石英砂砾破碎过程中粒径分布的分形行为研究

荷载作用下粒状土的颗粒破碎改变土的粒径分布,从而影响其力学特性。试验证据显示随着颗粒破碎的增加,任何初始分布的土粒都将趋向一种自相似的分形分布。为了揭示土的粒径分布的分形转变机制,利用侧限压缩试验研究高压应力下石英砂砾的粒径分布演化规律和颗粒破碎特性,基于分形模型和粒径分布实测数据研究破碎过程中粒径分布的分形行为。研究发现:颗粒破碎增长导致粒状土趋向分形分布的过程与颗粒破碎量密切相关,并可以通过增大的分形维数来描述。尽管石英砂砾的初始分布和粒径有所不同,分形维数大于2.2的粒径分布实测数据均展示了较为严格的自相似性,因而该数值可作为分形分布的分形维数下限值。研究还发现:相同破碎状态下Hardin相对破碎率小于Einav相对破碎率,但二者对应力和体应变的响应规律是一致的。颗粒破碎发展至粒径分布成为分形分布时,体应变与相对破碎率的比值将保持恒定,并且受初始分布的均匀性和颗粒大小的影响很小。这一特点可用于分形分布的识别,并意味着试验中如果粒径分布是分形的,则无须为了粒径分析而终止试验,只需测量到体应变就可估计相对破碎率。     

堆石料颗粒破碎的分形特性

对伊江上游其培水电站大坝垫层料进行4组高围压大型三轴试验,依据试验前后粒径分布资料,通过建立分形模型,研究堆石料的破碎分形特性.结果表明,试验所用的2种堆石料在颗粒破碎后的粒径分布均有良好的分形特性,破碎分形维数为2.612 7～2.723 2,垫层料下包线的破碎分形维数明显小于垫层料平均线.相同的密度下,随着围压的增加,堆石料破碎分形维数增大,且增大的趋势具有阶段性:当围压较低时,破碎分形维数变化较小;围压升高时,颗粒破碎率增加,破碎分形维数上升的幅度加大.在相同的围压下,破碎分形维数随着密度的增加而增大.破碎分形维数反映了颗粒破碎后粒径的大小,分布的均匀程度,分形维数越大,破碎量越大,并与Marsal颗粒破碎率存在较为显著的线性回归关系.     

基于粒度熵概念的贝壳砂颗粒破碎特性描述

对取自福建莆田湄洲湾海域的贝壳砂进行了不同围压、不同相对密度下的三轴排水剪切试验,同时考虑了尺寸效应的影响。依据试样试验前后粒径分布资料,在统计熵概念基础上提出颗粒破碎粒度熵模型对其破碎率进行了度量,并与Hardin颗粒破碎模型进行了比较,结果表明：贝壳砂颗粒破碎率与围压、相对密度及试样尺寸均有关系,在相同试验条件下,贝壳砂颗粒破碎程度随着试样尺寸的增加而增大,随着围压的增加而增大;当相对密度较低时,颗粒破碎率呈增大趋势;相对密度增加到较高值时,颗粒破碎程度减弱;贝壳砂三轴压缩前后的级配曲线均可以通过粒度熵模型参数表征,其中相对基础熵参数（NB）较好地反映了颗粒破碎程度大小,破碎率愈高,NB值愈小,NB与Hardin破碎率存在显着的线性关系。贝壳砂颗粒破碎粒度熵参数能较好地描述其颗粒破碎行为,为岩土介质材料的颗粒破碎分析提供了一个新的量化指标。     

三轴排水剪切下钙质砂的颗粒破碎特性

颗粒破碎是影响粒状土的变形和强度机理的重要因素。为了研究钙质砂在剪切过程中的颗粒破碎特性及其对变形和强度性质的影响,对3种不同初始分布的钙质砂进行了不同围压下的三轴排水剪切试验。结果显示:初始分形的粒径分布在三轴剪切过程中始终保持着较为严格的分形特性,该现象与各粒组中的破碎颗粒主要向相邻的下一级粒组中迁移的机制有关。钙质砂的应力–应变特性与围压大小和初始粒径分布有关,围压越低,初始粒径分布越不均匀,钙质砂的剪胀效应越显著。随着围压的增大,钙质砂的剪胀倾向减少,并逐渐过渡到剪缩状态。钙质砂的破碎率随剪切过程中的应力和应变的增长而增大,其峰值内摩擦角随着破碎率的增大而降低,最后趋于定值。用非线性的指数函数来描述峰值内摩擦角与破碎率的相关关系,揭示了颗粒破碎对钙质砂抗剪强度的影响规律。     

模拟堆石料颗粒破碎对强度变形的影响

许多试验事实表明,极高压力下颗粒材料粒径极限分布并非 Hardin 所谓的以 0.074 mm 为截断粒径的均匀分布。通过拓展破碎概念提出了 Hardin 破碎指标修正定义,并用以区分剪切过程中破碎的暂时和永久终止状态。 开展了系列模拟 堆石料固结排水大型三轴试验,提出了系列非线性关系用以描述模拟堆石料的级配、破碎指标以及应力–应变–体变响应变化规律。分析表明：随着围压增加,特征粒径减小而级配指标增加,试样级配变化明显;随着围压增加,峰值（或临界）状态破碎指标增加,相应的应力比和内摩擦角则减小,两种状态下破碎指标与内摩擦角具有唯一对应关系;同一剪切过程中,破碎指标变化率、剪胀率和塑性剪切模量具有非同步变化关系,由此形成了颗粒破碎对于模拟堆石料应力变形影响的复杂性。     

