颗粒形状对碎石基层力学性能影响的离散元模拟研究

高速公路的碎石基层性能受碎石颗粒的性质影响,颗粒的形状是影响碎石基层压载性能的一个重要特征,用角度指标和球度指标来表示。通过离散元模拟采用重叠刚性簇方法研究了颗粒角度和颗粒球度对碎石土宏观和微观力学特性的影响。建立了相同孔隙比条件下不同颗粒形状的碎石土三轴试验数值模型,探讨了内摩擦角、体应变、力学配位数、组构及接触力链的演化。结果表明:内摩擦角随角度A I的增大而增大,随球度SPH的增大而减小;大应变下的剪胀率随着A I的增加而显著增加,剪胀率随球度SPH的增加而先增大后减小;微观方面,力学配位数随角度A I的增大而增大,随球度SPH的增大而减小;接触偏组构随着A I的增加和SPH的降低而增加;颗粒形状影响微观接触力链的分布进而影响试样宏观抗剪强度。

富水砂卵石地层盆形冻结止水技术研究

为解决全断面砂卵石地层地下工程的地下水控制问题,提出盆形冻结止水技术。首先,采用三轴力学试验研究冻结砂卵石的压缩力学特性和蠕变力学特性;然后,采用大尺度物理模型试验和数值模拟方法研究盆形冻结的温度场扩展规律,并根据研究结果进一步提出盆形冻结积极冻结期的群孔布置技术和维护冻结期的精细化控制技术。结果表明:1)低围压(小于3 MPa)条件下,三轴抗压强度与围压呈正线性相关,然后围压继续增大时,强度基本不变;基于损伤理论建立冻结砂卵石全过程蠕变模型。2)荷载对冻胀率及融沉系数影响最大,细粒土质量分数次之,原状饱和砂卵石是不冻胀材料,并由此建立饱和砂卵石冻胀率及融沉系数三维预测模型。3)基于大型物理模型试验及数值模拟结果,盆形冻结可以在地下水渗流条件下形成完整的盆形结构,起到有效止水的效果。4)盆底冻结管在冻结过程中表现出与单管冻结迥异的“群孔效应”,根据试验结果提出包含冻结管间距、土体导热系数、渗流速度3因素的积极冻结期冻结管合理间距的确定与布置技术。5)为节约维护冻结期的能源,提出隔排切割冻结管、仅保留盆壁冻结管2种维护形式以对冻结区域进行精细化控制,经过分析,2种方式均可以有效满足盆形结构维护期的冷量供给,保持完整的盆形形态。

重载铁路基床级配碎石动弹性模量及颗粒破碎试验研究

针对级配碎石的动力特性以及颗粒破碎性质,采用室内动三轴试验,研究其在循环荷载作用下循环应力比(cyclic stress ratio,CSR)、围压以及加载次数对累积动应变、动弹性模量、颗粒形状系数和颗粒破碎的影响。研究结果表明,不同CSR条件下,加载次数达到10000次时,累积动应变基本完成。随着加载次数的增加,不同CSR下的动弹性模量逐渐减小,滞回圈面积逐渐增加后保持稳定。低围压下,CSR对动弹性模量影响不显著,动弹性模量增加幅度较少;高围压下,动弹性模量随着CSR的增加而增长较大。循环荷载作用下,颗粒破碎方式主要为研磨;颗粒粒径越大,试验后的颗粒形状系数球度越大,颗粒越靠近球形,其轮廓线越圆滑。当CSR小于0.3时,影响颗粒破碎的主要因素为动应力大小,而围压影响不显著;当CSR大于0.3时,颗粒破碎主要因素受动应力和围压共同影响。

模拟降雨条件下角砾和圆砾对陡峭路堑边坡产流产沙的影响

[目的]研究角砾和圆砾对陡峭工程边坡入渗、产流、产沙以及水动力学特征,为青藏高原地区工程边坡土壤侵蚀预测模型与水土保持工作提供一定的理论支撑。[方法]基于青藏高原地区派墨农村公路沿线气候特征及其土质路堑边坡形态和物质组成特征,通过室内人工降雨模拟试验,研究了在强降雨(120 mm/h),大坡度(50°),3种砾石含量(30%,40%,50%)条件下圆砾和角砾坡面宏观侵蚀特征和产流产沙规律。[结果]圆砾坡面平均入渗率高于角砾坡面,平均产流率低于角砾坡面,初始产流时间明显晚于角砾坡面;圆砾和角砾坡面水流流态均属于层流,流型均为急流,圆砾坡面的径流剪切力、径流功率、雷诺数略小于角砾坡面,但弗劳德数远大于角砾坡面,流速大于角砾坡面,阻力系数小于角砾坡面,径流挟沙能力更强;圆砾坡面稳定产沙率约为角砾坡面的2倍,总产沙量比角砾坡面高出约20%。[结论]卵砾石表面光滑,与土壤间贴合不够紧密,形状更容易引起局部湍流,在强降雨条件下,陡峻冲洪积路堑边坡坡面易发育以卵砾石为中心,遍布坡面的环形小细沟,细沟发育数量和产沙量都将大于以棱角状碎块石组成的崩坡积路堑边坡。

