宽围压加卸荷条件下特高坝填筑料强度变形研究

凌华; 陈生水; 翟迎春; 傅华; 石北啸; 王芳

doi:10.11779/CJGE202101003

宽围压加卸荷条件下特高坝填筑料强度变形研究 English Version

凌华^{1, 2,},
陈生水^{1, 2},
翟迎春³,
傅华^{1, 2},
石北啸^{1, 2},
王芳^{1, 2}

1.
南京水利科学研究院岩土工程研究所,江苏　南京210024
2.
水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室,江苏　南京210024
3.
中国电建集团西北勘测设计院有限公司,陕西　西安710065

基金项目:

国家重点研发计划项目 2017YFC0404806

国家自然科学基金面上项目 51679149

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目 Y318006

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目 Y320005

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目 Y320004

详细信息

作者简介:
凌华(1977— ),男,江苏盐城人,博士,教授级高级工程师,主要从事土石坝筑坝材料试验技术及基础理论研究工作。E-mail: hling@nhri.cn

中图分类号: TV16;TU458
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出版历程
- 收稿日期: 2020-02-27
- 网络出版日期: 2022-12-04
- 刊出日期: 2020-12-31

Experimental study on strength and deformation of filling materials of super-high dams with wide confining pressures under loading and unloading conditions

LING Hua^{1, 2,},
CHEN Sheng-shui^{1, 2},
ZHAI Ying-chun³,
FU hua^{1, 2},
SHI Bei-xiao^{1, 2},
WANG Fang^{1, 2}

1.
Department of Geotechnical Engineering, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210024, China
2.
Key Laboratory of Earth-Rock Dam Failure Mechanism and Safety Control Techniques, Ministry of Water Resources, Nanjing 210024, China
3.
Hydro-China Xibei Engineering Corporation, Xi'an 710065, China

摘要

摘要: 开展大型三轴试验,系统研究了特高坝堆石料和砂砾石填筑料在宽围压加卸荷条件下的强度变形特性。结果表明：相比堆石料,砂砾石料在低应力条件下的强度低,采用砂砾石填筑的大坝应防止坝坡浅层失稳。围压对强度指标和邓肯模型变形参数均具有重要影响,对于特高土石坝,宜根据应力分布情况分段采用不同的强度指标和变形参数,以提升坝体结构应力变形计算精度和提高工程安全性。卸荷—再加载循环内,均产生了正值的轴向变形和体积变形,循环结束后,应力-应变、体变-应变曲线均回归至原有的正常加载形态；在卸载段,低围压、低应力水平条件下往往表现为体胀,随围压和应力水平的提高,主要表现为卸荷体缩；在再加载段,无论围压大小还是应力水平高低,均主要表现为体缩。随围压的提高,回弹模量与初始切线模量之比增大；同一围压下,随应力水平的提高,回弹模量变化不大,略有降低的趋势；大石峡工程高填筑标准砂砾石料和堆石料K_ur/K约1.98～2.22,但指数n_ur要远大于n；对于那些特高坝和高坝而言,有限元计算时假定n_ur=n是不太适宜的,应开展回弹模量试验研究。
- 特高坝 /
- 围压 /
- 强度 /
- 变形 /
- 回弹模量
Abstract: The triaxial tests with wide confining pressures under loading and unloading conditions are carried out to study the strength and deformation of filling materials of super-high dams. It is found that the strength under low confining pressure of sand gravel is lower than that of rockfill materials, so the slope of dams filled with sand gravel should be gentler to prevent instability. The range of confining pressure has great effects on the strength indexes and deformation parameters. The change of nonlinear strength index is not as significant as that of linear strength index, and the change of nonlinear strength index of sand gravel is not as significant as that of rockfill. For a super-high dam, different strength indexes and deformation parameters should be adopted according to the stress distribution of dam crest, dam slope and dam body. The axial and volume deformations occur during unloading-reloading cycle, and after the cycle the curves of stress-strain and volumetric strain-axial deformation return to normal shape. During unloading, the volume of samples mainly seems to expand under low confining pressures and stress level, and contracts under high confining pressures. During the reloading stage, the volume deformation mainly shows shear shrinkage regardless of the confining pressure or stress level. The ratio of resilient modulus to initial tangent modulus increases with the confining pressure, and the resilient modulus seems to decrease with the stress level. The the ratio of K_ur/K is about 1.98~2.22, but the resilient modulus index $n_{ur}$ $n_{ur}$ is larger than the initial tangent one $n$ $n$ .
- super-high dam /
- confining pressure /
- strength /
- deformation /
- resilient modulus

