粒状岩土材料颗粒破碎演化规律的模型预测研究EI北大核心CSCD

荷载作用下粒状岩土材料的颗粒破碎改变了粒径分布,从而影响其力学特性。为了揭示应力水平对颗粒破碎的影响规律,利用一系列高压应力下的侧限压缩试验研究钙质砂和石英砂的压缩变形、应力–应变关系、粒径分布的演化和颗粒破碎特性。在此基础上,建立描述粒状岩土材料的应力水平与孔隙比、体应变、相对破碎率等相关关系的数学模型。研究结果显示:无论是钙质砂还是石英砂,随着应力水平的增加,一旦颗粒破碎增长致使砂粒趋向分形分布,体应变与相对破碎率的比值将保持恒定。恒定比值意味着基于体应变就可估算相对破碎率,其数值为石英砂大于钙质砂。如果颗粒分布发展至分形分布,其孔隙比、体应变、相对破碎率的增量随应力水平的变化规律,可以用形式统一的数学模型表达。基于试验获得的模型参数,该模型可用于预测颗粒在分形分布阶段的相对破碎率。     

钙质砂和石英砂压缩下的颗粒破碎与形状演化

颗粒破碎现象对土体力学性能具有显著影响。以往关于颗粒破碎的研究多关注于粒径的变化,忽视了颗粒形状的变化。为研究破碎过程中颗粒形状的演化规律,开展了钙质砂和石英砂的侧限压缩试验,对试验过程中颗粒形状参数的进行了量化研究。结果表明两种砂土的相对破碎率均随着单位体积塑性功的增加而增加,表现出明显的双曲线关系。钙质砂的长径比、球形度和圆度会随着破碎程度的增加而增加,凸度变化不明显;随破碎量的增加,石英砂颗粒的长径比和球形度先减少后增加,凸度持续减少至稳定,球形度持续增加。通过定义试样整体的形状值能很好的量化颗粒形状的变化规律。并且钙质砂整体形状值与相对破碎率满足双曲线关系,石英砂则为抛物线关系。     

侧限条件下钙质砂压缩和破碎特性试验研究

对取自南沙群岛永暑礁附近海域的钙质砂进行了不同终止压力下的侧限压缩试验,指出钙质砂在侧限条件下的压缩特性与粘土类似,其原因是钙质砂在常压力作用下发生了颗粒破碎。同时,对所有试样在试验前后进行了颗粒大小分析试验,并用Hardin模型对其破碎进行了度量。     

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...     

钙质砂的颗粒破碎和剪胀特性的围压效应

低应力水平下的颗粒破碎现象使钙质砂的应力-应变关系具有特殊性，引入颗粒强度的概率分布，得到描述颗粒破碎的损伤参量，建立了钙质砂的损伤边界面模型，分析了颗粒破碎、剪胀性、围压三者的关系，理论计算结果与试验结果吻合较好。     

基于分形理论的钙质土颗粒破碎状态演化研究

颗粒破碎会使土体的颗粒级配发生重大变化,而颗粒级配的变化又会显著影响土体的物理力学性质.采用冲击荷载试验对单一粒组以及复杂粒组的钙质土在冲击荷载作用下的破碎行为进行研究,根据单一粒组试验结果,基于分形理论,建立单一粒组在破碎状态下的颗粒级配演化函数;该函数仅包含2个参数,分形维数D以及破碎率PB,且D与PB皆为输入能量...     

珊瑚砂接触面剪切颗粒破碎特性研究

珊瑚砂与结构物的相互作用广泛存在于岛礁工程中,由于珊瑚砂强度低、易破碎,在受到荷载作用时,容易发生颗粒破碎致使接触面力学特性更复杂。通过珊瑚砂-钢板接触面环剪试验,并使用石英砂进行对比,揭示了珊瑚砂接触面剪切后颗粒破碎演化及颗粒形貌变化规律。结果表明：在相同的条件下,珊瑚砂产生小颗粒的含量明显高于石英砂,0.5～1 mm和1～2 mm粒径的珊瑚砂分别存在300 kPa和200 kPa的临界竖向压力,当竖向压力高于临界压力时,竖向压力对PSD曲线的影响明显降低。珊瑚砂与石英砂破碎率均随竖向压力增大而增加,且分别与竖向压力呈指数函数关系和线性关系。剪切后颗粒形貌由不规则向圆形发展,且竖向压力较大时,珊瑚砂与石英砂整体上颗粒形貌比较接近,都更趋于圆形。     

