骤四：原位载荷试验

在其它要进行原位载荷试验的点位，将粗粒料1用复合土工膜9包裹，根据步骤三确定的颗粒破碎范围，开展原位载荷试验；

步骤五：获取原位载荷颗粒试验数据

步骤四的原位载荷试验完毕后，通过将复合土工膜9所包裹粗粒料1取出，进行粗粒料1的颗粒分析试验，获得经过载荷试验加载、颗粒破碎后的各粒径含量；

步骤六：对比分析

将步骤五获取的原位载荷试验中的颗粒试验数据与步骤一现场粗粒料1的各粒径含量进行对比，获得各粒径含量差值百分比，将各差值百分比进行累加，得到粗粒料1颗粒破碎率。

在实际使用时，步骤一的填筑前的颗粒分析试验，是利用现有技术对现场的粗粒料1进行填筑前的常规颗粒分析试验，具体依据现行行业规范进行。它是采用一套孔径大小不同的标准筛来分离一定量的代表性颗粒中与筛孔径相应的粒组，通过天平称量，得其各粒组的相对含量。确定各粒径含量，作为评价粗粒料1颗粒破碎率的前置条件。

步骤二初步选定颗粒破碎发生的范围，模拟粗粒料1，设置模拟分析的约束边界2，模拟原位载荷试验的载荷板3，通过施加荷载4，应用现有技术的数值模拟分析方法，确定粗粒料应力分布规律。模拟原位载荷试验过程，根据终止压力时得到的压应力分布曲线，参照现有技术粗粒料1母岩的极限抗压强度，初步选定颗粒发生颗粒破碎的应力上限、应力下限及深度。初步选定颗粒发生颗粒破碎的应力上限和应力下限，即应力上下限曲线能够包络住粗粒料1母岩的极限抗压强度，当应力值大于粗粒料母岩极限抗压强度时颗粒即会发生破碎，此时可以初步确定会产生颗粒破碎的范围。

步骤三颗粒破碎范围复判是根据应力计在原位载荷试验实施过程中所监测到的应力值，对比粗粒料母岩的极限抗压强度值，验证结合步骤二初判范围，来一步确定颗粒破碎发生的精确范围的。

本发明基于原位载荷试验进行破碎率确定，由于是现场试验，粗粒料级配、尺度等均与实际一致，判断方法更符合实际情况；本发明通过初判、复判确定粗粒料破碎的范围，方法更为精确，可为高土石坝建设提供精准依据；本发明充分利用了复合土工膜的延展性，既可以有效传递接触荷载，又可以包裹粗粒料限定范围，确保了前后颗粒分析试验条件的一致，达到精确检测的目的。

实施例二：

根据图1-2所示的一种粗粒料原位载荷试验确定颗粒破碎率的方法及应用，与实施例一不同之处在于：所述的步骤二中颗粒破碎应力上限分布曲线5和破碎应力下限分布曲线6的获取通过如下方式得到：利用有限元数值模拟分析方法，建立粗粒料模型，采用摩尔库伦本构模型和室内试验得到的物理力学参数，设定逐步荷载施加于边界，真实模拟原位载荷试验过程，根据终止压力时计算得到的破碎应力上限分布曲线5和破碎应力下限分布曲线6，参照粗粒料母岩极限抗压强度，初步选定颗粒发生颗粒破碎的应力上限和应力下限。

在实际使用时，利用有限元数值模拟分析方法，建立粗粒料模型，采用摩尔库伦本构模型，依据国家现行规范《岩土工程勘察规范》(GB50021)、《土工试验方法标准》(GB/T50123)等标准，通过密度试验、剪切试验、压缩试验等，结合判定获得密度、泊松比、模量、抗剪强度等物理力学指标，设定逐步荷载施加于边界，真实模拟原位载荷试验过程，根据终止压力时计算得到的破碎应力上限分布曲线5和破碎应力下限分布曲线6，参照粗粒料母岩极限抗压强度，初步选定颗粒发生颗粒破碎的应力上限和应力下限。

采用本发明的技术方案，通过现有的电脑有限元模拟技术，初定粗粒料大概发生破碎的范围，根据粗粒料母岩强度和应力分布曲线，可以大幅度缩小判定范围，成本小、速度快。

实施例三：

根据图3和图4所示的一种粗粒料原位载荷试验确定颗粒破碎率的方法及应用，与实施例一不同之处在于：所述的步骤三中的应力计8布置不少于3组，每组应力计颗粒破碎的应力上限和下限设置个数不少于3个。

优选的是所述的不少于3组的应力计8呈圆形阵列布设，包络应力破碎范围。

优选的是所述的3个应力计分别在破碎应力上限分布曲线5上限界线以上布置一个、破碎应力下限分布曲线6下限界线以下布置一个、上限界线与下限界线之间布置一个。

在实际使用时，通过不少于3组应力计实测，进一步确定应力范围，以最小数量框定复判出空间位置，结合模拟初判的范围，确定精确范围，效率高、成本低，操作快捷。

实施例四：

根据图5所示的一种粗粒料原位载荷试验确定颗粒破碎率的方法及应用，与实施例一不同之处在于：所述的步骤四中的原位载荷试验是根据步骤三确定的颗粒破碎范围，在分层碾压填筑7过程中，利用复合土工膜9包裹粗粒料1行分层碾压填筑7，碾压填筑完毕后，安装载荷板3，并逐级施加荷载4而进行的。

