基于分形理论的北京地区砂砾石地层细观建模

 土石混合体材料及相应地层中地下结构的力学行为及变形规律受到颗粒粒度组成与分布规律的影响。采用分形几何学对土石混合体的粒度分布进行描述,进一步明确了质量–粒径级配曲线与粒度分形维数之间的关系。在双对数坐标系 下对34组砂砾石土进行粒度分形,结果表明：北京地区砂砾石土粒度分布满足分形结构,其粒度分维区间值为2.4～2.6。根据统计的粒度分维区间,分析了颗粒级配随分形维数及最大粒径的变化规律,对土石混合体的力学性质及稳定性给出了新的认识。并将分形理论与室内试验颗粒级配分布结合,反演出土石混合体完整的颗粒级配分布。基于Monte-Carlo原理,结合分形理论,采用圆形或球体表征块石的形状,编写砂砾石地层模型生成程序,建立砂砾石地层模型,并针对隧道的开挖问题展开了数值分析。     

散粒体重力堆积的三维离散元模拟

在随机生成的单一粒径球体堆积体模型的基础上,采用离散单元法DEM模拟以立方体为边界条件的堆积体在重力场中的重新分布,并对颗粒的运动轨迹进行了追踪。结果表明:重力作用下,堆积体更趋于均匀、致密,表现为最终堆积密度及平均配位数的增大;同时发现堆积体相对边界尺度(颗粒半径与堆积体边界长度之比)对堆积密度、配位数等计算参数影响显著。     

基于最紧密堆积理论超密实再生砂浆制备研究

再生混凝土或再生砂浆通常被认为力学和耐久性能较低,为研究再生水泥基材料性能,利用颗粒最紧密堆积理论,根据超细再生微粉和超细矿物掺合料颗粒粒径分布,将不同细度颗粒进行合理掺配,使胶凝体系最大程度上接近紧密堆积,制备出超密实再生砂浆,并计算粒径分布的分形维数,探讨其对抗压强度和孔隙率的影响。研究结果表明：最紧密堆积的混合料粒径分布具备分形特征,粒径分布的分形维数值越小,颗粒粒径分布越复杂,整体密实程度越高;粒径分布分形维数值较高的混合胶凝粉体,制备的试样早期强度较低。此外,利用最紧密堆积原理制备的超密实胶凝体系的孔隙率低于简单混合的胶凝体系试验组的孔隙率,孔径分布也更合理。     

基于分形理论的路基填石料粒径优劣分析

应用分形理论对大粒径碎石填料进行级配判定,分析了分形维数用于表示级配的方法,论证了分形维数和级配的关系,结合室内筛分试验得出填料的分形维数在合格范围以内,说明可用于级配优良性判定,且比应用不均匀系数和曲率系数更简单、快捷。     

基于分形维数的混凝土二维骨料级配公式及应用

当前,混凝土三维细观有限元分析仍面临建立三维真实细观结构困难,工作量巨大,对计算机存储和计算性能要求高等问题,因此有必要进一步提高二维细观模型的准确性和计算效率。基于分形维数的混凝土级配设计发展趋势,结合分形理论和算法,通过数学推导,提出了基于分形维数的二维骨料级配式,克服了瓦拉文式的局限性。通过试验测试和细观有限元分析,结果表明：应用提出的二维骨料级配式,可以建立更为精确的混凝土二维细观模型,为工程设计和应用提供理论依据和指导。     

分形粒径分布对颗粒流粒径分选的影响规律

高速远程滑坡反粒序及其形成机制是目前研究的热点问题,为进一步探讨该问题,以高速远程滑坡分形粒径分布特征为依据,通过物理模型实验与数值模拟方法,研究不同分形维数颗粒流堆积体的粒径分布特征及其对应的颗粒分选过程,结果表明:随着颗粒流分形维数的增大,细颗粒含量的增加,颗粒流运动过程中不同粒径颗粒的分选作用减弱,导致堆积体中反...     