砾石层异型齿PDC钻头的设计及现场试验

塔里木盆地库车山前盐上砾石层发育,砾石含量高、粒径大、抗压强度高,地层可钻性差,钻速慢,井下复杂多。为此,文章针对山前盐上大段砾石层进行了地层砾石层特征和钻头失效模式分析,并在此基础上进行了PDC钻头的异型齿结构设计、优化布齿及冠部形状等设计,形成抗冲击、强攻击性的异型齿PDC钻头设计方案,从而提高了PDC钻头的抗冲击、抗涡动及破岩效率,有效扩大钻头在砾石层中的适用范围。钻头在山前高含砾地层进行了现场试验,取得了优异的应用效果,单只钻头平均进尺达到530 m,平均机械钻速达到4.28 m/h,同比邻井在该地层钻井效果最好的10只PDC钻头的单只钻头进尺提高了42%,平均机械钻速提高了52%,成功解决了塔里木盆地库车山前盐上砾石层钻井的低机械钻速及短进尺的问题。

武汉阳逻砾石层砾石统计分析研究

阳逻砾石层是长江中下游新生代的一个重要的岩石地层单位,不仅具有重要的地层学意义,在长江中下游古地理和古环境研究中也具有重要价值。砾石统计分析可为阳逻砾石层研究提供重要参考。阳逻砾石层砾石统计分析表明,砾径主要是中粗砾和粗砾;砾向主要是北西和南西方向;砾性主要是石英砂岩、脉石英、硅质岩、石英岩、砾岩和砂岩;砾态主要表现是磨圆度好。由此分析认为阳逻砾石层可能为远源物质,来源方向主要为北西和南西;一个可能是来源于长江的干流以上,另一个可能是来源于长江支流倒水的上游大别山南麓;阳逻砾石层沉积时水动力条件较强,且在不同的时期沉积环境不一样。

块石颗粒形状对碎石土渗流特性影响研究

碎石土是由不同形状的块石颗粒组成,块石颗粒形状不仅会影响碎石土内部的细观结构,也会影响其渗流特性.基于碎石土细观结构模型,将不同形状的块石颗粒简化为圆形、正方形、正六边形和正八边形,分析块石形状对碎石土的渗流特性影响.发现不同形状块石组成的碎石土中水的渗流量不同,随着孔隙率增大,块石形状对其渗流特性的影响越明显.常水头渗流试验表明:不同形状块石,渗透系数差异明显,其中规则块石(近似正方体)渗透系数最大,泥岩颗粒(近似多面体)渗透系数最小.数值模拟试验结果与常水头试验结果二者的规律吻合,说明数值模拟试验结果可靠.

浙江朱家尖岛砾石海滩沉积物分布及形态特征

砾石海滩是波浪作用下形成的海岸地貌类型 .在浙江朱家尖岛的大乌石塘和小乌石塘两处口袋状砾石滩 ,采集了砾石滩不同部位的沉积物样品 .根据样品的粒度分析和颗粒形态分析 ,发现砾石滩沉积物粒度参数及砾石形态参数在横向和纵向上的分布特征为 :横向上 ,砾石平均粒径由陆向海递减 ,分选变好 ,扁长度及杆状程度由砾石堤顶部向海递增 ,球度以潮间带为最低 ;纵向上 ,大乌石塘砾石粒径由湾顶向南北两个方向递减 ,分选变好 ,球度降低 ,杆状程度提高 ,而小乌石塘砾石粒径由海滩南部向北递减 ,分选先变好再变差 ,球度减小 ,扁长度及杆状程度提高 .小乌石塘海滩顶部砾石对应的水深为 5m、周期为 1 0s临界起动轨迹流速和临界波高分别为 3 .2 8m/s和 4 .84m ,大乌石塘的临界起动轨迹流速、临界波高分别为 3 .1 7m/s和 4 .69m .砾石形态参数和平均粒径的变率分析表明 ,小乌石塘在横向上的磨蚀作用的效应略强于搬运作用 ,而在纵向上却略弱于搬运作用 ;大乌石塘的海滩砾石主要发生磨蚀作用 ,在横向上的搬运作用非常微弱 。