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0. 引言

灌注桩具有地质适应性强、承载力高等特点,是目前工程建设中最主要的基础形式,广泛应用在桥梁工程中^[1-5]。在桥梁服役过程中,由于环境和外部荷载作用,桥梁桩基水下部分会出现混凝土剥落、破损、断裂等质量问题^[6-8],三维成像声呐技术能够直观准确的识别桩基水下及泥面以上部分的结构病害情况,因此基于三维成像声呐的水下试验和点云数据处理技术研究对确保整个桩基工程的质量和安全具有重要意义^[9-10]。目前三维成像声呐的研究基本上处于设备硬件研发和实际应用的范围,尚缺少“模型试验-数据处理-工程应用”系统性的研究,本文基于三维声呐点云的模型试验,进行了水下目标物缺陷识别、尺寸测量以及点云数据后处理方法研究和桥梁桩基现场试验,充分验证了三维成像声呐在桥梁桩基水下部分检测的适用性,为该技术应用于水下结构检测提供了参考。

1. 试验

1.1 试验设备

试验由美国BlueView公司研制开发三维成像声呐系统对点云数据进行采集,系统硬件部分包括声呐发生器、云台、三角支架、计算机等组成。

1.2 试验方案

试验共设计3个试件,圆柱体混凝土试块2个,带缺陷圆柱体木质试件1个,试件尺寸见表1。试验主要研究三维成像声呐对水下不同材质、不同尺寸、以及不同缺陷结构形式的识别和测量效果。

表 1 试件尺寸参数

Table 1. Size parameters of specimens

序号	试件编号	形状	材质	尺寸r×h/cm	备注
1	WSC - ^#1	圆柱体	混凝土	2.5×10.0	—
2	WSC -^#2		混凝土	5.0×15.0	—
3	WSW-^#3		木质	15×100.0	带缺陷

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为减少环境对声呐数据采集造成影响,选择在平面尺寸为21 m×50 m,深度1.8 m的水池中进行声呐试验,并在试验目标物底下垫上粗糙多孔的防滑垫,目的在于减少声波在瓷砖表面发生较强反射,从而获得更加准确的数据。

2. 数据处理

试验通过三维成像声呐发射固定频率声波波束,在触及目标物后接收到反射声波,从而获得目标物的外形轮廓坐标数据,最后生成点云图像。由于外部环境影响,原始点云图像存在较多的噪点,如图1所示。

图 1 试件点云原始数据

Figure 1. Original data of point cloud of specimens

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为了更好的分析三维成像声呐对水下结构的识别和测量效果,本文提出了数据后处理方案：①人工删减原始数据,去除大面积噪点；②对单次采集点云数据进行滤波处理,对原始数据进行压缩并去除离散点；③对处理后的图像进行尺寸测量。

2.1 点云滤波处理

本文根据点云噪声特征进行不同的滤波处理。

（1）半径滤波通过统计一定半径区域内点的个数来去除离散点。可依据点云的不同特征定义多种条件,定义条件为点在x,y和z维度下的取值同时满足某个值域,则可以在指定3D空间内对点云进行裁剪。假设有n个点云,对这部分点云进行半径滤波。设定近邻点数量为k,半径为r。然后遍历每一个点云。i=1,2,…,n。以第i个点云为圆心,在其r半径内,若有k个点云,则该第i个点云将被保留；若其r半径内,点云个数少于k个,则该第i个点云将被去除。

（2）体素滤波主要对点云数据进行压缩,在保证点云图像主体结构不变的情况下减少点的数量。用于密集型点云的预处理中,以加快后续配准、重建等操作的执行速度。

（3）高斯统计滤波是最常用的滤波处理方式,通过统计某个点于相邻点之间的平均距离来去除离散点。设定去除离散噪点前的点云集合为 $A =$ ${a_{i},$ $i = 1, 2, n}$ ,去除噪声后点云集合 $A^{'} = {a_{i}, i = 1, 2, m}$ 。用b_i表示a_i到邻域中k个点的平均距离。算法中A所有点到其各自邻域的平均距离服从高斯分布且形状由均值和标准差决定。令所估计点平均距离a为其标准差,则记为 $S (μ, σ)$ ,且有如下公式：

$μ = \frac{\sum_{i = 1}^{n} S_{i}}{n}$ ,

(1)