侧限压缩下石英砂砾的颗粒破碎特性及其分形描述

利用侧限压缩试验研究高压应力下石英粗砂和细砾的颗粒破碎特性,基于分形模型和粒径分布资料,研究颗粒的破碎分形。结果表明:颗粒破碎量随着压力的增加而增加,并与粒径大小有关。随着破碎量的递增,粗砂的内摩擦角逐渐增大,细砾的内摩擦角先增大后减小,二者最终均趋于稳值;石英砂砾破碎后的粒度分布具有良好的分形特性,破碎分维数的数值大小反映了破碎量的变化,破碎量愈高,分维数愈大,并与Hardin破碎率有较为显著的线性关系。破碎分维数和Hardin破碎率与压应力之间分别存在着双曲线关系和半对数线性关系,因而通过压应力和土粒参数就可估计破碎分维数和破碎率。破碎分维数为粒状材料的颗粒破碎分析提供了一个新的量化指标。     

考虑钙质砂颗粒破碎的分数阶边界面本构模型

钙质砂作为海洋工程中广泛应用的建筑材料,颗粒破碎会导致其强度和剪胀性降低,压缩性增加,影响构筑物的安全和稳定。通过引入破碎应力建立考虑颗粒破碎的临界状态线来描述破碎对临界状态线位置和形状的影响;并基于分数阶微分和状态相关理论建立了统一的状态相关分数阶塑性流动法则;在边界面塑性理论和临界状态理论框架下建立了考虑钙质砂颗粒破碎和状态相关特性的分数阶塑性边界面本构模型。模型能够模拟不同初始密实度和围压条件下钙质砂三轴排水试验结果和颗粒破碎影响下的状态相关行为,并验证了模型的适用性。     

粒状材料颗粒破碎的力学特性描述

基于粒状材料的颗粒破碎对材料剪胀特性的影响以及描述特征状态应力比的幂函数表达式,提出相应的屈服面和屈服面的表达式,并对屈服面随参数的变化规律进行分析。分析结果表明:通过选取适当的参数,屈服面能够完全回归到修正剑桥模型屈服面的形式。最后,结合适当的等向压缩条件和统一硬化参数,将屈服面应用到砂土的本构模型,能够很好地预测试验结果,合理描述砂土颗粒破碎的力学特性。     

考虑颗粒破碎影响的粗粒土的剪切强度理论

由于粗粒土的粒径相差很大,通过剪切试验测量粗粒土的剪切强度很麻烦,且剪切试验费时费力、试验数据离散性大;另外,已有剪切强度经验公式中的参数没有明确的物理含义,工程应用中难以确定。本文根据颗粒破碎的分形模型,揭示单颗粒破碎强度的尺寸效应,假设剪切强度是颗粒接触面上的摩擦力,导出用正应力幂函数表示的粗粒土剪切强度公式,幂函数的指数是颗粒破碎分维的函数,并采用垃圾炉渣的颗粒破碎分维和剪切强度试验结果进行验证。     

岩土材料破损特性的颗粒流研究

基于颗粒流理论,利用颗粒接触胶结本构模型,建立结构性岩土材料的颗粒流模型。通过颗粒流数值模拟试验,对结构性岩土材料破损的细观机理作了初步的研究。试验中采用胶结在一起的小圆盘去代替一个可破碎颗粒,再在可破碎颗粒之间施加适当的胶结,形成结构性岩土材料试样。在试验过程中通过记录胶结破损的数目和空间位置,就可以直观反映结构性岩土材料破损特性。试验表明试样在低围压下压缩试验中应力应变曲线表现为软化型,伴随剪切带的形成,有必要区分体积破损率和面积破损率。试样在高围压下压缩试验应力应变曲线表现为硬化型,没有明显的剪切带形成,表现为体积破损。分析表明颗粒流方法是研究岩土材料破损特性的一个有力工具。     

考虑颗粒破碎影响的珊瑚砂临界状态与本构模型研究

临界状态是土力学中一个非常重要的概念,是许多土体本构模型建立的基础。对于珊瑚砂,由于显著的颗粒破碎,其变形特性和临界状态值得深入探讨。通过不同密度和不同围压组合的一系列三轴试验,研究了颗粒破碎对土体变形特性和临界状态的影响,建立了考虑颗粒破碎影响的珊瑚砂临界状态数学表达式,并将其引入砂土状态相关剪胀方程,提出了考虑颗粒破碎影响的珊瑚砂状态相关剪胀方程和本构模型。该模型仅采用一套模型参数就能较好地反映珊瑚砂在不同密度、不同围压条件下的应力变形特性,并且可以考虑珊瑚砂的颗粒破碎特性。     

