本發(fā)明涉及一種基于分形理論與物理力學(xué)試驗(yàn)的土石料級(jí)配優(yōu)化方法，屬于水利水電行業(yè)的土石壩筑壩技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

土石壩是世界上最古老且應(yīng)用最為廣泛的壩型。我國(guó)從70年代建設(shè)碧口100m級(jí)心墻堆石壩開(kāi)始，已建成了小浪底、瀑布溝以及水布埡等一批200m級(jí)的高土石壩工程，形成了較為完整的壩工設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范。由于土石壩具有地形地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)、抗震能力好、及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好等優(yōu)點(diǎn)，兩河口，雙江口、長(zhǎng)河壩等一批300m級(jí)心墻堆石壩已經(jīng)在建，如美、古水、拉哇、茨哈峽、大石峽等一批300m級(jí)堆石壩也進(jìn)入可研設(shè)計(jì)階段。盡管土石壩的建設(shè)取得了巨大的成功，筑壩技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，尚有許多技術(shù)問(wèn)題諸如土石料級(jí)配的確定，僅在《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范(DL/T 5395‐2007)》第4.1條款、《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范(DL/T 5016‐1999)》第6.3條款規(guī)定：小于5mm的顆粒含量不宜超過(guò)20％，小于0.075mm的顆粒含量不宜超過(guò)5％，仍停留在經(jīng)驗(yàn)階段。對(duì)級(jí)配評(píng)價(jià)而言，目前也只有適用與最大粒徑在60mm以內(nèi)粗粒土的級(jí)配指標(biāo)，即：不均勻系數(shù)Cu大于5、曲率系數(shù)Cc在1‐3范圍內(nèi)為良好級(jí)配的標(biāo)準(zhǔn)，但是這些指標(biāo)主要描述顆粒材料級(jí)配分布寬度及連續(xù)性，不能反映顆粒組分之間的細(xì)觀搭配，不同的級(jí)配曲線即使擁有相近的指標(biāo)，但壓實(shí)密度卻可以完全不同，進(jìn)而導(dǎo)致堆石力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生巨大差異。

土石料顆粒體的空間分布，受料場(chǎng)母巖特性、爆破開(kāi)采條件、碾壓施工過(guò)程中顆粒破碎等因素的影響，具有明顯的變異性，其宏觀物理力學(xué)性能上表現(xiàn)出較大的不確定性、模糊性和非線性。這種宏觀力學(xué)行為的復(fù)雜性，正是土石料微細(xì)觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的體現(xiàn)，兩者之間的關(guān)系可以采用分形理論進(jìn)行描述。

對(duì)高壩的筑壩土石料，應(yīng)該有更嚴(yán)格的要求，既要減少超粒徑料，又要控制細(xì)粒料，還要使其級(jí)配具有良好的工程性能。相同壓實(shí)功能的前提下，顆粒級(jí)配優(yōu)良的土石料具有更高的密實(shí)度，從而具有更高的抗剪強(qiáng)度和變形模量，對(duì)高堆石壩具有更好的安全性與經(jīng)濟(jì)性。已有研究資料證明筑壩土石料的級(jí)配具有良好的分形分布特征。

為此，本發(fā)明將借助分形理論，分析土石料的分形行為，結(jié)合室內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，提出一種級(jí)配優(yōu)化的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種基于分形理論的最優(yōu)土石料級(jí)配的試驗(yàn)確定方法。根據(jù)土石料顆粒充填關(guān)系、可壓縮性、強(qiáng)度和變形特性等方面的工程力學(xué)指標(biāo)，以土石料級(jí)配的粒度分形維數(shù)D為變量，(1)通過(guò)相對(duì)密度試驗(yàn)，建立土石料級(jí)配與不同相對(duì)密度下干密度的關(guān)系，找出不同相對(duì)密度下的最大干密度或最小孔隙率對(duì)應(yīng)的級(jí)配；(2)通過(guò)大型壓縮試驗(yàn)，建立土石料級(jí)配與壓縮模量的關(guān)系，找出最大壓縮模量對(duì)應(yīng)的級(jí)配；(3)通過(guò)大型三軸試驗(yàn)，建立土石料級(jí)配與剪切破壞強(qiáng)度以及體積變形特性的關(guān)系，找出最大破壞強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的級(jí)配；(4)根據(jù)土石料的孔隙率和相對(duì)密度雙控設(shè)計(jì)指標(biāo)，以及土石料級(jí)配與不同相對(duì)密度下干密度或孔隙率的關(guān)系曲線，初步確定土石料的級(jí)配范圍；(5)根據(jù)上述土石料級(jí)配與壓縮模量、剪切破壞強(qiáng)度的試驗(yàn)成果，根據(jù)工程需要確定的壓縮模量、剪切破壞強(qiáng)度3個(gè)優(yōu)化評(píng)判指標(biāo)，確定土石料的目標(biāo)級(jí)配，從而達(dá)到優(yōu)化石料顆粒級(jí)配的目的。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于分形理論與物理力學(xué)試驗(yàn)的土石料級(jí)配優(yōu)化方法，其特征在于包括以下的步驟：