$σ = \frac{\sum_{i = 1}^{n} {(S_{i} - μ)}^{2}}{n}$ 。

(2)

所有位于（μ-std×σ,μ+std×σ）范围外的点即可认为是大尺度噪声点,设k值为估算平均距离的邻域点大小,标准差倍数控制筛选阈值。设目标点坐标为（X_m,Y_m,Z_m）,领域内某点N坐标为（X_n,Y_n,Z_n）,则

$S_{N} = \sqrt{{(X_{m} + X_{n})}^{2} + {(Y_{m} + Y_{n})}^{2} + {(Z_{m} + Z_{n})}^{2}}$ ,

(3)

$\bar{s} = \frac{\sum_{n = 1}^{K} S_{N}}{k}$ 。

(4)

S_N服从一个位置参数μ、尺度参数为 $σ$ 的概率分布,且其概率密度函数为

$f (S_{N}) = \frac{1}{\sqrt{2 π σ}} exp (- \frac{{(S_{N} - μ)}^{2}}{2 σ^{2}})$ ,

(5)

$S_{max} = (\bar{s}) + n σ \cdot std$ ,

(6)

式中,std为标准差倍数阈值。

对点云原始数据进行大面积噪点人工删减后再经上述滤波处理得到图2所示点云图像,点云图像能够清晰反映设备扫描侧的形状轮廓。

图 2 原始数据经滤波处理后点云图像

Figure 2. Point cloud images of original data after filtering

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2.2 尺寸测量

点云滤波处理后,对点云图像进行切面处理,选择一个剖面测量试件尺寸。对试件WSC - ^#1、WSC - ^#2两个试件进行尺寸测量,如图3所示,经滤波处理后对点云图像进行测量,测得圆柱高度分别为15,10 cm与试件实际尺寸基本吻合,由于测量过程存在主观因素影响,试验结果存在一定误差,但误差能够保持在厘米级,完全满足工程应用需求。

图 3 试件WSC - ^#1及WSC - ^#2尺寸测量

Figure 3. Dimensional measurements of WSC - ^#1 and WSC - ^#2

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对带缺陷圆柱体木桩WSW-^#3试件的高度和缺陷尺寸进行测量,试件及缺陷尺寸如图4所示。

图 4 WSW -^#3试件模型及缺陷尺寸

Figure 4. Model and defect sizes of WSW - ^#3

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为方便试件点云图像尺寸测量,将桩的点云图旋转90°,右侧为桩底,左侧为桩顶,下侧为缺陷侧,尺寸测量如图5所示,测量结果见表2。

图 5 试件WSW-^#3尺寸测量

Figure 5. Measurements of specimen sizes of WSW-^#3

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表 2 缺陷圆柱试件尺寸测量数据

Table 2. Measured data of defective specimens

序号	位置	实际尺寸	测量尺寸	误差
1	下部缺陷宽度	10	10	0
2	下部缺陷深度	5	4	1
3	缺陷距离	30	29	1
4	上部缺陷宽度	5	3	2
5	上部缺陷深度	10	11	1

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测量结果表明：点云图像能够清晰显示缺陷位置,对数据后处理后的点云图像进行测量,试件各个部位测量尺寸与实际尺寸误差在2 cm以内,满足实际工程测量精度需求。

3. 工程应用

某高速桥梁左幅建成于1994年,桥梁下部结构为桩柱式桥台,桩柱式桥墩,墩柱直径1.0 m,桩基直径1.2 m。现场采用声学可视化检测技术对水下结构进行检测,并在检测完成后进行抽水验证。

选取其中一根桩基进行声纳扫测分析,原始点云数据如图所示,进行大面积噪点人工删减和软件滤波处理后,得到点云图像如图所示,数据后处理后的点云图像能够清晰显示桩基轮廓。对点云图像断面进行测量,桩基础部分点云断面缩小,结合设计图纸判断该桩基存在混凝土大面积剥落现象。

3.1 声呐数据处理及尺寸测量

为测得混凝土剥落厚度和长度,选取桩基竖向断面并对点云图像3个不同位置进行测量,如图6所示,测得剥落厚度为0.12,0.18,0.11 m,平均值为0.14 m；剥落长度为0.93,0.94,0.97 m,平均值为0.95 m。

