考虑级配和颗粒破碎影响的堆石料临界状态研究

临界状态土力学理论在描述细颗粒土应力变形特性方面较为成功,已经成为建立许多黏土和砂土本构模型的基础。对于堆石料,在应力、密度、级配等因素影响下,其变形特性非常复杂,且高应力条件下颗粒易发生破碎,是否存在"唯一"的临界状态值得探讨。通过对不同级配、不同密度的试样在不同围压条件下的一系列大型三轴剪切试验,研究了堆石料的临界状态及其影响因素。研究发现:不同级配、不同密度、不同初始固结应力条件下,当剪应变较大时试样都趋于临界状态,临界状态的值与初始密度、初始级配、颗粒破碎有关;q–p'平面内,堆石料存在唯一的临界应力比M;在e–(p'/p_a)~ζ平面内,临界状态线基本平行,其截距可以根据初始密度和初始级配直接求得。通过对比分析各试样的临界状态,提出了考虑级配和颗粒破碎影响的堆石料临界状态数学表达式。     

粗粒料颗粒破碎模型研究

结合三轴试验资料,对粗粒料在不同围压和应力水平下颗粒破碎进行了研究,结果表明,相对颗粒破碎率与围压的关系可以用反双曲函数拟合;一定围压下,相对颗粒破碎率随应力水平的增长呈非线性的指数关系.在试验分析基础上,借鉴湿化变形理论,认为处于某一应力状态下的粗粒料的破碎分别由球应力和偏应力两部分引起,偏应力部分从应力水平的角度加以研究,建立了适合于粗粒料颗粒破碎率的计算模型.探讨了粗粒料颗粒破碎模型参数与围压以及应力水平的关系,建议了相对破碎率计算经验公式,并结合有关试验结果拟合出了粗粒料的颗粒破碎模型参数.对比分析表明,拟合结果与试验成果吻合较好,说明了该模型的合理性.     

常含水率三轴条件下非饱和原状黄土的吸力和力学特性

为了模拟实际工程在不排水条件下土体的快速破坏,对不同初始吸力非饱和原状黄土进行了常含水率等向压缩和三轴剪切试验,研究了常含水率下非饱和原状黄土的变形特性、临界状态、屈服及吸力变化特性。研究结果表明: 在等向压缩和三轴剪切应力条件下,非饱和黄土的变形和吸力变化特性不同;不同初始吸力下,偏应力与净平均应力临界状态线为平行直线,偏应力与有效平均应力临界状态线可以归一为一条直线,且可近似用饱和土临界状态线表示,半对数坐标系上孔隙比与净平均应力及有效平均应力临界状态线皆近似为平行直线,直线斜率比饱和土的大,比屈服后等向压缩曲线的小;对于不同初始吸力,相同有效平均应力下非饱和原状黄土与饱和黄土的临界状态孔隙比之比与气体饱和度关系可以归一;屈服净平均应力及屈服偏应力皆随着初始吸力的增大而增大;q-p平面上初始及后继屈服曲线为对称于K₀线的椭圆,吸力及应力硬化对屈服曲线的影响是等向的。     

基于分形理论的堆石料颗粒破碎极限和概率研究

为了研究具有分形级配的堆石料颗粒破碎规律与初始分形维数和围压的关系,采用粗粒土大型三轴试验仪,针对不同初始级配的缩尺堆石料,展开不同围压下的颗粒破碎试验,通过计算颗粒破碎前后分形维数的变化,建立围压与颗粒分形维数D的关系式,对现有的颗粒破碎度指标Br的上限值进行修正,利用分形颗粒集合体的概念对颗粒破碎概率进行计算。研究结果表明,堆石料的初始分形维数D0影响其应力应变特征;堆石料颗粒破碎存在极限值,分形维数和破碎度指标与破碎前后分形维数和围压相关;颗粒集合体可以用来计算分形级配堆石料分形维数变化规律,颗粒集合体中颗粒破碎概率与粒径无关,不同粒径颗粒具有相同的破碎概率,随着围压增加破碎概率增加,且存在上下限值,破碎概率与初始分形维数D0相关。     