(1)選取工程應(yīng)用范圍不同粒度分形維數(shù)D的土石料級(jí)配，確定不同粒徑區(qū)間土石料的配置重量并進(jìn)行配料；

(2)建立土石料粒度分形維數(shù)D與極值干密度之間的關(guān)系：采用現(xiàn)場(chǎng)密度桶法、現(xiàn)場(chǎng)能量法或室內(nèi)相對(duì)密度試驗(yàn)方法，測(cè)定最大干密度或最小孔隙率，根據(jù)松鋪條件測(cè)定最小干密度，確定土石料的粒度分形維數(shù)D與極值干密度ρ或孔隙率之間的關(guān)系，并確定極值干密度或孔隙率對(duì)應(yīng)的粒度分形維數(shù)即臨界分形維數(shù)值；

(3)建立土石料粒度分形維數(shù)D與壓縮模量之間的關(guān)系：按相同相對(duì)密度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制樣，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)或室內(nèi)大型壓縮試驗(yàn)，確定土石料粒度分形維數(shù)D與壓縮模量之間的關(guān)系；

(4)建立土石料的粒度分形維數(shù)D與破壞強(qiáng)度之間的關(guān)系：按相同相對(duì)密度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制樣，選取不同圍壓條件對(duì)試樣進(jìn)行大型三軸試驗(yàn)，記錄土石料試樣的剪切破壞應(yīng)力最大壓縮體積變形，確定土石料的粒度分形維數(shù)D與破壞強(qiáng)度之間的關(guān)系；

(5)利用第(1)、第(2)步驟試驗(yàn)結(jié)果，得到土石料粒度分形維數(shù)D所對(duì)應(yīng)級(jí)配在不同相對(duì)密度條件下的干密度值，根據(jù)土石料的孔隙率和相對(duì)密度的質(zhì)量雙控指標(biāo)，以及土石料粒度分形維數(shù)不大于臨界分形維數(shù)的條件，初步確定土石料的級(jí)配范圍；

(6)在第(5)步驟的基礎(chǔ)上，設(shè)定土石料的壓縮模量與破壞強(qiáng)度指標(biāo)，通過(guò)第(3)、第(4)步驟試驗(yàn)結(jié)果，得到相應(yīng)的土石料粒度分形維數(shù)D所對(duì)應(yīng)的級(jí)配壓縮模量和破壞強(qiáng)度的關(guān)系曲線，根據(jù)第(5)步驟初步確定的級(jí)配范圍，選取同時(shí)滿足級(jí)配壓縮模量和破壞強(qiáng)度指標(biāo)要求的級(jí)配范圍，作為滿足工程要求優(yōu)化的目標(biāo)級(jí)配。

進(jìn)一步地，上述步驟(1)中，確定不同粒徑區(qū)間土石料配重的公式為：

式中為指定粒組的平均粒徑，為研究級(jí)配的最大控制粒徑，W/W₀為指定粒組的重量與總重量之比，δ為顆粒直徑。

進(jìn)一步地，上述步驟(3)中，確定土石料粒度分形維數(shù)D與壓縮模量之間的關(guān)系的具體步驟為：

(3‐1)進(jìn)行不同粒徑區(qū)間土石料的配重，并按相同相對(duì)密度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制樣；

(3‐2)根據(jù)DL/T5356‐2006規(guī)范或相關(guān)規(guī)程要求，進(jìn)行大型壓縮試驗(yàn)，要求模擬低壩到300m級(jí)特高壩的工作壓力范圍，試驗(yàn)壓力由0.0MPa分級(jí)連續(xù)加載到6.4MPa，每組級(jí)配重復(fù)試驗(yàn)1次，取兩組試驗(yàn)平均值，計(jì)算壓縮模量，以減小試驗(yàn)結(jié)果的離散性；