基于不规则颗粒的砾岩力学性能数值模拟研究

砾岩非均质性强,力学性质复杂。基于离散元方法,使用三维激光扫描技术获取了真实砾石的颗粒形态,建立了含不同粒径颗粒的砾岩三维数值模型。基于此数值模型开展单轴抗压模拟实验,将实验结果与均质数值岩心对比,分析了砾岩破坏形式和规律,讨论了颗粒粒径大小和颗粒形态对砾岩力学性质的影响。结果表明:在加载过程中,由于砾石颗粒的阻碍,裂缝需绕过砾石颗粒逐步贯通,从而导致岩样的位移和破坏形式较为复杂,没有形成与均质岩心类似的剪切带。在加载初期裂纹数目少、增加缓慢,在应力峰值附近裂纹数量迅速增加,岩样瞬间破坏,表现出较为明显的“鼓涨”效应。砾石颗粒粒径对砾岩的破坏机理和形式影响不明显,但随着粒径的增加,砾岩单轴抗压强度和弹性模量降低。相对于圆形颗粒,基于真实砾石颗粒形态的数值模型,能够模拟砾石间的摩擦力,拥有更高的强度,能更好地反映砾岩力学性质。

干旱胁迫下不同生态型西瓜叶片抗氧化酶活性及产量分析

选取11份不同生态型西瓜品种为研究对象,通过比较它们在旱砂田和正常供水条件下的生理响应,研究开花期不同生态型西瓜叶片抗氧化酶活性等生理特性。结果表明:旱砂田生长环境对西瓜形成较为强烈的干旱胁迫作用,不同生态型西瓜产量均降低,大果形西瓜产量降低幅度为18.6%~35.3%,小果形降低59.7%~67.8%,且品种间存在显著差异。分析认为大果形西瓜抗旱性优于小果形;干旱胁迫下,叶片丙二醛、脯氨酸积累,抗氧化酶SOD、POD、CAT活性增加,表明西瓜对干旱生长环境具有较高的敏感性,但不同生态型西瓜对干旱生长环境的生理响应存在显著差异;大果形西瓜品种脯氨酸含量、SOD、POD、CAT活性增幅较大,分别为83.2%~121.4%、55.2%~75.3%、118.1%~204.4%、52.0%~86.6%,而丙二醛含量增加幅度较小,为13.4%~39.8%;综合比较不同生态型西瓜产量和生理响应差异,认为不同生态型西瓜在旱砂田条件下均有一定的产量形成,且大果形西瓜抗旱性优于小果形,品种(组合)中青9号、NWU-13、陇抗9号、陇抗11号、JY12、津抗5号抗旱性较强,适合旱砂田栽培应用。

残坡积碎石物理特征与持水性的空间变异性研究

针对残破积碎石土斜坡浅层碎石的级配、粒径及其持水性等特征因素在降雨诱发滑坡中表现敏感,以湖南省湘潭市昭山区坡表碎石土中碎石为研究对象,应用图像处理分析了碎石颗粒的空间分布变异特征、粒度特征与复杂度,并结合强降雨模拟实验研究了堆积碎石（母岩为粉质砂岩）的持水特性。研究发现：坡表含石量在49.75%-77.63%之间,沿坡面向下降低;颗粒级配组成沿斜坡分布均良好,且坡脚的不均匀系数比坡顶大,不利于雨水入渗;圆度主要分布在0.6-0.9区间内,其累计平均值为93.4%,且圆度在0.8-1.0区间内沿坡面向下呈增加趋势,在0.5-0.8区间内则相反;块体长短轴比的平均值位于1.4-1.497之间,且沿坡面向下有变小趋势;碎石复杂度沿坡面向下有增加趋势。碎石的饱和吸水率均小于5%,且饱和吸水过程与降雨历时存在指数关系,碎石的饱和吸水率及饱和堆积碎石的滞留水量随着平均等效粒径的增加而减小。

花岗岩残积土中砾石颗粒的二维形状特征及其簇重构

花岗岩残积土中的砾石成分对其工程性质有重要影响。以闽南地区典型花岗岩残积土中的砾石颗粒为对象,通过图像分析法得到其颗粒的二维形状轮廓,引入一系列基本几何参数和高阶量化指标,定量描述了颗粒的二维形状特征。结果表明:砾石颗粒形状具有一定的狭长特征,由于运动过程中的碰撞、摩擦作用,颗粒表面平滑;颗粒长细比与颗粒圆度之间具有显著的线性相关性,可依此两个高阶量化指标将颗粒形状定量地分为类球形、半球形半棱形和类棱形三类。基于以上研究,论文通过颗粒一维线轮廓的傅里叶描述子与形状相似度分析,遴选出25种典型砾石颗粒,在PFC平台实现了砾石颗粒的簇重构。

