分维数作为矿岩破碎颗粒形态和大小的参数

利用半自动图象分析系统,测出了15种矿岩破碎颗粒的表面分维数,证实-200目经过破碎的颗粒表面具有分形结构,且表面分维数介于2.07～2.11之间.因此,传统的表面积当量直径、体积表面积比直径、周长当量直径等描述粒度的最基本的量,不给定码尺是没有意义的.阻力直径、自由降落直径、Stokes直径也应考虑表面分维数的影响.

可破碎颗粒体在动力载荷下的耗能特性

采用离散元的数值方法,通过连接键将若干小颗粒绑定为一个具有不规则外形的大颗粒体,设置不同连接键强度模拟了颗粒体在外加动力载荷下破碎过程,并探讨其中系统能量耗散特性.计算结果表明,颗粒体的破碎程度决定了系统能量耗散率,即内部耗能占外界输入能量的比例.破碎率越高,颗粒间相互摩擦和碰撞越剧烈,系统能量耗散率越高.同时,在循环载荷下系统内颗粒体破碎绝大部分发生在加载初期,随着颗粒体的分解破碎速率逐渐减小,系统耗能能力也随之降低.

人工制备易破碎颗粒材料的力学特性

随着应力水平的提高,颗粒破碎现象越来越明显,为了研究颗粒破碎机理以及破碎对粒状材料力学特性的影响.采用人工制备的水泥土球形颗粒模拟易破碎材料,进行固结排水和固结不排水三轴剪切试验,探讨了不同围压作用下颗粒材料的力学特性.固结排水试验采用的围压分别为100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa,固结不排水试验采用的围压分别为100 kPa、200 kPa和300 kPa.并基于颗粒流数值模拟方法,对固结排水(CD)试验结果进行了数值模拟.研究结果表明:采用人工制备的水泥球颗粒集合体试样可以进行探讨颗粒材料的颗粒破碎过程及机理;固结围压越大,试验结束时颗粒破碎越明显,且强度包线呈非线性;颗粒流数值模拟方法可模拟人工制备易破碎粒状材料在固结排水(CD)试验时的应力-应变和体积变形特性.

可破碎颗粒材料中螺旋桩贯入特性的离散元模拟

作为一种新型完全挤土桩,螺旋桩在各类工程建设中已得到广泛应用。基于离散单元法,以钙质砂为模拟对象,对螺旋桩在沉桩过程中土体颗粒破碎情况进行数值模拟。颗粒破碎采用碎片替换法,破碎应力判定选取八面体剪应力准则。分析了螺旋桩在不同初始应力、不同贯入转速比条件下桩周土体位移场、速度场、应力场分布及土体颗粒破碎演化规律。数值模拟结果表明:在螺旋桩贯入地基土过程中,土颗粒在高应力诱发下发生破碎,桩端土体破碎严重,桩侧颗粒破碎稍弱;随着贯入深度增加,破碎颗粒数量增加,桩侧土体级配发生演化,发生破碎的地基土中桩尖应力略低于不破碎地基土体;提高初始应力,会导致更剧烈的颗粒破碎,破碎颗粒的散布范围更广,桩尖应力明显减小;提高贯入转速比会增加颗粒破碎的程度,在高转速比条件下,破碎颗粒均匀散布在桩侧,螺纹附近的颗粒速度、位移较大;而低转速比工况下,土颗粒的速度、位移峰值主要集中在桩尖下部。开展可破碎颗粒材料中螺旋桩贯入特性的研究,对分析较脆弱砂土场地上的桩基稳定、保障工程建设的安全具有指导意义。

基于可破碎颗粒的高填方碎石土地基强夯颗粒流数值分析

依托某碎石土地基强夯工程,通过PFC2D建立模拟碎石土地基在单点多次夯击作用下碎石颗粒破碎的过程.结果表明:相比于不考虑颗粒破碎,考虑颗粒破碎情况下造成的强夯沉降更大,模拟效果更好.强夯过程中,初始阶段主要是夯坑底部碎石颗粒发生破碎,随着夯击次数增多,颗粒破碎带逐渐向夯坑两侧发展,破碎的碎石颗粒的广度和深度一定程度上与夯击能大小成正相关.夯坑底部主要由破碎的块石颗粒与土颗粒嵌合形成壳状结构起到加固作用.

