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水 利 学 报

２０２３年 ８月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 ８期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）０８ － ０９２０ － １０

基于颗粒堆积算法的堆石料压实密度预测研究

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沈超敏 １，２ ，邓 刚 ，刘斯宏 ，严 俊 ，毛航宇 ，王柳江 １
（１．河海大学 水利水电学院，江苏 南京 ２１００９８；
２．中国水利水电科学研究院 水利部水工程建设与安全重点实验室，北京 １０００４８）
摘要：堆石料的压实密度是反映其工程力学特性的重要指标。提出了一种基于降维映射的颗粒堆积算法，仅有一
个模型参数即可在给定堆石料级配的情况下实时预测当前级配下的最大干密度。与试验结果对比发现，该算法能
够较好预测给定的连续、间断级配堆石料最大干密度，为堆石料级配的高效优化设计提供了新思路。采用该算法
模拟了堆石料细料截断和缩尺对堆石料压实密度的影响，结果表明：本算法可以较好地根据缩尺后的结果预测原
型级配的堆石料压实密度，但堆石料压实密度的缩尺效应预测存在细料截断误差，误差与细料含量呈正相关；堆
石料缩尺后粗料部分骨架的孔隙尺寸降低，有降低压实密度的趋势，而缩尺时增加的细料含量对密度的影响并无
统一的规律，而是与粗料和细料的具体粒径分布相关。
关键词：堆石料；颗粒堆积；最大干密
度；缩尺效应；级配曲线
中图分类号：ＴＵ４３１ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２３００２１

１ 研究背景

堆石料是由不同粒径的岩石颗粒相互填充形成的颗粒材料，因为其优良的工程特性，在土石坝、
堤防、基础等工程中广泛应用。与砂土、粉土等材料定义了明确的粒径区间不同，堆石料的粒径跨度
较大，属于典型的宽粒径颗粒材料。以土石坝工程为例，筑坝堆石料的最大粒径可达 １０００ｍｍ，而粒
径较小的颗粒可以低于 ０．０７５ｍｍ ［１ － ４］ 。对于粒径跨度大的颗粒集合体，存在以下两个问题值得探讨：
（ １）堆石料爆破过程的不确定性和施工填筑过程对粒径的离析作用难免造成堆石料在实际工程中级配
的变异性。有研究表明，级配的变化会影响堆石料的变形模量、峰值强度和剪胀特性等 ［５ － ７］ ，对工程
的变形与稳定造成不确定性隐患。随着我国在不良地质条件下筑坝、软岩筑坝等工程的增多，堆石料
级配的变异性问题进一步凸显。（ ２）堆石料的缩尺效应。由于工程现场的堆石料最大粒径往远超出室
内土力学试验允许的范畴，因此需要将堆石料的级配进行缩尺后开展相关试验。如何建立缩尺后与原
型级配堆石料之间工程特性的联系是广泛讨论的难题 ［８ － １０］ 。
堆石料的级配变异性与缩尺效应从本质上属于同一个问题，即如何建立堆石料级配（包括粒径）与
其物理力学性质的定量联系。目前已有一些研究针对这个问题进行了一些重要的尝试，且普遍认为颗
粒材料的压实密度（最大干密度）是级配与物理力学性质（临界状态位置 ［１１］ 、压缩模量 ［１２ － １３］ 等）的桥
梁，因此，有必要在此之前建立级配与堆石料最大干密度之间的定量联系。
目前，已经有部分研究通过室内振动压实和现场大型密度坑试验研究了初始级配对堆石料最大干
密度的影响规律，并基于试验结果提出了最大干密度的经验预测方法。例如，朱俊高等 ［１４］ 通过室内干

收稿日期：２０２３ － ０１ － １１；网络首发日期：２０２３ － ０８ － １８
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３０８１８．０８０６．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金项目（５２００９０３６，５２２０９１６０，５１９７９０９１）；中国水利水电科学研究院水利部水工程建设与安全重点实
验室开放研究基金项目（ＮＯ．２０２００１）
作者简介：沈超敏 （ １９８９ － ），副 研 究 员，硕 士 生 导 师，主 要 从 事 土 石 坝 工 程、 堆 石 料 力 学 特 性 宏 细 观 机 制 与 本 构 模 拟 研 究。
Ｅ － ｍａｉｌ：ｃｈａｏｍｉｎ．ｓｈｅｎ＠ｈｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
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