北京砂卵石地层盆形冻结的温度场扩展规律研究

地下工程盆形冻结止水结构包括位于开挖范围周围的冻结帷幕(盆壁)及开挖范围底部的水平冻结板(盆底)两部分。采用物理模型试验与数值模拟的方法,分析了北京典型富水砂卵石地层条件下盆形冻结在静水及0.5 m/d渗流条件下的温度场扩展规律。研究发现:盆形冻结技术作为冻结工法在市政工程领域的全新应用,对地下工程的施工区域能够有效起到冻结止水效果;盆形结构不同部位在不同的渗流条件会表现出不同的冻结交圈次序,静水条件下盆壁冻结管会先于盆底冻结管交圈,渗流条件下则依次是顺水流盆壁、盆底、背水面盆壁、迎水面盆壁,此时盆壁冻结是制约盆形冻结的关键因素,实际工程应重点关注盆壁冻结;冻结厚度是评价冻结效果最直观的指标,在静水条件下盆壁厚度趋于稳定,盆底水平冻结板厚度逐渐超过盆底冻结管长度且向盆内与盆外两个方向同时发展;渗流条件下,迎水面盆壁厚度最小,背水面盆壁由于绕流现象出现冻结锥体而局部厚度增大,盆底水平冻结板厚度仅向盆内单向发展。

土压平衡盾构楔犁刀松动砂卵石地层力学行为研究

为研究砂卵石地层中土压平衡盾构刀土相互作用的力学行为,揭示楔犁刀的楔犁松动机制,首先,将刀盘前方砂卵石地层等效为连续介质,采用Terzaghi地基承载力模型与Mckyes-Ali模型求解楔犁刀楔犁松动作用下砂卵石地层的破坏强度;然后,引入楔犁指数k表征楔犁刀反复松动地层、地层颗粒间咬合作用被逐渐破坏、地层强度逐渐降低的楔犁松动状态,分析复杂刀具配置条件下整盘刀具楔犁地层时的受力情况;最后,通过计算得到单把楔犁刀楔犁地层所需的环向松动力及轴向顶进力,并提出砂卵石地层楔犁刀梯次松动地层与刮刀剥落渣土的受力计算方法,得到整盘刀具松动地层所需的扭矩及贯入推力,分析贯入推力和扭矩的影响因素。采用本文提出的计算分析方法计算土压平衡盾构楔犁刀与刮刀组合松动砂卵石地层时刀具的受力(推力和扭矩)与工程实测结果基本相符。研究结果表明:楔犁刀分层、超前于刮刀布置可以有效降低松动地层所需的贯入推力和扭矩,达到降低盾构掘进所需总推力及总扭矩的目的。

颗粒形状影响下碎石-桩界面侧摩阻力计算研究

提出了一种颗粒形状影响下碎石地层中碎石-桩界面侧摩阻力计算方法,使用可描述应力应变硬化及软化的界面剪切函数计算单桩侧摩阻力;为探究碎石颗粒形状对界面剪切应力应变行为的影响,制备了八种碎石,使用图像处理的方法获得碎石的形状参数(长细比、凸度及球度);考虑三种形状参数的权重,提出了一种改进的颗粒整体规整度的计算方法;建立不规则碎石-桩界面剪切的离散元模型,探究了颗粒整体规整度与临界界面摩擦角、界面剪切临界状态之间的关系.结果表明:颗粒整体规整度与临界界面摩擦角之间存在很强的线性关系,且整体规整度只改变临界状态线的截距.在桩侧摩阻函数中考虑颗粒形状的影响,并求解碎石地层中竖向荷载下不同深度桩基础桩侧摩阻力.将室内试验结果与采用本文提出的考虑颗粒形状的桩侧摩阻计算方法获得结果进行对比,验证了本文所提出方法的适用性及准确性.