图 6 桥梁桩基三维成像声呐数据处理

Figure 6. Data processing of bridge pile foundation

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3.2 现场试验验证

为验证声呐数据的测量精确度,在抽水后采用人工进行测量,现场实测混凝土剥落厚度分别为0.15,0.16,0.14 m,平均值为0.15 m；剥落长度分别为1.01,0.99,0.95 m,平均值为0.98 m,现场实测照片如图7所示。

图 7 桥梁桩基水下结构病害现场测量

Figure 7. Field measurements of bridge pile foundation

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通过对比声呐与人工测量数据,两种方法测量混凝土剥落厚度平均值误差在1 cm,剥落长度平均值误差在3 cm,基本满足桥梁检测现场检测需求。

4. 结论

（1）三维成像声呐扫测原始数据存在较多噪点,在经过滤波处理后,能够清晰呈现目标物部分外形轮廓,保留目标物几何信息,并能够较好识别试件缺陷。

（2）对滤波处理后的点云图像尺寸测量结果准确,其中混凝土试件高度测量尺寸与实际基本吻合,带缺陷木桩试件部位尺寸在低于5 cm时,误差较大,尺寸大于10 cm误差较小,整体误差保持在2 cm以内。

（3）三维成像声呐应用于桥梁桩基水下部分的外观完整性检测效果较好,能够直观呈现桩基外观特征,识别桩基外观缺陷。

（4）经过将三维成像声呐的测试数据与现场测量数据对比,三维成像声呐能够较准确测量桩基混凝土剥落厚度,误差在3 cm内,满足工程检测需求。

图 1 3BA区砂砾石料平均线试样三轴试验曲线

Figure 1. Triaxial test curves of sandy gravel samples with mean line in 3BA zone

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图 2 3BC区堆石料平均线试样三轴试验曲线

Figure 2. Triaxial test curves of rockfill samples with mean line in 3BC zone

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图 3 强度包线

Figure 3. Strength envelopes

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图 4 　E_i/p_a和B_i/p_a随围压的变化

Figure 4. Change of E_i/p_a and B_i/p_a with confining pressure

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图 5 加卸荷试验曲线（ $σ_{3}$ $σ_{3}$ =100 kPa）

Figure 5. Triaxial test curves under loading and unloading conditions（ $σ_{3}$ $σ_{3}$ =100 kPa）

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图 6 加卸荷试验曲线（ $σ_{3}$ $σ_{3}$ =3000 kPa）

Figure 6. Triaxial test curves under loading and unloading conditions（ $σ_{3}$ $σ_{3}$ =3000 kPa）

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图 7 $E_{ur} / p_{a}$ $E_{ur} / p_{a}$ 和 $E_{ur} / E_{i}$ $E_{ur} / E_{i}$ 随应力水平 $S_{L}$ $S_{L}$ 的变化

Figure 7. Change of $E_{ur} / p_{a}$ $E_{ur} / p_{a}$ and $E_{ur} / E_{i}$ $E_{ur} / E_{i}$ with stress level

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表 1 试验级配与试验干密度

Table 1 Gradations and densities for tests

坝体分区	级配		小于某粒径颗粒质量百分含量/%														密度控制标准	试验干密度/(g·cm^-3)
坝体分区	级配特性	类型	800mm	600mm	400mm	200mm	150mm	100mm	60mm	40mm	20mm	10mm	5mm	2mm	1mm	0.075mm	密度控制标准	试验干密度/(g·cm^-3)
3BA区砂砾石料	上包线	设计级配					100	90	76	67	54	45.5	36	28	25	10	相对密度0.90	2.31
	上包线	试验模拟							100	85.6	64.8	51.2	36	28	25	10		2.31
	平均线	设计级配			100	86	82.5	73	60.7	52.3	40.8	32.8	24.5	18.5	16.5	6		2.38
	平均线	试验模拟							100	82.4	58.4	41.7	24.5	18.5	16.5	6		2.38
	下包线	设计级配		100	90	72	65	56	45.4	37.5	27.5	20	13	9	8	2		2.29
	下包线	试验模拟							100	78.8	51.9	31.8	13	9	8	2		2.29
3BC区堆石料	上包线	设计级配			100	75	67.4	58	48	42	32	25	20	13.5	10	5	孔隙率18%	2.24
	上包线	试验模拟							100	82.9	54.3	34.3	20	13.5	10	5		2.24
	平均线	设计级配		100	86	63.5	56.2	47.5	37.5	31	21.5	16	12.5	8	5.75	2.5		2.24
	平均线	试验模拟							100	81.2	53.5	31.4	15.8	10	8	3.8		2.24
	下包线	设计级配	100	86	72	52	45	37	27	20	11	7	5	2.5	1.5	0		2.24
	下包线	试验模拟							100	78.5	52.6	29.4	11.5	6.8	4.5	0.5		2.24