级配对珊瑚砂颗粒破碎与变形特性的影响

珊瑚砂具有典型的颗粒破碎特征，而破碎导致的粒径变化对珊瑚砂力学特性有显著的影响。为探究初始级配和围压对珊瑚砂颗粒破碎及变形特性的影响，选择4种不同初始颗粒级配的试样在4种不同围压下进行了三轴固结排水剪切试验。研究结果表明：在小围压下，剪切过程中不同级配的珊瑚砂试样的应力应变关系均表现出应变软化现象，体变曲线呈现出非常明显的剪胀，而且粒组的颗粒粒径越细，峰值强度越大，体积应变也越大。随着围压的增加，粗颗粒级配砂样表现为应变硬化。研究发现对于某一级配，随着围压的增加加剧了珊瑚砂颗粒破碎的发生，两者之间存在显著的幂函数关系。通过引入级配参数β，建立了颗粒破碎率B_r与级配和围压之间的关系表达式。研究还发现在e-(p’/p_a)^ξ平面内，不同级配的珊瑚砂试样临界状态线为相互平行的直线，其截距eГ与初始孔隙比eic、级配参数β之间存在显著的线性关系，并据此建立了考虑级配影响的珊瑚砂临界状态方程。     

考虑颗粒破碎的粗粒土临界状态弹塑性本构模型

研究了颗粒破碎对硬化准则和剪胀性的影响,提出了修正后的硬化准则和剪胀方程,并基于有效塑性功的概念,建立了考虑颗粒破碎的粗粒土临界状态弹塑性本构模型。将所提出的模型与未考虑颗粒破碎的模型用于不同围压下粗粒土室内大三轴试验的数值模拟,对比分析表明:模型计算结果与试验实测结果更为一致,能较好地描述低围压和相对中高围压下的强度和变形特性,得出颗粒破碎导致粗粒土强度降低,压缩变形增大,并利用离散单元法模拟一维压缩颗粒破碎试验对该结论进行了验证。     

不同粒度粗粒的极限孔隙比和破碎特征

为了研究以石英砂为主要成分的粗粒土压实过程,分别利用量筒倒转法和振动击实试验,测定了不同粒度粗粒的极限孔隙比,分析了极限孔隙比随粒径变化的规律;采用压实容量表征粗粒孔隙比变化范围,探究了压实容量与粒径的关系;开展了不同粒度粗粒和原料土的颗粒破碎特征试验,分析了击实过程中的颗粒破碎特征和演变过程.结果表明:粗粒最大孔隙比随着粒径的增大先快速减小后缓慢增大,最小孔隙比随着粒径的增大线性减小;粗粒土压实容量随着粒径的增大先减小后增大;粗粒土在击实过程中的颗粒破碎量随着粒径的增大线性增大;颗粒破碎使粗粒土向着级配连续的方向发展,粗粒土逐渐趋于均匀化.     

砂质卵砾石力学行为与颗粒破碎的试验研究

荷载作用下粒状岩土材料的颗粒破碎改变了颗粒组构,从而影响其力学特性。为了揭示颗粒破碎对抗剪强度的影响,利用大型真三轴进行一系列不同应力路径的剪切试验,阐述产生不同颗粒破碎形态的破碎机制;论证颗粒破碎是粗粒土抗剪强度非线性变化的重要影响因素,并建立幂函数拟合强度公式。引入由粗粒土非线性强度曲线与线性临界状态线围成面积和线性临界状态线随平均球应力变化面积之比定义的强度因子,描述颗粒破碎对子午平面内临界状态线的影响。强度因子越大,子午平面内临界状态线的非线性变化越突出;平均球应力越大,颗粒破碎对强度变化规律的影响越大。筛分试验结果表明,Marsal颗粒破碎指标与强度因子呈指数关系;粒径大于1mm颗粒的破碎率随平均主应力的增大而增大,小于1mm颗粒的破碎率随平均主应力的增大反而衰减的变化规律,内摩擦角与咬合强度随破碎率变化表现出一定的相关性。     