冲击荷载引起的颗粒破碎对钙质砂液化特性的影响

钙质砂具有孔隙率高、强度低、易破碎的特点。同时,钙质砂在波浪和地震等振动荷载的作用下,也具有发生液化的可能性。为探究钙质砂颗粒破碎与抗液化强度的关系,对南海永兴岛的钙质砂开展了三轴试验研究工作。首先,利用小型手动冲击装置对钙质砂进行破碎处理,获取了不同相对破碎率(Br)的试样,然后利用多功能动三轴仪分别对原始试样和不同破碎程度的试样进行了液化试验。结果表明:在相同围压和密实度条件下,钙质砂的抗液化强度(CRR)随着Br的增大而降低,但降低速率会随着Br的增大而减小。另一方面,相对密实度的增大会削弱颗粒破碎对钙质砂抗液化能力的影响。最后,为了定量评价颗粒破碎对钙质砂抗液化强度的影响,建立了Br-CRR的数学关系。

考虑循环荷载下颗粒破碎的宕渣路基渗透系数预测

本文旨在揭示循环荷载作用下中-强风化泥岩宕渣破碎行为与渗透特性的内在机理。利用PFC 6.03D进行循环三轴数值模拟,借助内置Fish语言监测不同循环加载次数下宕渣试样级配、破碎率、孔隙率的动态演化规律。通过对不同加载次数下的土体级配曲线形态的分析,给出一种能描述土类多种连续级配形态的负指数型级配表达式,并讨论了其普适性。以级配方程为枢纽,构建了综合考虑颗粒组构、孔隙特征影响的渗流路径的迂曲度模型。同时,以迂曲度为修正系数,对斯托克斯孔隙流渗透系数公式进行修正。由此实现了考虑循环荷载作用下颗粒破碎的中-强风化泥岩宕渣路基渗透系数预测。研究结果表明:位点深度加深,修正潜在破碎势Bp*明显降低,而修正相对破碎势Br*与位点深度并无明显关联,Br*变化趋势可分为迅速增长、缓慢增长、收敛3个阶段;孔隙率变化呈现类似规律。所提出的负指数级配方程对4种典型级配(凹形、S形、类直线形、凸形)均具有良好适用性。修正迂曲度略大于仅考虑单一颗粒形态的迂曲度,复杂的颗粒形态使得流域内流线更加曲折,引起整体迂曲度增大。渗透系数k敛随Br*增长呈抛物线状衰减,且位点越浅,k衰减愈明显;存在临界加载振次使各位点k值收敛。本研究可为中-强风化泥岩宕渣路基服役状态评估提供新思路。

粒度分布对红层土石混合体强度及颗粒破碎的影响

红层土石混合体已广泛应用于川渝地区公路、铁路的路基填筑,研究其强度及颗粒破碎特征可为该地区路基快速安全施工提供理论支撑。针对现有粒度分布评价方法对土石混合体适用性的不足,提出中间粒径块石相对含量C_(m)指标并拟定4个水平,选择四川盆地红层土石混合体为材料,比选叠环剪和大型直剪试验后,结合筛分试验探讨粒度分布对红层土石混合体强度及颗粒破碎的影响规律。试验结果表明:叠环剪试验中剪切面非人为固定,剪切带影响域明显大于大型直剪试验,相同试验条件下土石混合体强度低于大型直剪试验,且法向应力越大,强度差值越大。C_(m)对红层土石混合体的强度及颗粒破碎特征影响显著。随C_(m)的增大,黏聚力先减小后增大,内摩擦角先增大后减小,抗剪强度先增大后减小,均在C_(m)=0.543时有最值,此时,颗粒间的摩擦和重定向排列对强度的增强效应明显大于咬合减弱的负面效应,剪应力有二次攀升。叠环剪试验后,大粒径、中间粒径块石含量降低,土体含量增高,小粒径块石含量在C_(m)≤0.343时降低,C_(m)≥0.343时增高;颗粒相对破碎率随法向应力和C_(m)的增大,均呈先降低后升高的规律,C_(m)=0.343时颗粒相对破碎率最低。