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表 2 剪切峰值

Table 2 Peak values of shear stress (kPa)

试样编号		围压/kPa
试样编号		50	100	200	300	600	1200	2000	3000
3BA区砂砾石料	上包线	511	819	1354	1846	3171	5555	8382	11690
	平均线	619	964	1550	2071	3516	6031	9119	12587
	下包线	478	776	1288	1768	3064	5289	8022	11325
3BC区堆石料	上包线	599	902	1396	1854	2958	5335	7953	11214
	平均线	670	966	1450	1901	2993	5270	7789	10945
	下包线	753	1033	1501	1949	3021	5210	7607	10666

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表 3 强度指标

Table 3 Strength indexes

围压范围/kPa	3BA区砂砾石料平均线试样				3BC区堆石料平均线试样
围压范围/kPa	$c$ $c$ /kPa	$φ$ $φ$ /(°)	$φ_{0}$ $φ_{0}$ /(°)	$Δ φ$ $Δ φ$ /(°)	$c$ $c$ /kPa	$ϕ$ $ϕ$ /(°)	$ϕ_{0}$ $ϕ_{0}$ /(°)	$Δ φ$ $Δ φ$ /(°)
50~300	69.2	48.0	56.0	11.0	93.2	45.2	56.1	14.2
50~600	88.3	46.3	56.0	10.5	120.7	42.6	56.1	13.8
50~1200	116.2	44.4	56.0	10.0	135.5	41.5	56.0	12.6
50~2000	141.2	43.2	55.9	9.6	160.2	40.2	55.9	11.9
50~3000	171.0	42.1	55.9	9.3	180.8	39.4	55.7	11.3
100~3000	196.0	41.9	55.4	8.9	200.9	39.2	54.9	10.5
200~3000	226.0	41.6	55.0	8.4	223.3	39.0	54.0	9.7
300~3000	259.7	41.3	54.6	8.2	246.9	38.7	53.3	9.1
600~3000	319.7	40.8	54.3	7.9	280.7	38.4	51.6	7.8

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表 4 邓肯模型变形参数

Table 4 Deformation parameters of Duncan model

围压范围/kPa	3BA区砂砾石料平均线试样				3BC区堆石料平均线试样
围压范围/kPa	$K$ $K$	$n$ $n$	$K_{b}$ $K_{b}$	$m$ $m$	$K$ $K$	$n$ $n$	$K_{b}$ $K_{b}$	$m$ $m$
50~300	1991.7	0.33	2353.5	-0.14	1668.8	0.25	991.6	-0.18
50~600	1991.3	0.33	2357.3	-0.09	1668.3	0.24	992.3	-0.15
50~1200	1995.5	0.32	2329.4	-0.02	1672.2	0.23	985.4	-0.12
50~2000	2000.6	0.31	2301.6	0.01	1676.9	0.22	973.0	-0.08
50~3000	2004.2	0.31	2282.7	0.03	1682.8	0.22	960.4	-0.06
100~3000	2029.9	0.30	2087.2	0.06	1719.0	0.21	886.4	-0.02
200~3000	2076.9	0.29	1882.0	0.10	1755.2	0.20	811.0	0.01
300~3000	2124.6	0.28	1740.7	0.13	1820.8	0.19	765.7	0.04
600~3000	2150.8	0.28	1691.7	0.14	1849.6	0.18	647.9	0.09

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表 5 回弹模量与初始切线模量参数

Table 5 Parameters of resilient and initial tangent moduli

坝体分区	级配特征	$K$ $K$	$n$ $n$	$K_{ur}$ $K_{ur}$	$n_{ur}$ $n_{ur}$	$K_{ur} / K$ $K_{ur} / K$
3BA区砂砾石料	上包线	1469.3	0.34	2957.3	0.61	2.01
	平均线	2004.2	0.31	4110.5	0.57	2.05
	下包线	1428.5	0.32	2832.8	0.60	1.98
3BC区堆石料	上包线	1511.3	0.24	3354.1	0.61	2.22
	平均线	1682.8	0.22	3678.8	0.59	2.19
	下包线	1874.4	0.19	4081	0.57	2.18

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参考文献(15)

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