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。     

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。     

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。     

三轴试验条件下钙质砂颗粒破碎影响因素研究

针对钙质砂颗粒易破碎的特点,对取自南海某礁的钙质砂进行大量三轴试验,研究钙质砂在不同围压、粒径、级配、密实度、排水条件和含水率条件下的颗粒破碎情况,分析以上因素对钙质砂颗粒破碎的影响。试验结果表明:钙质砂颗粒破碎受围压影响显著,与粒径并没有明显相关性;级配越好的钙质砂破碎越小;密实度增大会导致颗粒破碎加剧;不同排水条件下钙质砂颗粒破碎受有效围压影响;颗粒破碎随含水率增加而变大。     

侧限条件下高压对钙质砂颗粒破碎影响研究

高应力环境中钙质砂的颗粒破碎会影响其工程稳定性,利用液压万能试验机在侧限条件下对0.25mm~0.5mm、1mm~2mm、2mm~5mm粒径和混合粒组钙质砂进行高压加载,研究终止压力、平均粒径、干密度等因素对其颗粒破碎影响。试验结果表明:终止压力P值对钙质砂颗粒相对破碎率Br值影响显著,用Slogistic函数拟合后相关性良好,根据拟合曲线可将破碎分为渐增和缓增阶段;同时相对破碎率Br与试样平均粒径d50呈线性负相关;控制变形速率和终止压力相同,干密度大的试样加荷速率更快,相对破碎率Br比干密度低的试样略大;同等终止压力水平下混合粒组钙质砂相对破碎率Br远小于单粒组;高压加载导致级配和粒组百分含量变化十分显著,工程中应充分考虑其对钙质砂工程性质的影响。试验结论对海相钙质砂区域工程建设具有参考意义。     

不同应力路径下钙质砂力学特性的排水三轴试验研究

钙质砂的力学性质既有强度低、易破碎的特点,又有应力路径依附性的特性。为了研究不同应力路径对钙质砂的颗粒破碎和力学性质的影响,对不同固结压力的钙质砂进行了5种应力路径下的排水三轴压缩试验。结果表明:不同应力路径对钙质砂的应力–应变关系、抗剪强度和颗粒破碎特性有较大的影响。相同固结压力下,等轴向应力试验的剪胀现象最为明显,颗粒破碎率最小,峰值内摩擦角最大;等围压试验的剪胀现象最不明显,颗粒破碎率最大,峰值内摩擦角最小;等平均主应力试验的这些性质介于上述两种试验之间。等主应力比和等向固结试验在加载过程中主要表现为试样的体积压缩,因此与另外3种应力路径试验差别很大。不同应力路径对钙质砂应力–应变关系和强度的影响,除了砂土具有应力路径依附性的特性外,主要来自于应力路径和固结压力的不同产生的颗粒破碎程度不一致造成的影响,使得在不同的应力路径试验中钙质砂的力学性质表现出更大的差异。     

考虑颗粒破碎的钙质砂边界面循环本构模型

钙质砂作为一种海洋生物成因的易破碎材料,由其构成的地基在海洋环境下长期受到动荷载的作用,故模拟钙质砂在循环荷载作用下的颗粒破碎及其对应力应变行为的影响具有重要意义。将引起塑性应变和颗粒破碎的机制分解为两种:有效球应力增加引起的压缩机制和剪应力比变化引起的剪切机制。压缩机制引起的颗粒破碎可由Hardin公式模拟,为适应复杂应力路径,在Hardin公式的基础上建立了增量型的压缩破碎模型。剪切机制引起的颗粒破碎满足两个"递减率":(1)在每一个单向剪切过程中,颗粒破碎的累积速率总是在单向剪切起始处最大,并随着单向剪应变的增加而减小;(2)在总的剪切过程中,颗粒破碎的累积速率随颗粒破碎量的增大而逐渐减小。在边界面本构模型框架中引入所建立的压缩和剪切破碎模型,通过随颗粒破碎量移动的临界状态线反映颗粒破碎对模量、强度和剪胀等应力应变行为的影响,建立了一个考虑颗粒破碎的循环本构模型。通过对钙质砂的单调和循环三轴试验结果的模拟初步验证了所提出本构模型的合理性。     

颗粒破碎对钙质砂变形及强度特性的影响

利用人工钙质砂和三轴剪切试验手段，就颗粒破碎及其对钙质砂变形和强度特性的影响进行分析研究。结果表明，颗粒破碎程度与对其输入的塑性功密切相关；颗粒破碎的发生使钙质砂剪胀性减小，体积收缩应变增大，峰值强度降低。     

