[发明专利]一种堆石料抗剪强度的尺寸效应修正方法

说明书

本发明属于土石坝稳定性分析领域，涉及一种堆石料抗剪强度的尺寸效应修正方法。该方法结合单颗粒强度的尺寸效应特征，推导不同尺寸堆石料集合体的宏观应力和应变张量关系，分析静荷载作用下莫尔‑库伦强度准则的尺寸效应规律，提出粘聚力c的修正关系，进一步地，确定应变破坏标准下动剪切强度和动剪应力比的尺寸效应修正关系。本发明可为土石坝的稳定性分析提供参考。

技术领域

本发明属于土石坝稳定性分析领域，涉及一种堆石料抗剪强度的尺寸效应修正方法。

背景技术

土石坝因其良好的适用性和经济型，广泛地应用于水利水电工程中。堆石料作为主要的填筑材料，土石坝的稳定性分析需要依据室内试验确定的堆石料强度变形参数，然而室内试验都是在缩尺条件下开展的，以往的试验研究结果表明脆性破坏堆石料具有明显的尺寸效应，具体表现为骨料颗粒的强度随着粒径的增大而降低。直接使用由缩尺室内试验得到的强度变形参数不能准确的预测现场的沉降变形，经常出现“高坝算不大，低坝算不小”的问题，不利于土石坝的安全性评估。特别是近年来随着中国施工技术的快速发展，越来越多的高土石坝设计被提出或在建，对于更大坡度的高土石坝，堆石料的尺寸效应已经成为高坝稳定性分析急需解决的问题。

现场堆石料的颗粒尺寸可达600～1000mm，由于试验设备尺寸的限制，无法直接测试现场尺寸堆石料的抗剪强度。室内试验级配缩尺后，堆石料的最大粒径一般为60mm，已有工程实测和反演结果表明缩尺试验的参数与足尺参数有一定的差别。一些学者致力于开发大尺寸的试验仪器以获得更接近于原型的参数，超大型三轴仪为研究堆石料的尺寸效应提供了珍贵的数据，但超大型三轴仪不仅造价高，而且试验过程也极为复杂，难以推广应用，而且超大型三轴仪采用的最大颗粒粒径一般也不超过200mm，仍小于现场堆石料的最大粒径。

综上所述，为了评估现场堆石料的抗剪强度性能，需要建立一种室内缩尺试验参数与现场足尺参数的联系。颗粒破碎是堆石体变形的主要原因，可以将堆石料的单粒强度试验和三轴试验相结合，引入单粒强度的尺寸效应，进而根据骨料集合体的细观力学推导试验试样的尺寸效应。为了分析堆石料在静动荷载下的抗剪强度，应进行不同尺寸和应变率的单颗粒破碎试验，静态条件下颗粒强度随着粒径的增大而降低，而准静态条件下颗粒强度不仅随着应变率而增大，颗粒强度的尺寸效应随着应变率而逐渐降低，如何确定颗粒动态强度是分析动强度尺寸和率效应的关系问题。

目前针对堆石料抗剪强度的尺寸效应问题尚没有较好的解决办法，虽然开发超大型的三轴试验仪器可以获得更接近于原型足尺的参数，但超大型三轴的最大颗粒粒径也小于现场原型，且难以从机理上解释堆石料缩尺效应。

发明内容

本发明针对堆石料在动静荷载作用下的抗剪强度，结合单颗粒强度的尺寸和应变率效应，从细观力学角度提供一种堆石料抗剪强度的尺寸效应修正方法，该方法结合单颗粒强度的尺寸效应特征，推导不同尺寸堆石料集合体的宏观应力和应变张量关系，分析静荷载作用下莫尔-库伦强度准则的尺寸效应规律，提出粘聚力c的修正关系，进一步地，确定应变破坏标准下动剪切强度和动剪应力比的尺寸效应修正关系。本发明可为土石坝的稳定性分析提供参考。

本发明采用的技术方案是：

一种堆石料抗剪强度的尺寸效应修正方法，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)。