[发明专利]一种堆石料抗剪强度的尺寸效应修正方法

权利要求书

1.一种堆石料抗剪强度的尺寸效应修正方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：开展不同尺寸和应变率的堆石料单颗粒强度试验，获得堆石料强度与应变率的关系式P、堆石料强度尺寸效应与应变率的关系式Q，见公式(1)和(2)，然后建立考虑尺寸和应变率的单颗粒强度计算模型，见公式(3)；

式中，DIF为动态强度增长因子，为应变率，k₁、k₂、k₃为拟合系数，为静态应变率，为尺寸效应消失临界应变率，σ_d为颗粒动态强度，σ₀为基准强度，d为颗粒粒径，d₀为基准粒径，m为Weibull分布模量，n_d为几何相似性参数，n_d/m即表示尺寸效应的强弱；

所述单颗粒强度试验指平板载荷试验；所述P指应变率效应强度的提高关系，通过拟合应变率与强度的关系获得；所述Q指由静态应变率到临界应变率的尺寸效应线性减弱关系，尺寸效应消失的临界应变率由单粒强度数据整体得到；

第二步：基于第一步提出的单颗粒强度计算模型，建立不同尺寸骨料集合体的宏观应力和应变张量关系，见公式(6a)和(6b)；具体如下：

三维状态下颗粒集合体的应力σ_ij和应变张量关系ε_ij如下：

其中，V_σ为计算应力区域的总体积，f_(c/p)为区域内任意接触点c处颗粒p受到的外力，l_(c/p)为接触点指向颗粒p中心的支向量；V_ε为计算应变的区域对应的体积，Δu^e为构成边e的两个颗粒p和q中心的相对位移，d^e为边e对应的面积补偿向量；

若室内缩尺sc和原型足尺pr试样对应的特征尺寸为d_pr和d_sc，假设缩尺和足尺试样堆石料的矿物成分相同，骨料集合体的内摩擦角与颗粒粒径无关，颗粒的破碎属于劈裂张拉破坏，颗粒强度符合Weibull分布，不同尺寸试样集合体的接触状态和孔隙分布相同，即几何状态相同；当缩尺和足尺集合体的破碎状态相同时，缩尺试样颗粒应力σ_sc和足尺应力σ_pr与缩尺试样颗粒接触力f_sc和足尺接触力f_pr满足：

式中，P_sc和P_pr分别表示受应变率影响的缩尺和足尺应力提高关系，Q_pr表示足尺的尺寸效应减弱关系；同时根据支向量l_(c/p)、体积V、面积补偿向量d^e和相对位移Δu^e的尺寸比例关系，得到动静荷载作用下缩尺试样的应力张量σ_ij,sc和足尺应力张量σ_ij,pr与缩尺试样的应变张量ε_ij,sc和足尺应变张量ε_ij,pr满足如下关系：

ε_ij,pr＝ε_ij,sc (6b)

第三步：由不同尺寸试样的宏观应力应变张量关系推导静荷载作用下莫尔-库伦强度准则的尺寸效应规律；具体如下：

首先，静载荷作用下缩尺和足尺试样的颗粒应变率不超过静态应变率则P_sc、P_pr、Q_pr均为1，缩尺试样的应力张量σ_ij,sc和足尺应力张量σ_ij,pr的关系转化为：

三轴试样剪切面上的法向应力σ_n和剪切应力τ分别为：

式中，σ₁和σ₃为最大主应力和最小主应力，为内摩擦角；根据第二步中的假设及静荷载应力张量关系，缩尺试样的法向应力σ_n,pr和足尺法向应力σ_n,sc与缩尺试样的剪切应力τ_pr和足尺剪切应力τ_sc满足如下关系：

根据莫尔-库伦强度准则，缩尺和足尺试样的法向应力和剪切应力的关系为：

式中，c_sc和c_pr分别为缩尺和足尺试样的粘聚力；将式(9)代入式(10)可得：

所述推导确定莫尔-库伦强度准则中，现场足尺的粘聚力c_pr为缩尺c_sc的倍；

第四步：由不同尺寸试样的宏观应力应变张量关系推导动剪切强度τ_d和动剪应力比τ_d/σ₀的尺寸效应规律；具体如下：

根据骨料集合体的宏观应力应变张量关系，当缩尺和足尺试样的破碎率相同时，缩尺和足尺试样的应变张量相同，缩尺试样轴向动应变ε_d,sc和振次N的关系与足尺轴向动应变ε_d,pr和振次N的关系相同：

ε_d,sc～N＝ε_d,pr～N (12)

进一步地，缩尺和足尺试样达到应变破坏标准5％时的振次N_f相同，同时由应力张量关系，缩尺平均主应力σ_0,sc和足尺平均主应力σ_0,pr与缩尺动强度σ_d,sc和足尺动强度σ_d,pr的关系为：

则足尺动剪切强度τ_d,pr和缩尺动剪切强度τ_d,sc的尺寸效应关系为：

最终足尺动剪应力比τ_d,sc/σ_0,sc和缩尺动剪应力比τ_d,pr/σ_0,pr的尺寸效应关系为：

因此，现场足尺动剪切强度为试验缩尺的倍，现场足尺动剪应力比为试验缩尺的倍。