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。     

钙质砂宏观力学变形特征及颗粒破碎研究进展

由于特殊的历史成因及海洋发育环境,钙质砂颗粒形状极不规则且内部孔隙发育,在外部荷载下易发生颗粒破碎,表现出与陆源硅质砂迥异的力学变形特征。钙质砂自20世纪60年代不断地引起工程问题进入人们的视野后,学术界与工程界开展了广泛的研究。首先介绍了钙质砂的研究背景,而后从钙质砂的单颗粒及宏观力学变形特征方面对国内外的研究现状进行总结,并针对受力过程中钙质砂的颗粒破碎综述,包括颗粒破碎的度量、颗粒破碎的试验研究、颗粒破碎的能量分析等,最终结合离散元软件PFC在散粒介质中的应用进行回顾总结与展望。     

高强混凝土短柱的轴压比限值

对 12根高强混凝土短柱在轴压力和水平反复荷载作用下的力学性能进行了试验研究 ,分析了影响高强混凝土短柱位移延性的主要因素 ,得出了相应的关系曲线。从满足有限延性的条件出发 ,得出了高强混凝土短柱的轴压比限值 ,同时也得出了配箍率和轴压比间非线性的关系公式     

钙质砂剪切特性试验研究

 对取自南沙群岛永暑礁附近海域的钙质砂进行了不同围压下的三轴排水剪切试验,试验结果表明,钙质砂在三轴剪切试验中的应力–应变关系随围压而发生变化,在低压时与普通陆源砂相近,而在中、高围压时表现出陆源砂高围压时的力学性质。在剪切过程中由于颗粒破碎导致封闭的内孔隙释放,体积应变要比石英砂大得多,剪切过程中发生的变形几乎全为不可恢复的塑性变形,其剪胀性与峰值应力比与围压密切相关,峰值应力比与剪胀性随着围压的升高而下降。     

不同填料土工织物散体桩桩体单轴压缩试验

选用碎石、圆砾和砂3种填料,以及5种不同强度的聚丙烯土工编织布套筒,制备成15组尺寸为?300 mm×600mm,填料压实度?=0.9的土工织物散体桩,对桩体进行单轴压缩试验,以研究不同填料土工织物散体桩在轴向荷载作用下的强度特性。研究结果表明:不同填料桩体在单轴压缩下具有不同的破坏模式,碎石填料局部刺破编织布套筒形成较大破口,圆砾填料致套筒横向筋丝断裂、纵向筋丝分离,而砂填料致套筒横向筋丝断裂较均匀且无明显破口。桩体强度与筋材和填料强度均呈正相关关系,3种填料桩体轴向应力–应变曲线在加载初期因填料受到初始压密而略有上凹,而后近似线性增长至桩体强度,峰值强度后呈现应变软化现象;综合本文试验数据及前期所做的单轴、三轴压缩试验数据,修正了桩体强度理论计算公式,得到的桩体强度修正值与试验值吻合较好。     

珊瑚礁钙质沉积物液化特性及其机理研究

针对南沙群岛永暑礁小澙湖珊瑚礁沉积物-钙质砂土的多孔隙及颗粒破碎特点,利用现场原位扁铲侧胀试验和室内动静三轴-扭剪试验手段,开展不同条件下钙质砂土的液化特性分析。试验结果表明,在7度地震烈度下浅海钙质砂土会发生液化;在波浪荷载作用下,饱和钙质砂土峰值孔压随振动次数的增加可分为抛物线型增长、线性增长、指数型增长和稳定状态等四个阶段,而每一阶段均对应有钙质砂颗粒间孔隙和内孔隙的不断调整和破碎过程;在均压固结条件下其液化机理归结为流滑破坏。     

Macro-meso effects of gradation and particle morphology on the compressibility characteristics of calcareous sand

In order to fully develop the South China Sea, a large number of reclamation projects using calcareous sand have been carried out in this area recently. A deep understanding of the physical and mechanical properties of calcareous sand is of critical importance. Therefore, the calcareous sand near a certain reef of the South China Sea is used in this study to investigate the effect of three-dimensional (3-D) particle morphology and gradation on the compressibility characteristics of calcareous sand. This paper proposes a 3-D mesoscope observation method to obtain the average 3-D angularity parameter S _d and 3-D aspect ratio T _d of calcareous sand with different particle sizes. It is found that the morphology of coarse particles (diameter: 5 ~ 1 mm) is significantly multi-angular, while the morphologies of middle particles (1 ~ 0.25 mm) are mostly dendritic and schistic. Compared to the 3-D S _d of quartz sand, the calcareous sand’s particle morphology is much more irregular and multi-angular, which makes it easy for the calcareous sand to form large pores and, thus, be more compressible. In order to systematically study the effect of gradation on the calcareous sand’s compressibility characteristics, a number of compression tests on calcareous sand with different gradations are taken. The influential mechanism is then discussed by analyzing the test results from a mesoscopic viewpoint. It is found that changing the coarse fraction content is the most efficient way to reduce the compressibility of the calcareous sand. That is because of the coarse fraction’s high angularity, which makes the skeleton-bearing capacity of the calcareous sand sensitive to the change of coarse fraction content. An empirical formula is proposed to evaluate the compressibility of the calcareous sand with different coarse fraction contents.     