(3‐3)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，整理土石料的粒度分形維數(shù)D與同一應(yīng)力區(qū)間的壓縮模量之間關(guān)系曲線。

進(jìn)一步地，上述步驟(4)中，確定土石料的粒度分形維數(shù)D與破壞強(qiáng)度之間的關(guān)系的具體步驟為：

(4‐1)進(jìn)行不同粒徑區(qū)間土石料的配重，并按相同相對(duì)密度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制樣；

(4-2)選取不同圍壓條件，根據(jù)DL/T5356-2006規(guī)范或相關(guān)規(guī)程要求，對(duì)試樣進(jìn)行大型三軸試驗(yàn)，記錄土石料試樣的剪切破壞應(yīng)力；

(4‐3)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，整理土石料的粒度分形維數(shù)D與相同圍壓條件下的破壞應(yīng)力之間的關(guān)系曲線。

本發(fā)明所達(dá)到的有益效果：本發(fā)明在建立土石料的粒度分形維數(shù)D與級(jí)配的工程特性指標(biāo)(極值干密度、壓縮模量，破壞強(qiáng)度與體積變形)之間相關(guān)關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整粒度分形維數(shù)改變土石料的顆粒級(jí)配，利用級(jí)配工程特性評(píng)價(jià)指標(biāo)(極值干密度，壓縮模量以及破壞強(qiáng)度)，選取滿足工程要求的級(jí)配，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)土石料的顆粒級(jí)配優(yōu)化，為土石料顆粒級(jí)配的優(yōu)化確定提供了一種切實(shí)可行的方法。

附圖說(shuō)明

圖1是堆石料試驗(yàn)級(jí)配的粒度分形維數(shù)D與干密度之間的關(guān)系示意圖；

圖2是堆石料試驗(yàn)級(jí)配的粒度分形維數(shù)D與壓縮試驗(yàn)?zāi)Ａ渴疽鈭D，其中(a)為應(yīng)力‐應(yīng)變曲線，(b)為區(qū)間壓縮模量；

圖3是堆石料試驗(yàn)級(jí)配的粒度分形維數(shù)D與破壞強(qiáng)度關(guān)系示意圖；

圖4是堆石料的粒度分形維數(shù)D、孔隙率和相對(duì)密度曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

一種基于分形理論的最優(yōu)土石料級(jí)配的試驗(yàn)確定方法，包括以下的步驟：

(1)取同一最大控制粒徑，選取不同粒度分形維數(shù)D的土石料級(jí)配，按式(I)確定不同粒徑區(qū)間土石料的配重并進(jìn)行配料。式中為指定粒組的平均粒徑，為研究級(jí)配的最大控制粒徑，W/W₀為指定粒組的重量與總重量之比，δ為顆粒直徑；

(2)確定土石料的粒度分形維數(shù)D與極值干密度ρ之間的關(guān)系，具體包括以下步驟：

(2-1)采用松鋪方式，測(cè)定指定級(jí)配土石料的最小干密度；

(2-2)采用現(xiàn)場(chǎng)密度桶法(國(guó)家級(jí)工法：編號(hào)：GJEJF203-2008)、現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)能量法(專(zhuān)利號(hào)：ZL201110027333.X)或室內(nèi)相對(duì)密度試驗(yàn)(規(guī)范：DL/T5356-2006)，測(cè)出土石料的最大干密度；

(2-3)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，整理土石料的粒度分形維數(shù)D與極值干密度ρ之間的關(guān)系曲線，并根據(jù)試驗(yàn)曲線確定臨界分形維數(shù)值；

(3)確定土石料粒度分形維數(shù)D與壓縮模量之間的關(guān)系，具體包括以下步驟：

(3‐1)根據(jù)第(1)步，進(jìn)行不同粒徑區(qū)間土石料的配重，并按相同相對(duì)密度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制樣；

(3‐2)根據(jù)DL/T5356‐2006規(guī)范或相關(guān)規(guī)程要求，進(jìn)行大型壓縮試驗(yàn)。要求模擬低壩到300m級(jí)特高壩的工作壓力范圍，試驗(yàn)壓力可由0.0MPa分級(jí)連續(xù)加載到6.4MPa。每組級(jí)配重復(fù)試驗(yàn)1次，取兩組試驗(yàn)平均值，計(jì)算壓縮模量，以減小試驗(yàn)結(jié)果的離散性；