基于破碎能耗的粗颗粒料本构模型

现有的考虑颗粒破碎的本构模型主要是通过引入颗粒破碎率来反映颗粒破碎对材料力学性质的影响,由于颗粒破碎率只是粗颗粒料在受外荷作用下的一种外部表现,在测定的其它参数中实际上已经包含了颗粒破碎的影响,因此为反映颗粒破碎而引入颗粒破碎率的方法是不合适的。基于Ueng和Chen剪胀方程,通过分析三轴剪切试验过程中的能量平衡,提出了考虑颗粒破碎的剪胀方程及其参数确定方法。将Rowe剪胀方程和考虑颗粒破碎的剪胀方程分别引入Duncan E-非线性模型和沈珠江“南水”双曲服面模型,通过与三轴CD剪切试验成果的对比分析和工程实例的有限元数值分析,表明所提模型可较好地反映材料的剪胀特性。如采用弹塑性模型尚能反映颗粒破碎在增加变形的同时降低了材料的强度等特性,验证了所提模型的合理性和可靠性。与现有的考虑颗粒破碎的本构模型相比,所提模型具有试验工作量小、参数少和参数物理意义明确等优点,便于在工程中推广使用。     

三轴应力路径下珊瑚砂的颗粒破碎模型

基于不同轴向应变下平行试样的三轴试验结果,分析了珊瑚砂在三轴排水与不排水条件下颗粒破碎随加载的演化过程,探讨了现有的颗粒破碎能量模型和基于应力的Hardin破碎模型的局限性.为了更好地分析颗粒破碎中间发展过程的特征,将引起颗粒破碎的机制分解为压缩和剪切两部分,并分别建立了与之相对应的破碎模型.压缩机制是指在等应力比条件...     

考虑颗粒破碎的砂土高应力一维压缩特性颗粒流模拟

以Toyoura砂室内高应力一维压缩试验结果为基础,利用二维颗粒流方法中的接触黏结模型生成簇颗粒单元来模拟实际砂土的颗粒破碎特性。高应力一维压缩数值试验中,数值试样由887个簇颗粒单元组成。数值试验与室内试验结果对比表明:数值试验得到的压缩曲线形状及颗粒破碎屈服应力大小均与Toyoura砂室内试验结果一致,说明数值试验能够较好地再现实际砂土在高应力一维压缩条件下的颗粒破碎特性。与室内试验相比,利用数值试验不仅能得到宏观的颗粒破碎现象,而且还能通过分析内部接触力的变化和对黏结破裂位置的追踪来研究颗粒破碎的细观演化规律,从而可进一步探讨颗粒破碎的细观力学机制。最后,就细观参数、加荷速率、簇颗粒数量及试样平均粒径等因素变化对数值试验结果的影响进行了分析。     

基于离散元法的颗粒破碎模拟研究进展

颗粒破碎对颗粒集合体的力学响应有着显著的影响。由于试验手段的限制,基于物理试验的颗粒破碎细观尺度的研究受到很大制约。离散元法为从不同尺度上研究颗粒破碎对颗粒集合体力学特性的影响提供了一条有效的方法。通过回顾国内外现有研究成果,介绍了基于离散元模拟颗粒破碎的两种方法,即基于颗粒黏结模型和基于碎片替换法的颗粒破碎模拟方法,论述了这两类方法的特点。基于颗粒黏结模型的颗粒破碎模拟方法破碎程度有限而且难以开展较大规模模拟计算,基于碎片替换法的颗粒破碎模拟方法需要考虑碎片替换模式和颗粒破碎准则这两个关键问题。整理并讨论了现有破碎模式中碎片颗粒的数目、尺寸分布、满足质量守恒定律的策略以及破碎的应力判定准则和力判定准则。提出了基于离散元的颗粒破碎模拟方法可能的研究方向。     

Particle breakage evolution of coral sand using triaxial compression tests

Particle breakage continuously changes the grading of granular materials and has a significant effect on their mechanical behaviors.Revealing the evolution pattern of particle breakage is valuable for development and validation of constitutive models for crushable materials.A series of parallel triaxial compression tests along the same loading paths but stopped at different axial strains were conducted on two coral sands with different particle sizes under drained and undrained conditions.The tested specimens were carefully sieved to investigate the intermediate accumulation of particle breakage during the loading process.The test results showed that under both drained and undrained conditions,particle breakage increases continuously with increasing axial strain but exhibits different accumulating patterns,and higher confining pressures lead to greater particle breakage.Based on the test results,the correlations between particle breakage and the stress state as well as the input energy were examined.The results demonstrated that either the stress state or input energy alone is inadequate for describing the intermediate process of particle breakage evolution.Then,based on experimental observation,a path-dependent model was proposed for particle breakage evolution,which was formulated in an incremental form and reasonably considers the effects of the past breakage history and current stress state on the breakage rate.The path-dependent model successfully reproduced the development of particle breakage during undrained triaxial compression using the parameters calibrated from the drained tests,preliminarily demonstrating its effectiveness for different stress paths.