透水性基床级配碎石填料宏细观压实特性试验研究

透水性级配碎石填料因其良好的渗透性而逐渐用于透(排)水性基床结构层,其压实质量直接影响路面结构工后变形和耐久性等关键服役性能。针对由颗粒堆积理论提出的石砂比(G/S)指标所设计的7种不同的透水性级配,分别开展室内重型击实和新型平板振动压实试验,研究级配、压实方式和能量水平等因素对碎石填料宏观压实特性和颗粒破碎的影响以及平板振动压实的最优激振参数组合,提出并初步验证对同种类型填料级配、压实方法和能量等的改变不敏感的干密度–饱和度归一化压实曲线;进一步采用高精度工业XCT扫描技术,从细观尺度对比研究了最优激振参数组合下不同级配的碎石填料试样内部颗粒运动、空隙分布和连通性特征等。结果表明：石砂比(G/S)指标级配设计方法可有效地区分透水性级配碎石填料不同的颗粒堆积结构类型,存在最优G/S值范围可使压实后的干密度最大、颗粒破碎程度最低和空隙结构最佳;平板振动压实下干密度随激振时间呈现3个不同的阶段,最优激振频率范围为25～27 Hz,且存在有效的激振时间和激振力组合,XCT扫描结果从细观层面分析不同阶段颗粒的运动规律验证宏观压实特性的变化规律,对比不同级配的空隙分布和连通性证实石砂比(G/S)...     

蒸养条件下胶凝材料颗粒级配对混凝土强度的影响

基于固体粒料最佳堆积密度理想曲线(Fuller曲线),研究了胶凝材料颗粒分布对蒸养混凝土抗压强度的影响,并对其作用机理进行了初步分析.研究结果表明,不同细度的粉体胶凝材料复合掺配时,其颗粒可以相互补充,当胶凝材料颗粒的粒径分布更接近紧密堆积状态要求时,改善了水泥浆体的密实度,蒸养混凝土的抗压强度明显提高.     

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。     

级配碎石分形特征分析及其在路面工程中的应用

为了定量分析碎石的级配特征,揭示分形维数与级配碎石关键筛孔通过率的相互关系,并对碎石加工提供控制性指标,通过分形理论方法建立了级配碎石分形关系.用已有的数据进行计算分析后,得到了计算级配碎石分形维数的方法以及料场加工细集料的分形控制标准,并用此标准对现场施工沥青混合料级配的离析进行了评价.结果表明:级配碎石的分形维数与4.750 mm筛孔通过率有良好的相关性,可以用它来对施工时沥青混合料级配的离析进行评价.     

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。     

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。     

基于颗粒离散单元法的获取任意相对密实度下级配颗粒堆积体的数值方法

土体的密实程度对土体的工程性质影响很大。获得给定相对密实度下的初始颗粒堆积体,是利用离散单元法进行土体细观力学分析的重要前提。基于离散单元法,首先获得颗粒在自重作用下稳定后的最松散堆积体。其次提出采用减小压实过程中颗粒间摩擦系数的拟振动压实法来模拟现实中的振动压实作用,并验证了其可行性。当压实过程中颗粒间摩擦系数为0时获得最密实堆积体。研究了拟振动压实过程中颗粒间摩擦系数与压实稳定后的堆积体孔隙率的关系。最后根据该关系可估算出获得任意给定相对密实度堆积体所需的压实过程中颗粒间的摩擦系数。研究结果表明:颗粒的配位数与粒径近似满足指数关系;通过减小压实过程中颗粒间的摩擦系数能较好的模拟振动压实效果;压实过程中颗粒间的摩擦系数与堆积体孔隙率满足负指数关系;该方法可获得任意相对密实度下的颗粒堆积体,可以为土体细观力学的数值模拟提供初始颗粒堆积结构。     

基于分形理论的堆石料级配设计方法

根据分形理论,推导了堆石料级配的分形分布公式。利用6座心墙坝和5座200 m级面板坝工程的现场级配检测资料进行验证,相关系数基本在0.95以上,吻合较好;相对于不均匀系数Cu和曲率系数C_c指标,粒度分形维数可以更客观地反映堆石料填筑级配平均特性;对英安岩、凝灰岩和混合岩等不同母岩特性的缩尺堆石料进行了室内干密度试验研究,同时结合水布垭等4座大坝原级配堆石料的检测资料,研究了级配(粒度分形维数)与压实干密度的关系,认为级配是影响堆石料压实性能的主要因素;利用粗粒土级配的Cu,C_c与分形维数的关系,首次提出了堆石料、过渡料等大粒径筑坝材料的良好级配范围,其粒度分形维数在2.22~2.63之间。研究结论可为堆石料的级配设计与优化提供依据。     