堆石料颗粒的延迟破碎时间研究

堆石料颗粒的延迟破碎是指颗粒受力一定时间后发生的破碎。给出颗粒延迟破碎时间是采用离散元法模拟堆石料流变进行定量分析的前提。从断裂力学出发,将颗粒内部缺陷概化为一币形裂纹,给出了颗粒瞬时破碎强度与裂纹半长的关系。将颗粒瞬时强度作为随机变量,采用Logistic函数描述其分布,并运用求解随机变量函数概率分布的方法,求出裂纹半长的概率分布。然后将颗粒岩石加工成板试样,通过双扭松弛试验,测量其亚临界裂纹扩展速度。在此基础上对颗粒裂纹扩展方程进行积分,得到裂纹贯通(即颗粒延迟破碎)的时间表达式。以裂纹半长为随机变量,求出颗粒延迟破碎时间的概率分布。云南红石岩堰塞坝工程白云岩颗粒的分析结果表明,在相同应力水平下,大颗粒延迟破碎时间长且离散性大,小颗粒延迟破碎时间短且离散性小。这与堆石料室内流变试验稳定快而现场堆石坝流变持续时间长的宏观现象相吻合。颗粒延迟破碎时间的给出为采用离散元模拟堆石料流变,提升堆石料流变本构模型,解决堆石料室内流变试验的时间尺寸效应奠定了基础。

三轴剪切过程中排水条件对钙质砂颗粒破碎、变形和强度特性的影响

钙质砂的颗粒破碎、变形和强度特性与受剪时的排水条件有关。然而当前的研究很少考虑不排水剪切过程对钙质砂颗粒破碎和力学特性的影响。对不同初始相对密实度的钙质砂进行了一系列不同有效围压下的三轴固结排水和不排水剪试验,以研究剪切过程中排水条件对钙质砂颗粒破碎和力学性质的影响。结果表明:在相同的有效围压下,排水剪试验的颗粒破碎率高于不排水剪试验。在排水剪与不排水剪过程中,钙质砂的应力-应变曲线都表现为应变软化行为,其剪胀趋势受到初始相对密实度和有效围压的影响。钙质砂的临界状态与初始状态无关,与剪切过程中的排水条件有关,对于临界应力比和相变应力比,排水剪试验大于不排水剪试验。钙质砂的峰值有效内摩擦角随初始相对密实度、有效围压和颗粒破碎率的增大而减小,但是临界有效内摩擦角不受初始条件、有效围压和颗粒破碎的影响,两种有效内摩擦角都与剪切过程中的排水条件有关。对于峰值有效内摩擦角和临界有效内摩擦角,排水剪试验大于不排水剪试验。上述结果表明,钙质砂的颗粒破碎、变形和强度特性与剪切过程中的排水条件具有明显的相关性。

基于颗粒破碎特性的盐岩集料基层级配组成设计研究

为实现内陆干盐湖区盐岩集料基层级配组成的科学设计,以罗布泊盐岩为研究对象,分析了不同粒径及含卤水率条件下单粒组盐岩集料颗粒破碎演化特征,构建了复杂粒组下盐岩集料级配转移模型,提出了盐岩集料基层级配组成设计方法,验证了盐岩集料基层级配组成设计方法的合理性,并对比了不同级配组成及失水率下盐岩集料的工程性质。结果表明:击实作用下各粒组盐岩集料均发生颗粒破碎,随着击实能量增加,盐岩集料级配趋于稳定,卤水的赋存会降低单粒组盐岩颗粒破碎率。Weibull分布可有效表征盐岩集料破碎颗粒级配分布特征。推荐的盐岩集料基层级配组成设计方法可有效推演盐岩集料基层的级配演化特征并实现考虑卤水影响的级配修正。盐岩集料颗粒间卤水盐分结晶有利于盐岩集料基层强度形成,失水率为75%的盐岩集料无侧限抗压强度可达到4.1 MPa,盐岩集料可用于干盐湖区公路基层填筑工程。