堆石混合料临界状态与颗粒破碎特性

文章开展了5组不同混合比的堆石料的大型三轴固结排水剪切试验,研究了随混合比变化堆石混合料颗粒破碎率与临界状态应力比的变化规律。试验结果表明：(1)随弱风化料占比增加,堆石料的峰值强度及临界状态强度均提高,剪胀程度增大。(2)Hardin相对破碎率较好地描述了堆石混合料的颗粒破碎规律,破碎率越大,p′-q平面上临界状态线表现出越明显的下弯。(3)峰值状态内摩擦角随Hardin相对破碎率的增加总体呈线性减小;临界内摩擦角随Hardin相对破碎率Br的增加开始缓慢减小,而后快速减小,最后趋于平稳。     

基于离散元法的真三轴应力状态下砂土破碎行为研究

基于可破碎三维离散颗粒模型模拟了一系列常规三轴试验与真三轴试验,研究了砂土在真三轴应力状态下的破碎行为。数值调查主要关注试样的应力应变特性、级配及相对破碎率的演化。随着围压增大,颗粒破碎率增大,试样应变软化特性和剪胀性逐渐减弱,而超过临界高围压后,由于固结中颗粒大量破碎,试样剪胀性反而增强。真三轴试验中,试样偏应力比峰值均随中主应力参数b值增大而减小。由于破碎随b值增加而明显增大,试样剪胀性随b值增大而逐渐减弱。试样内摩擦角φ随围压增大而减小,其演化关系基本满足对数关系;内摩擦角随b值增大先增大后减小,Lade-Duncan准则较为适合描述其变化规律。此外,试样相对破碎率增大的速率随围压和轴向应变增大而逐渐降低,暗示试样最优终极级配的存在,且相对破碎率与试验输入能量之间存在唯一的双曲线关系。     

粒状岩土材料颗粒破碎演化规律的模型预测研究

 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。     

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。     

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。     

循环荷载作用下堆石料的颗粒破碎特性

通过大型动力三轴试验,研究了循环荷载作用下堆石料的颗粒破碎特性及其影响因素,首次根据堆石颗粒在混合料中所发挥的作用以及堆石料发生颗粒破碎后不同粒径范围颗粒含量的变化量,将堆石料的颗粒破碎形式划分为棱角破碎和骨架破碎。进而,基于堆石料发生颗粒破碎前后级配的分形维数定义了堆石料的颗粒破碎率,建立了循环荷载作用下堆石料颗粒破碎率与其动剪应变及体积应变关系表达式。     

堆石体的填筑标准与级配优化研究

基于分形理论,进行了大量堆石料室内相对密度试验、压缩试验以及三轴试验,对堆石料级配与干密度、压缩模量、破坏强度、颗粒破碎等工程特性之间的关系进行了深入研究。结果表明:(1)级配对堆石料的物理力学性质影响明显,且随着试验应力的增加,其差异性越来越大。如粒度分形维数D在2.22~2.63的良好级配范围内,制样相对密度取1.0时,堆石料干密度在2.026~2.311 g/cm~3之间,相差14%;在3.2~6.4 MPa压力范围内的压缩模量相差2.47倍;制样相对密度取0.8时,在1.6 MPa围压时的三轴试验破坏剪应力相差23%。(2)相同相对密度条件下,随着粒度分形维数的增加,堆石料的极值干密度或孔隙率、压缩模量、破坏应力均表现为先增大、后减小的规律,在D=2.56~2.62附近均存在极值点,对应P5含量在35%左右,细粒含量过多时的"砂化"现象,导致颗粒骨架效应减弱,堆石的工程性质劣化,极值点对应的临界分形维数控制堆石料的工程性质。(3)堆石料的粒度分形维数与颗粒破碎之间存在良好的规律,即粒度分形维数越高,颗粒破碎越小,可通过级配优化设计控制堆石料的颗粒破碎。(4)基于堆石体的孔隙率可描述为粒度分形维数和相对密度的函数,首次提出了基于变形控制的孔隙率和相对密度双控指标,作为高坝堆石体的填筑标准,并结合如美300 m级堆石坝,提出了堆石料级配优化确定的方法。     