FULLER曲线在管桩混凝土生产中的应用

在混凝土中,骨料的颗粒级配对混凝土,特别是高强混凝土的影响显著,为了降低骨料的颗粒级配带来的不良影响,基于固体粒料最佳堆积密度理想曲线(Fuller曲线),通过试验研究配制出最接近理想曲线的最佳骨料组合,并应用于管桩混凝土的生产中,改善混凝土的密实度。     

沥青混凝土集料级配的分形特征研究

以散粒体分形模型为基础 ,推导了沥青混合料矿料分布函数。在双对数坐标系里画出 19(或 2 0 )的几种沥青混合料的级配上限、下限、中值曲线 ,经过回归分析 ,得到每种级配集料的分形维数。沥青混合料的矿料分形维数主要由 0 .0 75 mm以下颗粒的多少决定。 0 .0 75 mm以下颗粒越多维数越高 ,反之越少。分形维数的相关性越高 ,集料级配越连续。分形维数越高 ,集料越细。分形维数和相关性可以作为集料级配评价的量化指标。     

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.     

PFC3D模拟颗粒堆积体的孔隙连通性初步研究

构成混凝土的骨科、砂、水泥等颗粒在不考虑水化作用形成的堆积体的孔隙特征与未来混凝土的渗透性密切相关,利用PFC3D研究了颗粒级配和颗粒形状等因素对在自重作用下达到密实的颗粒堆积体系的孔隙率和孔隙连通性的影响.     

分形矸石胶结充填体的宏细观力学特性

为探究分形矸石胶结充填体的宏细观力学特性,对骨料粒径分布满足分形理论的胶结充填体开展超声波探测、单轴压缩和微观扫描试验,研究胶结充填体的超声波、强度和变形特性及微观结构特征;建立考虑骨料粒径分布和多种颗粒介质及接触界面的胶结充填体颗粒流模型,探讨胶结充填体承载全程能量、裂纹、力链和颗粒破坏的演化规律,从微细观层面揭示骨料粒径分布对胶结充填体力学特性的影响机制。结果表明:胶结充填体的超声波速度和抗压强度与骨料粒径分布分形维数呈二次多项式关系,而峰值应变与分形维数呈负相关。胶结充填体的最优骨料粒径分布分形维数介于2.4～2.6,其表现出更均匀的微观结构。胶结充填体的峰值应变能随骨料粒径分布分形维数先增大后减小,但分形维数低的骨料粒径分布更有利于强化结构内的摩擦效应。胶结充填体内的裂纹由骨料尖角应力集中处萌生,并沿胶结–骨料界面发育,其在胶结基质内则沿最弱或最薄胶结基质向临近骨料尖角或断裂界面扩展。低骨料粒径分布分形维数的胶结充填体容易发生局部力链断裂,表现出明显的早期局部裂纹积聚和颗粒碎胀,分形维数的增大可以弱化该局部破坏特征,但细骨料含量的增多导致界面过渡区的扩大化,诱发更多的胶结–骨料界面力链断裂。     

透水场道基层大空隙级配碎石的物理性能研究

为满足高渗透性透水场道基层的应用需求,设计了25%、30%、35%三种空隙率的碎石与砂石基层连续级配,以及2.36～9.5 mm、9.5～26.5 mm、26.5～37.5 mm三种单粒级级配,测试了不同级配集料的堆积密度和表观密度,并计算其松铺系数与空隙率,分析了级配对其影响机理。结果表明：松铺系数随9.5 mm以下颗粒含量及砂含量的增加先增大后减小,小粒径碎石间的级配效果优于大粒径;碎石的空隙率主要取决于级配。建议将9.5 mm以下颗粒含量控制在35%左右,并添加不超过18%的砂,以改善压实效果与力学结构;以泰波公式设计25%、30%空隙率的碎石级配,建议泰波指数n分别取1.009、1.221。