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。     

颗粒介质剪胀、软化特性的直剪试验研究

颗粒介质的宏观力学行为特征与其微观组构演化密切相关,涉及孔隙比、颗粒形态、颗粒破碎以及各向异性等因素的交叠影响。采用DRS-I型超高压直剪试验系统对3种不同粒径的钢球进行0.4～12 MPa法向压力下的直剪试验,避免颗粒形态、颗粒破碎及各向异性的交叠影响,进而单独分析峰值强度、残余强度与孔隙比演化的关联性,以期为揭示颗粒介质的细观力学机制提供参考。结果表明:1)落雨法制得的圆球颗粒介质普遍呈现剪切软化特性,剪切过程中存在明显的峰值应力和残余应力;2)峰值强度随围压增大呈现出一定程度的减小趋势,与孔隙比变化斜率的极值相对应;3)残余强度基本不受颗粒粒径、围压的影响,对应着孔隙比的稳定值即临界状态;4)采用Rowe剪胀方程能够较好地描述颗粒介质的强度特性与体变特性的关联性。     

循环荷载作用下堆石料颗粒破碎特性试验研究

利用大型动三轴试验设备,针对3种堆石料进行了考虑周围压力、固结比以及动应力幅值影响的排水动三轴压缩试验,探讨了动力荷载作用下筑坝堆石料的颗粒破碎特性。研究表明:在循环荷载作用下,堆石料颗粒破碎率随母岩强度的提高而降低,随围压、固结比及动应力幅值的增加而增加;根据动三轴试验过程,在进行颗粒破碎分析时应将堆石料颗粒破碎的产生分为4个阶段予以分别考虑;堆石料在动荷载施加前的已有颗粒破碎状态及应力水平对其后续的颗粒破碎特性具有一定的影响,动力加载过程中试样的体积收缩能够在一定程度上反映这一过程中颗粒破碎率的变化。     

堆石蠕变与颗粒破碎特性三轴试验

为分析堆石的蠕变规律和研究颗粒破碎与蠕变的关系,对某堆石料进行了不同应力水平和围压下的大型三轴排水蠕变试验.蠕变试验后通过筛分试验测量了堆石的颗粒破碎程度.结果表明堆石的蠕变变形与应力水平和围压有关;轴向蠕变和体积蠕变随应力水平的增大而增大,应力水平相同时则随围压增大而增大.堆石的应变-时间关系可用幂函数表示,轴向应变...     

堆石料剪切过程中的颗粒破碎研究

颗粒破碎直接改变堆石料本身结构,影响土体的剪胀、内摩擦角、峰值强度、渗透系数和流变变形。但是,目前对于堆石料在剪切过程中的破碎规律尚不明确。通过室内固结排水三轴试验,研究了古水面板坝玄武岩堆石料在制样、固结和剪切过程中的颗粒破碎规律。研究结果表明:堆石料在制样过程中会产生较为显著的颗粒破碎现象;在等向固结过程几乎不产生颗粒破碎。低围压下,颗粒间的翻越和滑移受围压约束较弱,剪切过程中的颗粒破碎不明显。髙围压下,颗粒间的翻越和滑移受到限制,颗粒间的咬合力显著提高,随着剪切应变的增大,土体颗粒不断发生破碎。在颗粒破碎过程中,大粒径颗粒首先破碎,破碎的颗粒从大粒径逐渐向小粒径扩展。粒径在0.5 mm以下颗粒的含量始终随剪应变的增大而增多,且增长幅度随着围压的增大而增大。土体颗粒破碎同时受围压和剪切变形的影响,相同围压下剪切过程中的相对破碎参量Br和剪应变之间的关系可采用双曲线公式描述。     

基于超大型三轴仪的堆石料缩尺效应研究

对某一爆破筑坝堆石料开展了试样直径1m(最大粒径为200mm)的超大型和试样直径0.3m(最大粒径为60 mm)的常规大型三轴固结排水剪切试验,研究了平行相似级配条件下最大粒径对应力–应变关系、颗粒破碎、特征应力状态、割线模量及邓肯张E-B模型参数的影响。试验结果表明:(1)大型三轴试验的峰值内摩擦角大于超大型三轴试验,并且峰值应力处的轴向应变小于超大型三轴试验;(2)大型三轴试验的相变应力比大于超大型三轴试验,并且相变处的体变及轴向应变均小于超大型三轴试验;(3)大型三轴试验的颗粒破碎率小于超大型三轴试验,但二者平行粒组的变化规律相同;(4)大型三轴试验在应力水平50%处的割线弹性模量及割线体积模量均大于超大型三轴试验。大型三轴试验的邓肯张E-B模型参数k,kb分别是超大型三轴试验的1.22倍、1.38倍。研究成果可为建立考虑缩尺效应的堆石料本构模型和分析土工构筑物变形提供重要的试验依据。     