砂砾岩压裂中砾石对水力裂缝扩展影响机理研究

近年来砂砾岩油气藏在新探明储量中占比逐年上升,砂砾岩油气藏的开发也逐渐受到重视。砂砾岩具有渗透率低、导流能力差的特性,在开发砂砾岩油藏时需要进行大规模水力压裂形成缝网,但是由于砾石阻碍复杂缝网的形成,导致砂砾岩压裂增产效果不理想。因此针对砂砾岩的结构特征,根据断裂力学理论,以砂砾岩地层中水力裂缝为研究对象,探讨在砂砾岩地层压裂时砾石对水力裂缝扩展的影响规律。研究结果表明,水力裂缝与砾石产生相互作用后,水力裂缝的扩展以绕砾石扩展为主,少数情况下会穿过砾石;砾石的形状对水力裂缝的绕砾行为具有显著影响;随着水力裂缝在绕砾过程中的扩展方向改变,水力裂缝绕砾越来越困难;砾石越圆,水力裂缝的绕砾扩展越容易。该研究进一步揭示了水力裂缝与砾石的相互作用规律,对于砂砾岩油气藏的开发有一定的借鉴意义。

碎石颗粒形态特征及其与堆积特性的关系

颗粒形态对碎石集料宏观力学性质有显著影响,准确描述其形态特征是从微细观层面研究材料宏观力学行为的基础性工作。针对颗粒形状、棱角、纹理3个尺度的形态特征,探讨了基于颗粒几何尺寸的量化表征参数;分析了不同粒组碎石颗粒形态特征表征参数的分布规律;结合单粒组颗粒堆积试验,讨论了颗粒形态特征与堆积孔隙率的关系。有以下结论:(1)提出的以周长为核心表征的颗粒形态特征量化参数,对颗粒形态以及形状、棱角、纹理3个尺度形态特征具有较好甄选能力;(2)基于每个粒组1000个颗粒样本统计分析表明,描述颗粒形态及形状、棱角、纹理特征的参数均符合对数正态分布;(3)颗粒集合体的综合棱角、纹理指数与松堆和密堆条件下的孔隙率具有较好的映射关系,颗粒棱角与纹理是影响堆积孔隙率的主控因素。

戈壁砾石防护效应的风洞实验与野外观测结果——以敦煌莫高窟顶戈壁的风蚀防护为例

为了解决威胁敦煌莫高窟安全的风蚀问题 ,将风洞实验与野外观测结合起来研究砾石覆盖对风蚀的抑制效应 ,发现 1砾石的形状和高度在增加地表粗糙度、抑制风蚀危害中起着非常重要的作用 ,2风蚀作用停止后的稳定床面有其特定的粒径配置和砾石覆盖度。根据实验和野外观测的结果 ,对莫高窟顶戈壁地区的砾石床面进行分析并制定了具体的防护措施。

斜入射地震作用下坡面形态对碎石土边坡稳定性影响研究

本文研究了在震源近场时,地震波斜入射条件下,不同坡面形态对碎石土边坡稳定性的影响。利用FLAC3D有限差分软件,建立了多种坡面形态的边坡模型。采用对比方法,分析了边坡在地震波作用下的稳定性。结果表明:临空坡面对输入地震波有放大效应;坡面的水平位移与加速度峰值随高度增加而增大,随坡度增加而增大;随着坡面凹度的增大,剪应力增量向坡肩处集中,坡肩愈加不稳定;随着坡面凸度的增大,剪应力增量向坡腰处集中,坡腰愈加不稳定;台阶对坡面的加速度放大效应有削弱作用,台阶数越多越稳定。同时给出了边坡防治的几点建议:减小坡面的坡度;对凹型坡加强坡肩位置处的防治,对凸型坡加强坡腰位置处的防治;对高边坡可设置多级台阶增加稳定性。

DEM拟合级配碎石材料大三轴试验的颗粒粗糙度效应研究

为充分利用石质弃渣,填石路堤已经成为山区高等级公路较普遍的路堤形式,为确保填石路堤的稳定性,急需开展弃渣碎石材料性质的研究。为研究颗粒粗糙度对样本性质的影响,本文以雅泸路某隧道废弃碎石的室内大三轴试验数据为基础,开展离散元法模拟级配碎石材料大三轴试验的颗粒粗糙度效应研究。论文详细介绍了样本颗粒形态及粗糙度的模拟原理、级配碎石数值样本的生成过程。分析数值试验过程及结果表明:团粒形态样本可以更真实地模拟碎石材料的骨架-孔隙结构,样本加载前有着合理、均匀的接触力分布形式;团粒间的镶嵌结构可以极大的提高样本强度,变形过程中体现出不规则颗粒间的咬合、滑动特征;样本强度与颗粒粗糙度(即D4值)有着线性正比关系;样本初始平均接触数是决定样本内摩擦角的决定性因素;团粒形态样本平均接触数随轴向变形发展的变化规律再现了颗粒材料弹性变形的微观力学机制。