(3‐3)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，整理土石料的粒度分形維數(shù)D與同一應(yīng)力區(qū)間的壓縮模量之間關(guān)系曲線；

(4)、確定土石料的粒度分形維數(shù)D與破壞強(qiáng)度、體積變形特性之間的關(guān)系，具體包括以下步驟：

(4‐1)根據(jù)第(1)步，進(jìn)行不同粒徑區(qū)間土石料的配重，并按相同相對(duì)密度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制樣；

(4-2)選取不同圍壓條件，根據(jù)DL/T5356-2006規(guī)范或相關(guān)規(guī)程要求，對(duì)試樣進(jìn)行大型三軸試驗(yàn)，記錄土石料試樣的剪切破壞應(yīng)力；

(4-3)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，整理土石料的粒度分形維數(shù)D與相同圍壓條件下的破壞應(yīng)力之間的關(guān)系曲線；

(5)利用第(1)、第(2)步驟的試驗(yàn)結(jié)果，得到土石料粒度分形維數(shù)D所對(duì)應(yīng)級(jí)配在不同相對(duì)密度條件下的干密度值，根據(jù)土石料的孔隙率(干密度)與相對(duì)密度的填筑質(zhì)量雙控指標(biāo)，以及土石料粒度分形維數(shù)不大于臨界分形維數(shù)的條件，初步確定土石料的級(jí)配范圍；

(6)在第(5)步驟的基礎(chǔ)上，設(shè)定土石料的壓縮模量與破壞強(qiáng)度指標(biāo)，通過(guò)第(3)、第(4)步驟試驗(yàn)結(jié)果，得到相應(yīng)的土石料粒度分形維數(shù)D所對(duì)應(yīng)的級(jí)配壓縮模量和破壞強(qiáng)度的關(guān)系曲線，根據(jù)第(5)步驟初步確定的級(jí)配范圍，選取同時(shí)滿足級(jí)配壓縮模量和破壞強(qiáng)度指標(biāo)要求的級(jí)配范圍，作為滿足工程要求優(yōu)化的目標(biāo)級(jí)配。

實(shí)例分析

以下以某工程堆石料為實(shí)例將對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不受這些實(shí)例的限制。

英安巖堆石料取自國(guó)內(nèi)某300m級(jí)高心墻堆石壩的壩殼料，按上述優(yōu)化步驟進(jìn)行級(jí)配優(yōu)化。

1.土石料干密度與粒度分形維數(shù)D的關(guān)系試驗(yàn)曲線

選取16組不同粒度分形維數(shù)D的級(jí)配，按公式(1)計(jì)算級(jí)配組成見(jiàn)表1，進(jìn)行室內(nèi)相對(duì)密度試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)得土石料的極值干密度值與顆粒級(jí)配的粒徑分布，也列于表1中。

表1英安巖堆石料相對(duì)密度試驗(yàn)成果

將表1中得到的英安巖堆石料粒度分形維數(shù)和極值干密度測(cè)量值繪于圖1。可以發(fā)現(xiàn)隨著粒度分形維數(shù)由2.1增大到2.7，無(wú)論是最大干密度還是最小干密度，均呈現(xiàn)出先逐步增大到最大值、然后減小，存在明顯的拐點(diǎn)，如最大干密度由1.923g/cm³先增大到2.311g/cm³然后減小到2.2.256g/cm³；最小干密度由1.537g/cm³增大到1.761g/cm³然后減小到1.67g/cm³，存在最優(yōu)充填關(guān)系(最大干密度)的級(jí)配，即臨界分形維數(shù)為2.61。分析原因，主要是因?yàn)殡S著粒度分形維數(shù)的增加，細(xì)顆粒逐步增加，顆粒充填關(guān)系得到改善使得干密度提高；但當(dāng)細(xì)顆粒過(guò)多級(jí)配會(huì)出現(xiàn)“砂化”，導(dǎo)致充填關(guān)系惡化，干密度下降，致使極值干密度曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)。

2.土石料的壓縮模量與粒度分形維數(shù)D的關(guān)系試驗(yàn)

在TYY‐800型大型k0測(cè)試儀進(jìn)行本次壓縮試驗(yàn)。圖2為英安巖堆石料室內(nèi)大型壓縮試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)共取11個(gè)級(jí)配，按相對(duì)密度1.0制樣?？疾靾D2(a)的試驗(yàn)結(jié)果，其應(yīng)力應(yīng)變隨著荷載增加呈現(xiàn)明顯的非線性特性，為便于比較分析，按不同加載區(qū)間分段整理壓縮模量值。