筑坝堆石料颗粒破碎及分形特性试验研究

为探究筑坝堆石料颗粒破碎现象,选取不同粗粒含量和含水量的堆石料作为研究对象,开展室内击实试验,分析土体的压实特性、颗粒破碎特性及分形特征,并揭示其力学响应机理。试验结果表明:随含水量的增加,堆石料的干密度先增大后减小。而最大干密度和最优含水量分别与粗粒含量呈现正相关和负相关。堆石料中出现明显的颗粒破碎现象,随粗粒含量和含水量的增加其颗粒破碎率随之增大。粗粒含量与含水量分别与分形维数成反比和正比关系,相较于含水量,粗粒含量对分形维数的影响更显著。

考虑颗粒破碎影响的钙质砂中海底管道贯入机制研究

通过离心机模型试验,结合离散元数值分析对钙质砂中海底管道竖向贯入机制进行了研究。研究结果显示,钙质砂中管道竖向贯入阻力与埋深基本呈线性关系,其值大致等于管-土接触宽度与静力触探试验(cone penetration test,简称CPT)中相同深度锥尖阻力的乘积。当管道埋深较小时,由于土体变形主要以颗粒重排挤密为主,管道竖向贯入阻力几乎不受颗粒强度影响;当管道埋深较大时,管道竖向贯入阻力随着颗粒强度的降低以及颗粒破碎的加剧而减小。钙质砂中管道竖向贯入机制主要表现为典型的冲剪破坏,土体变形主要集中在管道底部,且水滴状变形区域随着颗粒破碎的加剧逐渐收缩。颗粒破碎从管道底部向远离管道径向发展,大量贴近管道底部的颗粒发生连续破碎,少量远离管道的颗粒发生独立破碎。颗粒破碎导致管道底部土体中的集中应力释放,颗粒破碎越多,应力释放导致管道竖向贯入阻力减小的现象越明显。

干湿循环对不同粒径堆石颗粒破碎强度的影响研究

高心墙堆石坝在运行期库水位变化可达60 m以上,库水位变动范围内的堆石体受干湿循环作用易产生较大的后期变形,会导致坝顶出现纵向裂缝,影响高心墙堆石坝的安全稳定运行。干湿循环对堆石料长期劣化变形的影响已有大量的试验研究,然而干湿循环对不同粒径筑坝堆石颗粒破碎强度的影响研究相对较少。对不同粒径的板岩堆石颗粒进行了干湿循环作用后的单颗粒破碎试验,结果表明,板岩颗粒的荷载-位移曲线及其对应破碎模式可以分为4类,颗粒破碎时对应的峰值荷载和破碎强度均值随循环次数的增加而逐渐减小。不同粒径和循环次数下板岩颗粒的破碎强度均服从Weibull分布,特征破碎强度与循环次数间呈幂指数关系,表明板岩颗粒力学性质的劣化速度逐渐减慢。不同循环次数下板岩颗粒的特征破碎强度均有较为明显的尺寸效应,尺寸效应与循环次数呈负相关关系。

基于颗粒破碎耗能的堆石料流变模型

由于堆石料流变的复杂性,现有的经验流变模型主要是根据流变试验结果,考虑围压和剪应力或其耦合效应的影响所建立,存在一定的随意性且存在参数多和物理意义不明确等问题。开展了红石岩堰塞料三轴压缩试验和流变变形试验,分析了流变过程中应变能与围压和应力水平的相关关系,得到了流变应变能的表达式;基于考虑颗粒破碎耗能的ROWE剪胀方程和流变过程中切线体积比保持不变的推论,推导得到了最终体积流变和剪切流变的表达式,所建立的模型可反映堆石料流变变形的机理。花岗岩堆石料、砂岩堆石料和砂砾料等其它堆石料的分析结果表明,提出的流变变形计算模型具有普适性。