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。     

冻结砂土三轴试验中颗粒破碎研究

压力作用下颗粒发生破碎是引起砂土力学特性变化的重要因素之一,冻结砂土也是如此。对冻结砂土进行了不同温度和围压下的三轴剪切试验,并筛分得到三轴试验前后的颗粒大小分布曲线。通过引入Hardin定义的颗粒破碎率Br,分析了围压与颗粒破碎的关系及颗粒破碎对冻土抗剪强度的影响。结果表明:在温度为-0.5℃,-1℃,-2℃,-5℃和围压为0.5,2,5,10 MPa的条件下,三轴剪切过程中会产生较为可观的颗粒破碎;颗粒破碎率Br随围压增大,到达一定围压后Br不再随着围压的增大发生明显变化,即存在一个颗粒不再发生明显破碎的临界围压σr。结合前人研究发现,-5℃下一般工程关心的围压范围内压融对冻土力学特性没有显著影响,而颗粒破碎起控制性作用。分析表明:-5℃条件下在不同的围压范围颗粒破碎对抗剪强度具有不同的影响。试验所采用的围压范围内,随着围压的增大,颗粒破碎率增大使得冻土的抗剪强度降低;破碎率达到极限以后,由于破碎的颗粒重排列又导致抗剪强度有所提高。     

Particle breakage in triaxial shear of a coral sand

This paper presents a laboratory experimental study to comprehensively investigate the characteristics of particle breakage using numerous triaxial tests on a coral sand. Coral is a highly crushable granular material which fills the gaps between more crushable and less crushable granular materials. The monotonic tests and cyclic tests were terminated at the designated axial strains and the designated cyclic numbers, respectively. The grain size distributions were measured by sieve analyses of the specimens after the triaxial tests were performed. The relative breakage and relative fractal dimension were used to quantify the particle breakage. The cause of particle breakage that increased with increasing isotropic consolidation stress was shown to be isotropic stress. An almost linear increase in particle breakage in relative breakage was found as axial strain increased, whereas the increase in particle breakage in relative fractal dimension showed upward convexity. More particle breakage occurred in denser samples. During consolidation to the identical mean effective stress, the anisotropic stress state played a bigger role in particle breakage than the isotropic stress state, but during shearing particle breakage occurred more sharply in the triaxial tests with the isotropic consolidation to the higher confining pressure. In the cyclic shearing, the particle breakage in relative breakage and relative fractal dimension increased in upward convexity as the cyclic number increased, but in upward concavity with increasing axial strain. A hyperbolic model was proposed to correlate the relative fractal dimension with the relative breakage for use with both monotonic and cyclic tests. In the monotonic tests, a hyperbolic model was proposed to correlate the particle breakage in relative breakage and relative fractal dimension with the plastic work per unit volume. It is proposed that the loading-mode-induced (i.e., monotonic loading and cyclic loading) different mechanism of particle breakage meant that this model could not be applicable in the cyclic tests. The results suggested that the hyperbolic correlation of the particle breakage in relative fractal dimension and the plastic work per unit volume is the most reliable method of interpreting the energy consumption characteristics of particle breakage. This approach takes the fractal nature of soil into consideration. A microscopic view of particle breakage is also effective for observing the evolution of particle breakage.     

珊瑚礁砂砾料力学行为与颗粒破碎的试验研究

珊瑚礁砂砾石是中国南海岛礁建设的主要填料,因为特殊的生物成因和多孔隙的颗粒结构,极易产生颗粒破碎。对取自南海某岛礁的珊瑚礁砂砾石填料开展了大型压缩试验、三轴排水剪切试验和三轴不排水剪切试验,研究了压缩指数、杨氏模量、剪胀和强度等基本工程力学指标与颗粒破碎的变化规律。在相同的压缩作用下,疏松试样比密实试样的颗粒破碎程度更大。颗粒破碎程度随着压力的增大而显著增大,导致珊瑚礁砂砾料的压缩模量和杨氏模量随压力的增大增幅不明显,峰值摩擦角和临界状态摩擦角随压力的增高而显著降低。颗粒破碎过程具有明显的应力路径和应力历史依赖性,有无预压作用的相同密度的试样表现出显著不同的压缩特性,相同密度和初始压力的试样在排水和不排水剪切下也表现出明显不同的剪胀和强度特性。峰值摩擦角依赖于应力路径和颗粒破碎的演化过程;临界状态摩擦角与最终的颗粒破碎指标值有较好的相关性,与颗粒破碎的产生过程无关。     

循环三轴应力路径下钙质砂颗粒破碎演化规律

钙质砂广泛分布于中国南海区域,是吹填造陆的重要材料。钙质砂颗粒容易破碎,使得其力学特性相比于普通的陆源硅质砂有显著差异。对取自中国南海西沙群岛某岛礁的钙质砂开展了三轴排水循环剪切试验,研究了围压、循环应力比、循环振次对钙质砂颗粒破碎发展过程的影响。在试验所采用的围压范围内,钙质砂在固结过程中产生的颗粒破碎较少,但是在随后的循环剪切过程中产生了显著的颗粒破碎。在循环剪切作用下,钙质砂的颗粒破碎形式主要是尖角的磨损,剪切后试样的颗粒中出现了一些碎屑和微细颗粒,大颗粒的棱角有一定程度的磨圆,但粒径无明显减小。在常围压下的等幅循环剪切中,颗粒破碎程度随着循环剪切次数的增大而增加,增长速率逐渐降低,可以采用对数曲线来描述相对破碎指数的发展过程。再考虑围压和循环应力比的影响规律,初步建立了一个描述颗粒破碎演化过程的数学模型。