粗粒料颗粒破碎三轴试验研究

随着粗粒料在高土石坝等工程中广泛应用,颗粒破碎逐渐成为粗粒料工程特性研究的一个重要方面。通过三轴颗粒破碎试验,研究了某粗粒料等压固结、峰值以及不同应力水平下的颗粒破碎规律,分析了干湿状态的影响。结果表明:等压固结颗粒破碎率与围压之间以及峰值内摩擦角与颗粒破碎率之间均呈幂函数关系;相同围压下颗粒破碎率随应力水平增加而加速增加;相同应力水平下颗粒破碎率随围压增加而增加;不同围压下的颗粒破碎率与应力水平之间可进行归一化处理;同应力状态下湿态颗粒破碎率较干态大,二者差异的决定因素为材料软化系数。同时,对以上结论进行了理论分析,提出了一个颗粒破碎的估算方法,探讨了干湿状态对颗粒破碎影响与材料软化系数之间关系。     

含主应力旋转的应力路径对密砂临界状态的影响

关于砂土临界状态线的传统研究主要集中于两点,临界状态线的唯一性和线性性质。然而,作为影响临界状态的重要因素,应力路径和主应力旋转一直被忽视,更鲜有将二者结合的研究。室内试验也无法在保证应力路径的同时,观测主应力旋转的存在。为了弥补这些缺憾,在多应力路径前提下,加入含主应力旋转的应力路径,对密砂进行双轴压缩试验和单剪试验的颗粒流数值模拟研究,得出以下结论：(1) 密实砂土的临界状态线表现出唯一性;(2) 在平均有效应力–偏应力空间和平均有效应力–比体积空间,密砂临界状态线都出现从低临界值向高临界值过渡的阶段性变化。因此,将应力路径单一化有不合理之处;而多应力路径,尤其含有特殊路径的多应力路径,将极大的影响密砂临界状态线性质,应该受到重视。     

Experimental study of two saturated natural soils and their saturated remoulded soils under three consolidated undrained stress paths

In this paper, an experimental investigation is conducted to study the mechanical behavior of saturated natural loess, saturated natural filling in ground fissure and their corresponding saturated remoulded soils under three consolidated undrained triaxial stress tests, namely, conventional triaxial compression test (CTC), triaxial compression test (TC) and reduced triaxial compression test (RTC). The test results show that stress-strain relation, i.e. strain-softening or strain-hardening, is remarkably influenced by the structure, void ratio, stress path and confining pressure. Natural structure, high void ratio, TC stress path, RTC stress path and low confining pressures are favorable factors leading to strain-softening. Excess pore pressure during shearing is significantly affected by stress path. The tested soils are different from loose sand on character of strain-softening and are different from common clay on excess pore water pressure behavior. The critical states in p′-q space in CTC, TC and RTC tests almost lie on one line, which indicates that the critical state is independent of the above stress paths. As for remoulded loess or remoulded filling, the critical state line (CSL) and isotropic consolidation line (ICL) in e-log p′ space are almost straight, while for natural loess or natural filling, in e-log p′ space there is a turning point on the CSL, which is similar to the ICL.     

堆石料的颗粒破碎规律研究

粗颗粒土剪切过程中的颗粒破碎现象已被广泛认识,并且在试验和理论方面进行了大量研究。利用大型三轴仪开展了一系列不同级配、不同密度、不同围压条件下堆石料的排水剪切试验,并对试验前后的试样分别进行了颗粒分析,以探讨堆石料的颗粒破碎规律及其影响因素。试验结果表明:密度对颗粒破碎影响较小,而级配和围压的影响较大,围压越高则颗粒破碎越严重。对比试验前后的粒径分布曲线发现,颗粒破碎主要集中在粒径20 mm以上的颗粒范围内,粒径变化幅度随粒径的减小呈减小趋势。基于分形理论,建立了颗粒破碎分形维数与围压和颗粒级配之间的关系表达式,为进一步研究堆石料的强度、变形及剪胀特性提供依据。