在实际使用时，在其他要进行原位载荷试验的点位，结合最终选定的范围，在分层碾压填筑7过程中，利用复合土工膜9包裹粗粒料1进行分层碾压填筑7，碾压填筑完毕后，安装载荷板3，并逐级施加荷载4，开展原位载荷试验。原位载荷试验完毕后，通过将复合土工膜9所包裹粗粒料1取出，进行粗粒料1的颗粒分析试验，获得经过载荷试验加载，颗粒破碎后的各粒径含量，以此与第一步现场粗粒料1的各粒径含量进行对比，获得各粒径含量差值百分比，将各差值百分比进行累加，得到粗粒料1的颗粒破碎率。

本发明采用柔性复合土工膜可以包裹精确范围，以在原位碾压施工和载荷试验过程中，即颗粒破碎前后均在包裹范围内进行，前置条件保障一致，可以更加精准测试颗粒破碎率。

实施例五：

一种粗粒料原位载荷试验确定颗粒破碎率的方法在高土石坝建设可行性、设计分析及安全评估中的应用。

在实际使用时，将粗粒料级配、尺度等均与实际一致且采用的是现场试验，所获取的颗粒破碎率的精确值，用于高土石坝确定方案可行性、设计分析及安全评估的等及保证工程质量意义重大。本发明通过初判、复判确定粗粒料破碎的范围，方法更为精确，可为高土石坝建设提供精准依据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

在不冲突的情况下，本领域的技术人员可以根据实际情况将上述各示例中相关的技术特征相互组合，以达到相应的技术效果，具体对于各种组合情况在此不一一赘述。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种粗粒料原位载荷试验确定颗粒破碎率的方法，其特征在于：包括如下步骤

步骤一：填筑前的颗粒分析试验

对现场粗粒料(1)，进行填筑前的颗粒分析试验，确定各粒径含量；

步骤二：初步选定颗粒破碎发生的范围

模拟原位载荷试验过程，根据终止压力时得到的压应力分布曲线，参照粗粒料(1)母岩极限抗压强度，初步选定颗粒发生颗粒破碎的应力上限、应力下限及深度；

步骤三：颗粒破碎范围复判

根据步骤二初步选定的颗粒破碎的应力上限、应力下限及深度，将应力计(8)埋设在颗粒发生破碎应力上限分布曲线(5)以上、破碎应力下限分布曲线(6)以下和两界限曲线之间的粗粒料(1)中，并监测加载过程中应力变化，进一步确定颗粒破碎范围；

步骤四：原位载荷试验

在其它要进行原位载荷试验的点位，将粗粒料(1)用复合土工膜(9)包裹，根据步骤三确定的颗粒破碎范围，开展原位载荷试验；

步骤五：获取原位载荷颗粒试验数据

步骤四的原位载荷试验完毕后，通过将复合土工膜(9)所包裹粗粒料(1)取出，进行粗粒料(1)的颗粒分析试验，获得经过载荷试验加载、颗粒破碎后的各粒径含量；

步骤六：对比分析

将步骤五获取的原位载荷试验中的颗粒试验数据与步骤一现场粗粒料(1)的各粒径含量进行对比，获得各粒径含量差值百分比，将各差值百分比进行累加，得到粗粒料(1)颗粒破碎率。

2.如权利要求1所述的一种粗粒料原位载荷试验确定颗粒破碎率的方法，其特征在于，所述的步骤二中颗粒破碎应力上限分布曲线(5)和破碎应力下限分布曲线(6)的获取通过如下方式得到：利用有限元数值模拟分析方法，建立粗粒料模型，采用摩尔库伦本构模型和室内试验得到的物理力学参数，设定逐步荷载施加于边界，真实模拟原位载荷试验过程，根据终止压力时计算得到的破碎应力上限分布曲线(5)和破碎应力下限分布曲线(6)，参照粗粒料母岩极限抗压强度，初步选定颗粒发生颗粒破碎的应力上限和应力下限。

3.如权利要求1所述的一种粗粒料原位载荷试验确定颗粒破碎率的方法，其特征在于：所述的步骤三中的应力计(8)布置不少于3组，每组应力计颗粒破碎的应力上限和下限设置个数不少于3个。

4.如权利要求3所述的一种粗粒料原位载荷试验确定颗粒破碎率的方法，其特征在于：所述的不少于3组的应力计(8)呈圆形阵列布设，包络应力破碎范围。

5.如权利要求3所述的一种粗粒料原位载荷试验确定颗粒破碎率的方法，其特征在于：所述的3个应力计分别在破碎应力上限分布曲线(5)上限界线以上布置一个、破碎应力下限分布曲线(6)下限界线以下布置一个、上限界线与下限界线之间布置一个。

6.如权利要求1所述的一种粗粒料原位载荷试验确定颗粒破碎率的方法，其特征在于：所述的步骤四中的原位载荷试验是根据步骤三确定的颗粒破碎范围，在分层碾压填筑(7)过程中，利用复合土工膜(9)包裹粗粒料(1)行分层碾压填筑(7)，碾压填筑完毕后，安装载荷板(3)，并逐级施加荷载(4)而进行的。

7.权利要求1-6任意一项所述的一种粗粒料原位载荷试验确定颗粒破碎率的方法在高土石坝建设可行性、设计分析及安全评估中的应用。