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水 利 学 报

２０２４年 ５月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５５卷 第 ５期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２４）０５ － ０５２８ － ０９

基于超大型三轴仪的堆石料动力特性缩尺效应研究

邹德高 １，２ ，宁凡伟 １，２ ，刘京茂 １，２ ，崔更尧 １，２ ，孔宪京 １，２
（１．大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 １１６０２４；２．大连理工大学 水利工程学院，辽宁 大连 １１６０２４）

摘要：堆石料的缩尺效应是导致高土石坝变形预测不准的重要因素之一，目前针对堆石料静力缩尺效应的影响已
有部分研究，但针对堆石料动力变形特性的缩尺效应研究仍十分鲜见。本文对两河口板岩及古水玄武岩开展了超
大型（试样直径 ８００ｍｍ，最大粒径为 １６０ｍｍ）和常规大型三轴（试样直径 ３００ｍｍ，最大粒径为 ６０ｍｍ）动剪切模
量和阻尼比试验，研究了平行相似级配条件下最大粒径对最大动剪切模量、动剪切模量比、阻尼比以及沈珠江等
效线性模型参数的影响。试验结果表明：①超大型三轴试验的最大动剪切模量大于常规大型三轴试验，随着动剪
应变的增大，超大型和常规大型三轴试验的最大动剪切模量差别逐渐减小；② 超大型三轴试验的动剪切模量比
Ｇ ?Ｇ 小于常规大型三轴试验，即超大型三轴试验的动剪模量比衰减得更快；③超大型三轴试验的阻尼比大于常
ｄ ｄｍａｘ
规大型三轴试验，随着动剪应变的增加，二者的差距逐渐增大；④超大型三轴试验得到的沈珠江等效线性模型参数
分别是常规大型三轴试验的 １．１４～１．３２倍、１．２６～１．３１倍以及 １．３１～１．４４倍，超大型和常规大型三轴
ｋ、ｋ以及 λ ｍａｘ
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试验得到的模量指数 ｎ差别不大。本文研究成果可为同类工程动力响应分析提供更加合理的试验与数值计算依据。
关键词：堆石料；超大型三轴；缩尺效应；动剪切模量；阻尼比
文献标识码：Ａ
中图分类号：ＴＶ６４１ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２３０６１５
１ 研究背景

目前高土石坝原型设计级配的最大粒径可达到 ８００～１０００ｍｍ，而世界范围内常用的大型三轴仪试样
直径一般不超过 ３００ｍｍ ［１ － ４］ ，可进行试验的最大粒径不超过 ６０ｍｍ，因此实际工程中堆石料只能进行大
比例缩尺后的室内试验研究，缩尺后堆石料力学特性的变化规律是堆石料试验研究面临的难题 ［５］ 。
国内外学者对堆石料的缩尺效应进行了研究 ［６ － ９］ ，但主要针对的是堆石料静力特性缩尺效应问题。
为了降低缩尺效 应的 影响，全世 界范 围内曾 经开发过 若 干试 样直 径 最 大 １ｍ左 右 的 超 大 型 三 轴 设
备 ［６ － ８，１０］ ，然而已公开的研究成果中未见超大型三轴动力试验的报道。大连理工大学工程抗震研究所
研制了国内最大的超大型三轴仪，并进行了超大型三轴静力试验 ［１１］ ，由于研制的超大型三轴仪也可进
行动力循环试验，这为堆石料动力特性缩尺效应的研究提供了条件。
目前我国土石坝动力计算应用最广的仍是等效线性分析方法 ［１２］ 。堆石料常用的等效线性模型包括
Ｈａｒｄｉｎ模型 ［１３］ 、沈珠江模型 ［１４］ 等，不同模型的差别主要在于描述骨架曲线（模量）和滞回圈（阻尼）形
式的差别。过去几十年间，国内外学者对堆石料的动力特性做了许多研究，主要研究了颗粒组成 ［１５］ 、
细颗粒含量 ［１６］ 、相对密度 ［１７］ 、围压 ［１８］ 、固结比 ［１９］ 以及加载频率 ［２０］ 等对堆石料动力特性的影响，然
而针对颗粒尺寸对堆石料动力特性的研究仍不充分。Ｌｅｅ等 ［２１］ 采用最大粒径分别为 ９０和 ５０ｍｍ的试
样研究了相似级配条件下缩尺效应对堆石料动弹性模量的影响，结果表明在应变较小的条件下，最大
粒径 ９０ｍｍ试样的最大动弹性模量比最大粒径 ５０ｍｍ的试样高 ２０％左右。Ｌｉｕ等 ［２２］ 研究了颗粒尺寸对

收稿日期：２０２３ － １０ － ０９；网络首发日期：２０２４ － ０５ － ０６
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｌｉｎｋ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｕｒｌｉｄ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２４０４３０．１０１１．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金项目（５２１０９１１４，５２１９２６７４，５２０７９０２３）；水利部重大科技项目（ＳＫＳ － ２０２２１０１）
作者简介：邹德高（ １９７３ － ），博士，教授，博士生导师，主要从事岩土地震工程、高坝和核电工程抗震研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｚｏｕｄｅｇａｏ＠
ｄｌｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
通信作者：宁凡伟（１９９０ － ），博士，主要从事堆石料力学特性试验研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｎｉｎｇｆｗ＠ｄｌｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ

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