不排水条件下颗粒破碎粗粒土的动力特性分析

地震荷载作用下堆石等土料会发生颗粒破碎,从而导致其动力特性与不发生颗粒破碎的土料有很大的区别。为了探讨破碎粒状材料在循环荷载作用下的力学特性,对人工制备的粒状破碎土料进行了频率为1.0 Hz的循环加载固结不排水(consolidation undrained,CU)三轴试验,试验围压为100、200、300、400 kPa。研究结果表明:试样均为压缩破坏,呈应变硬化型;且不同激振力下的轴向应变曲线分为三段,即初始骤升段、中间平衡段和最终破坏段,并且每一阶段的长短和试样的变化均有所不同;动孔压随循环振次增大而增大,且在相同围压下激振力越大动孔压上升得越快。对动强度曲线分析发现,应力比越小动强度曲线越低;阻尼比整体上随着动剪应变的增大而逐渐增大,并且相同围压下激振力越小则阻尼比越小。颗粒破碎的影响因素有激振力、围压和振次等共同作用,不同围压(激振力)下各因素的影响大小不一、此消彼长,且随着围压增大颗粒破碎程度均逐渐增大。

考虑颗粒破碎能耗的堆石料剪胀方程及其应用

堆石料由于粒径较大、颗粒棱角过多,在试验中颗粒破碎现象较为显著。通过分析砂砾料和堰塞料两种堆石料三轴试验结果,在剑桥模型剪胀方程中引入颗粒破碎耗能系数,并结合广义塑性模型的理论框架对两种堆石料的试验结果进行数值验证。结果表明:(1)试验过程中颗粒破碎耗能系数与剪切应变的关系呈先增后减的趋势,可以采用单峰曲线描述其发展规律;(2)引入颗粒破碎耗能系数的剪胀方程可以反映两种堆石料剪胀曲线的非线性特征;(3)考虑颗粒破碎的剪胀方程结合广义塑性模型可以拟合出两种堆石料的应力应变曲线,能够反映其应变硬化和剪缩、剪胀特性。

粗粒土初始结构效应对颗粒破碎的影响研究

为研究粗粒土的初始结构综合特征对其颗粒破碎程度的影响,采用一种改进的直剪试验,获得不同初始结构条件下粗粒土剪切破坏参数,结合图像识别技术,获取直剪过程中粗粒土的结构特征。通过主成分分析法,建立了初始结构综合参数Y 0,以此对不同初始结构粗粒土的结构特征进行定量描述。最终,构建了一种离散元数值模型,该模型真实地反映了颗粒破碎过程。研究结果表明:(1)不同粒径组的颗粒自身破碎程度受其质量分数影响,且整体破碎程度主要由粗颗粒质量分数决定;(2)颗粒破碎程度随法向应力增大呈现线性变化规律,而加权裂离率B d与初始结构综合参数Y 0则呈指数函数关系;(3)在相同法向应力条件下,当颗粒特征强度越大时,不同初始结构间颗粒破碎差异越小,并根据颗粒特征强度σc与加权裂离率B d曲线建立了二者的函数关系式;(4)结合试验结果,最终构建了考虑初始结构效应的粗粒土破碎程度预测模型,并通过相关文献验证了该模型的适用性。

冲击荷载下颗粒破碎分维变化及能量耗散研究

颗粒受冲击荷载,发生破碎现象,改变颗粒粒径分布,影响颗粒力学性能。随着颗粒破碎程度的增加,最终颗粒分布会趋向自相似分布,称为分形分布。为研究冲击对颗粒破碎粒度分布的影响,通过试验,得到了炉渣颗粒和大理岩颗粒受冲击破碎的颗粒分布曲线及分形维数的变化规律。研究发现,颗粒受冲击破碎后,不会无限制的破碎;粒度分布符合分形模型;分形维数随破碎程度加深逐渐增大,但存在极限。最终的分形维数可以与颗粒力学特性建立联系以推导颗粒破碎能耗和颗粒弹性应变能。考虑颗粒间不同的接触类型,忽略颗粒间摩擦,根据断裂力学理论,建立的颗粒破碎的能量平衡方程可以很好地描述颗粒破碎过程中能量转化的规律。