由圖2(b)可見(jiàn)，英安巖堆石料表現(xiàn)出如下規(guī)律：一是隨著分形維數(shù)的增加，其壓縮模量先增加到某一峰值后再減小的規(guī)律，存在最優(yōu)壓縮模量的級(jí)配；如在1.6～3.2MPa的壓力范圍內(nèi)，堆石料當(dāng)D＝2.0時(shí)的壓縮模量62.5MPa，隨著D的增加逐步增大，D＝2.59到最大值213.65MPa，增大了2.41倍；當(dāng)D大于2.6時(shí)壓縮模量開(kāi)始逐漸降低，可能與試驗(yàn)級(jí)配的細(xì)粒含量增加，顆粒趨向于更均勻而出現(xiàn)“砂化”現(xiàn)象有關(guān)；二是試驗(yàn)壓力越高，級(jí)配對(duì)壓縮模量的影響越大。如英安巖堆石料的D＝2.2和2.62兩組級(jí)配，在0.8～1.6MPa的壓力范圍內(nèi)的壓縮模量分別為113.22MPa和154.57MPa，后者為前者的1.49倍；當(dāng)試驗(yàn)壓力升高到3.2～6.4MPa范圍內(nèi)，壓縮模量分別為130.18MPa和321.26MPa，后者急劇增加到前者的2.47倍，說(shuō)明壩越高，自重與水壓力等荷載越大，堆石體的散粒體特性表現(xiàn)越充分，級(jí)配對(duì)壓縮模量的影響越大，對(duì)于強(qiáng)調(diào)變形控制的高堆石壩，其級(jí)配優(yōu)化的重要性越突出！三是在高應(yīng)力條件下，最大壓縮模量對(duì)應(yīng)級(jí)配的粒度分形維數(shù)在2.60附近。

3.土石料的剪切破壞強(qiáng)度與粒度分形維數(shù)D的關(guān)系試驗(yàn)

為了確定堆石料剪切破壞強(qiáng)度粒度分形維數(shù)D之間的關(guān)系，擬定7組英安巖堆石料級(jí)配，按相對(duì)密度0.8制樣，在LSW‐1000型大型流變?nèi)S剪切試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行三軸試驗(yàn)，試驗(yàn)圍壓分別取0.4MPa、0.8MPa、1.6MPa和3.1MPa，圖3示出三軸試驗(yàn)結(jié)果。

表2英安巖堆石料級(jí)配與破壞應(yīng)力(kPa)關(guān)系

表2以及圖4分別為粒度分形維數(shù)D與剪切破壞強(qiáng)度的關(guān)系?？梢?jiàn)，隨著粒度分形維數(shù)的增加，堆石料的剪切破壞強(qiáng)度表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢(shì)，最大值位于D＝2.56的位置。即對(duì)于該堆石料試樣，當(dāng)顆粒級(jí)配滿足分形分布時(shí)，粒度分形維數(shù)為2.56左右，堆石料的剪切破壞強(qiáng)度最大。

4.堆石料顆粒級(jí)配優(yōu)化確定

本工程堆石體設(shè)計(jì)采用孔隙率和相對(duì)密度雙控指標(biāo)，取設(shè)計(jì)孔隙率22％，設(shè)計(jì)相對(duì)密度0.8，根據(jù)圖4，取最小粒度分形維數(shù)Da＝2.48作為級(jí)配下包線，取臨界分形維數(shù)D_l＝2.61作為級(jí)配上包線；根據(jù)壓縮模量及剪切破壞強(qiáng)度曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)的位置對(duì)應(yīng)的粒度分形維數(shù)D在2.56‐2.60區(qū)間，且在2.48～2.61范圍內(nèi)的變化相對(duì)較為平緩，不需要調(diào)整級(jí)配包線的范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)堆石料顆粒級(jí)配的優(yōu)化確定。

對(duì)于堆石料下包線，若考慮細(xì)粒含量偏高使堆石料實(shí)際爆破開(kāi)采成本過(guò)高，可采用式(II)進(jìn)行修正：

式中d_k、分別為指定粒徑以及對(duì)應(yīng)的百分含量。

本次優(yōu)化取d_k＝5mm、時(shí)修正后的級(jí)配，見(jiàn)表3所示。

表3修正后的級(jí)配

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。