考虑炭质泥岩颗粒破碎的级配演化预测模型

为准确预测炭质泥岩在冲击荷载过程中的颗粒破碎及级配曲线的变化,建立炭质泥岩“冲击能和含水率-破碎指标-级配分布”的数学模型。通过引入一个可以描述连续级配曲线的单参数级配方程,建立单参数级配方程和颗粒破碎率B w的数学关系表达式,实现了“破碎指标-级配分布”的转换。通过设置反S型和双曲线型两种典型炭质泥岩填料连续级配,开展了一系列不同含水率和冲击能的冲击试验。结果表明:无论炭质泥岩的初始级配是双曲线型分布还是反S型分布,当冲击能一定时,炭质泥岩的颗破碎率均随着初始含水率的增大而增大;当含水率一定时,炭质泥岩的颗粒破碎率随冲击能的增加而增加,当冲击能量达到6.075 kJ后,颗粒破碎率基本保持不变,各粒组的颗粒含量相对于初始含量的变化趋于一个稳定的比例。根据炭质泥岩在冲击过程中的颗粒破碎率B w与初始含水率和冲击能的关系,建立了颗粒破碎率与含水率、冲击能的数学关系式,实现了“冲击能和含水率-破碎指标”的转换。从而以破碎指标为媒介,建立了“冲击能和含水率-破碎指标-级配参数”的数学模型,并通过验证发现该模型可以较好反映不同冲击能和含水率条件下炭质泥岩级配曲线演化规律。

基于级配方程的粗粒料级配演化预测模型

为了揭示粗粒料级配随应力应变演化的规律,建立粗粒料"应力应变→破碎指标→级配分布"的数学模型(SBG模型)。首先,引入1个适用性良好的级配方程来描述土体的级配,其级配参数为b和m;同时,定义1个新的破碎指标BW,并将BW和破碎指标Bg建议为该模型所需的2个破碎指标。其次,推导并且验证BW和Bg与级配参数b和m的数学关系,实现"破碎指标→级配分布"这一目标。根据粗粒料的三轴试验结果总结三轴试样破坏时BW和Bg与围压σ3之间的关系、三轴试样在剪切过程中BW和Bg与平均正应力p和广义剪应变εs之间的关系,实现"应力应变→破碎指标"这一目标。将以上2个部分联合,即可得到"应力应变→破碎指标→级配分布"的数学模型(SBG模型)。研究结果表明:本文提出的模型可以用来描述三轴应力状态下粗粒料级配随应力应变演化的规律。

基于颗粒破碎特性的堆石材料级配演化模型

颗粒破碎会改变土体级配,进而影响其应力应变等力学行为。针对现有技术手段难以实时确定加载过程中颗粒破碎与级配变化的现状,依据天然岩石颗粒的破碎特性,建立了一个基于颗粒强度的级配演化模型。模型中应力参数采用增量加载法,可预测加载过程中的级配演化。由单粒强度试验确定颗粒破碎特性和模型参数,试验结果表明颗粒强度服从Weibull分布。筛分颗粒破碎后的碎片发现,粒径累计分布可用正态曲线拟合,且不同粒组的粒径累计分布相似。最后,模型计算结果与三轴试验数据的对比分析表明,模型可以较好地预测试样在加载过程中的级配变化。

钙质砂临界状态随颗粒破碎演化规律分析

根据物理试验揭示的钙质砂颗粒破碎特征和发展规律,建立了可进行钙质砂三轴试验的离散元数值模型。首先通过预压均匀级配的钙质砂破碎生成不同初始级配的试样,进行不破碎三轴剪切过程的数值试验,以确定临界状态与固定级配的对应关系。结果表明,一个固定级配对应一条固定的临界状态线,在压缩平面内各固定级配临界状态线基本平行但是位置随颗粒级配的拓宽(颗粒破碎程度的增大)而逐渐降低。然后,采用相同均匀级配的试样,进行加载过程颗粒可破碎的三轴试验,以揭示实际三轴试验中临界状态线的变化机理。结果表明,在e-p-B_(r)三维空间中,可破碎三轴试验的各临界状态点都落在由固定级配临界状态线所确定的破碎临界状态面上,说明临界状态由最终的颗粒级配决定,而与产生该颗粒级配的过程无关。实际物理试验中,不同围压和应力路径达到临界状态时颗粒破碎程度的不同是导致实测临界状态线出现复杂变化的机理;在三轴压缩剪切情况下,颗粒破碎程度基本随着有效球应力的增大而增大,所以实测的颗粒破碎临界状态线相对于固定级配的临界状态线呈现出旋转的变化。

基于对数几率回归模型的粗颗粒土颗粒破碎过程演化研究

掌握粗颗粒土颗粒破碎过程演化具有重要的现实意义,但已有研究未能对颗粒级配的演化中间过程进行预测。为弥补粗颗粒土颗粒破碎演化中间过程预测研究的不足,引入存活概率与破碎概率比值,采用对数几率回归方法,建立了基于对数几率回归的颗粒级配曲线演化模型,分析了模型参数的敏感性。基于所建立的演化模型,推导了相对颗粒破碎指标的数学计算公式,并讨论了土体颗粒破碎的有界性。最后,基于已有试验数据进行了模型的应用分析。应用结果显示:模型预测值与实测值吻合,论证了基于对数几率回归预测模型与相对破碎率预测值公式的合理性。该研究成果将有助于对粗颗粒土材料颗粒破碎演化中间过程的理解。

冲击荷载作用下粗粒土破碎过程演化研究

冲击荷载作用容易导致粗粒土颗粒破碎,从而影响其工程特性。为探索冲击荷载作用下粗粒土的颗粒破碎特性及粒度分布演化规律,采用YX-30型电动重型击实仪对2组典型级配的粗粒土开展冲击试验,探讨含水量、冲击次数及级配对粒组变化的影响。为进一步描述颗粒破碎演化中间过程,在颗粒含量与相对粒径坐标系中提出一种连续级配粗粒土的级配方程,并验证该方程的适用性。在相对坐标系中定义一个破碎率指标,推导破碎率指标的数学表达式,利用破碎率指标研究冲击荷载作用下粗粒土颗粒破碎演化规律。研究结果表明:本文提出的破碎率指标可以描述粗粒土颗粒破碎演化中间过程,颗粒破碎率随含水量的增加呈先增大后减小的趋势,颗粒破碎率与冲击能的关系可采用双曲线函数来描述。

考虑颗粒破碎的堆石料蠕变特性研究

高土石坝竣工之后,坝体内堆石颗粒会不断发生破碎和重组,这在宏观上表现为堆石体不断产生蠕变变形.过大的堆石体蠕变变形会使得大坝防渗体发生破坏,从而危害大坝的安全运行.颗粒破碎是导致堆石体蠕变的主要因素之一,为研究颗粒破碎效应对堆石料蠕变特性的影响,在堆石料单粒强度的Weibull分布和颗粒分形破碎理论的基础上,引入了考虑时间效应的颗粒延迟破坏强度公式,并推求了蠕变条件下堆石料的级配演化过程.之后通过建立蠕变和破碎参量的关系,实现了对三轴试样蠕变变形的计算.最后通过堆石料三轴蠕变试验验证了方法的有效性.新提出的方法不仅能合理预测堆石料的蠕变变形,而且可以较好地反映蠕变过程中试样级配曲线的演化.