煤样三轴压缩下变形和强度分析

基于在伺服试验机对煤样的常规三轴压缩和三轴卸围压试验,分析了煤样在不同应力条件下的强度和变形特征。煤样在围压作用下裂隙闭合后利用摩擦仍可以承载,并且所有煤样峰前变形特性基本一致。三轴卸围压试验峰值处出现屈服平台,与常规三轴相比峰后塑性明显增强,煤样破坏时的轴向应变量受常规三轴压缩全程应力–应变曲线控制。常规三轴压缩和三轴卸围压试验的峰值强度与围压均成线性关系,围压影响系数基本相同,内摩擦角能够表征材料力学性质,与加载方式没有关系,但相同围压下三轴卸围压时试样的承载能力比常规三轴加载时明显偏低,表明煤样经历较高轴向载荷作用后存在局部损伤。     

动、静荷载预压密后土压缩性状的对比研究

在侧限条件下,对物理性质相同的土分别采用静力和冲击作用产生相同的预压密,对预压密后的土样进行高压固结试验,对比研究压密程度相同但成因不同的预压密后土的压缩曲线、前期固结压力和压缩指数。结果表明,相同预压密的土,压缩后土的压缩指数相近,与预压密的成因无关。而压缩曲线和前期固结压力则因土类而异,经历相同预压密后,不饱和粉质...     

Responses of calcareous sand foundations to variations of groundwater table and applied loads

The long-term settlement of calcareous sand foundations caused by daily periodic fluctuations has become a significant geological hazard, but effective monitoring tools to capture the deformation profiles are still rarely reported. In this study, a laboratory model test and an in situ monitoring test were conducted. An optical frequency domain reflectometer (OFDR) with high spatial resolution (1 mm) and high accuracy (±10^-6) was used to record the soil strain responses to groundwater table and varied loads. The results indicated that the fiber-optic measurements can accurately locate the swelling and compressive zones. During the loading process, the interlock between calcareous sand particles was detected, which increased the internal friction angle of soil. The foundation deformation above the sliding surface was dominated by compression, and the soil was continuously compressed beneath the sliding surface. After 26–48 h, calcareous sand swelling occurred gradually above the water table, which was primarily dependent on capillary water. The swelling of the soil beneath the groundwater table was completed rapidly within less than 2 h. When the groundwater table and load remain constant, the compression creep behavior can be described by the Yasong-Wang model with R² = 0.993. The daily periodically varying in situ deformation of calcareous sand primarily occurs between the highest and lowest groundwater tables, i.e. 4.2–6.2 m deep. The tuff interlayers with poor water absorption capacity do not swell or compress, but they produce compressive strain under the influence of deformed calcareous sand layers.     

锦屏二级水电站绿片岩双轴压缩蠕变 特性试验研究

 利用岩石双轴流变试验机对锦屏二级水电站辅助洞的绿片岩进行不同加载路径、不同应力水平下的双轴压缩蠕变试验,将一维Burgers模型推广到双轴受压状态,对试验曲线进行辨识。结果表明,轴向和侧向的蠕变规律与加载方式有很大关系,当以定侧压比同时加轴向和侧向荷载时,轴向和侧向应变基本随荷载的增加而增加,而采用定侧压的加载方式时,侧向应变则随轴向荷载的增加而逐渐减小。采用Burgers模型拟合试验曲线时,其理论值与试验结果比较接近,因此,Burgers模型比较适合描述绿片岩的黏弹性流变特征,研究得到的双轴压缩蠕变参数也可供锦屏二级水电站深埋隧洞的设计参考。     

Investigation on relations between grain crushing amount and void ratio change of granular materials in one-dimensional compression and creep tests

Grain crushing plays an important role in one-dimensional (1D) compression and creep behaviors of granular materials under high stress. It is clear that the macro-properties of granular materials are closely related to the micro-fracture properties of grains in 1D compression and creep tests. In this paper, a series of 1D compression and creep tests were performed on Ottawa sand to investigate the deformation and grain crushing properties of granular materials, and it shows that the void ratio is correlated to the grain crushing amount (the quantity of crushed grains) for granular materials subjected to grain crushing. The test results, combining with the existing test data related to grain crushing of granular materials, were used to verify the relation. Moreover, the implications of these relations on the yield of granular material, and the equivalent effect of stress and time in changing soil fabric are presented.