人工模拟堆石料颗粒破碎的分形特性

人工制备等粒径、不同强度的水泥球颗粒模拟堆石料,进行室内三轴加载试验。依据试验前后颗粒破碎后的粒径分布,采用Tyler等建立的分形模型,研究堆石料颗粒破碎的分形特性,并与Hardin相对颗粒破碎率进行对比分析,探究分形维数表征颗粒破碎程度的可行性。结果表明:排水和不排水条件下得到的结果相似,试验采用的4种水泥含量的试样颗粒在颗粒破碎后的分布特征具有良好的分形特性。同一水泥含量下,随着围压的升高,堆石料分形维数逐渐增大;高围压下,颗粒破碎严重,中间粒径和细粒含量较多,级配更均匀,分形模拟结果与试验结果较低围压下具有更好的线性关系。相同围压下,随着颗粒强度的增大,颗粒破碎程度减小,分形维数随之逐渐减小。通过与Hardin相对颗粒破碎率进行对比可知,分形维数可以很好地表征试样的级配情况,其值越大,级配越良好,粒径分布情况越均匀,颗粒破碎越严重。     

考虑级配参数空间变异性的堆石坝随机有限元分析

为研究堆石料级配参数的空间变异性对堆石坝坝体有限元计算结果的影响,以某面板堆石坝工程为例,结合施工填筑检测资料,基于Cholesky分解法实现堆石料分形维数的对数正态随机场模拟,结合考虑级配效应的堆石坝有限元分析方法对坝体力学响应进行研究,并与坝料分区采用单一级配假定的确定性有限元计算结果进行比较。结果表明:堆石料级配曲线基本满足分形分布,分形维数D可较好地表征堆石料级配特性。当随机模拟至200次时,坝体各响应值达到统计稳定,且堆石料级配的分形维数满足对数正态分布时,计算出的坝体应力变形基本满足正态分布。与坝料各分区参数采用单一级配假定的确定性有限元相比,随机性有限元的变形和应力均偏大,计算结果偏于安全,两者相对误差在2%~7%,如果不考虑堆石料级配参数的空间变异性,会在一定程度上低估坝体变形和应力。     

考虑级配影响的堆石料强度与变形特性

利用大型三轴仪选用一种典型堆石料,通过设置4种级配、4种相对密度开展一系列不同围压作用下的大型三轴压缩试验,以研究级配、密度、应力状态等因素对堆石料强度与变形特性的影响。基于以上试验,对比分析不同级配、不同密度、不同围压条件下堆石料的应力变形特性,结果表明:试样颗粒越粗,剪切过程中试样越呈现应变硬化和压缩变形特性,随着颗粒逐渐变细,应变软化和剪胀特性愈加明显;堆石料强度与变形特性不仅与其密实和所处的应力状态有关,而且初始级配对其强度与变形特性有显著影响;堆石料强度包络线符合幂函数关系,并通过分析计算验证了其合理性与正确性。分析结果为进一步研究堆石料的状态相关剪胀理论及状态相关本构模型奠定了基础。     

颗粒破碎对砂砾石料强度与变形特性的影响

砂砾石料是土石坝等工程的主要建筑材料,高应力状态下砂砾石料的颗粒破碎效应加剧,会显著影响其强度及变形特性,甚至威胁工程安全。以前坪水库筑坝砂砾石料为例,开展了不同围压、不同相对密度下三轴固结排水试验,分析了砂砾石达到临界状态之后的颗粒破碎规律与强度变形特性。研究表明,砂砾石料的级配在三轴试验前后都能用分形维数较好地描述,且分形维数与围压之间存在显著的线性关系,而与相对密度基本无关。这说明,围压是影响砂砾石料颗粒破碎程度的主要因素,相对密度的影响则可忽略。砂砾石料临界状态偏应力与围压正相关,而与相对密度无关。体积变形则受围压和相对密度的共同影响,围压越小、相对密度越大则体变的剪胀性越显著,反之则剪胀性越弱甚至无剪胀。     

堆石料强度及变形研究

通过大型三轴剪切试验,研究了广泛应用于众多工程领域的堆石料,在不同围压下和复杂应力状态下的强度和应力一应变关系,得到了所选用堆石料的抗剪强度指标及邓肯张非线性模型的参数值;通过对比不同围压下,试验前后试样的颗粒级配,得到了在试验过程中,堆石料的颗粒破碎度随着囤压的增加而增加,但制样过程中人为导致颗粒破碎的因数也不容忽视.     

高土石坝堆石料缩尺效应研究

通过堆石料室内大型三轴试验、数值模拟及现场原级配料载荷试验,分析缩尺效应对堆石料工程特性的影响。结果表明:室内试验颗粒最大粒径小于原级配颗粒最大粒径,忽略了颗粒破碎对筑坝料变形的影响,导致室内试验得到的参数大于堆石料实际变形参数;数值模拟试样级配变化较大,堆石料较为均匀,制样孔隙比大,试样干密度也远小于施工控制的干密度,试验时加载过程中颗粒的压缩和压密加剧了筑坝料的变形,导致模拟得到的变形参数偏小。堆石料缩尺效应主要受母岩强度、颗粒形状、级配特征、制样方法、控制标准等的影响;随堆石料最大粒径的增大,初始摩擦角稍有增加,摩擦角衰减值明显增加,体变模量明显减小,模量系数变化相对较小。     

级配对堆石料颗粒破碎及力学特性的影响

级配是影响堆石料颗粒破碎和力学特性的重要因素。为研究级配对堆石料强度和变形特性的影响,开展了3种堆石料的大型三轴排水剪切试验;同时为分析不同级配堆石料的颗粒破碎特性,对试验前后试样进行了颗分试验。试验结果表明,颗粒破碎率随应力的增大而增大,在同一围压情况下,相比于细颗粒含量高的堆石料,细颗粒含量少的产生的颗粒破碎率要大。随细颗粒含量的增加,强度指标变大,抵御变形能力增强,剪切过程中产生的体积变形小,剪胀更为明显。     

塔城水电站筑坝材料的分形维数及其统计特征

粗粒料的颗粒组份大小、形状及其接触方式决定了粗粒料的物理与力学性质,而分形几何在描述上述问题时具有独特优势。以塔城水电站筑坝材料为研究对象,通过建立分形模型,研究粗粒料的分形特性和细料含量对其分形维数的影响,在此基础上建立粗粒土分形维数的统计模型。利用试验成果对该模型进行了参数估计,通过拟合优度检验验证了模型的合理性。分析结果表明,塔城水电站筑坝材料的粒径分布具有较好的分形特性,分形维数介于1.181 9~2.632 3,且服从Weibull概率分布模型。粗粒土中分形维数与细料的含量呈显著正相关,两者的关系可用对数函数描述。上述分析表明,可以用分形维数代替级配曲线来表示堆石料的粒径分布特征,从而使问题得以简化。     

颗粒破碎对堆石料静动力特性影响的试验研究

开展了堆石料的大型静力三轴试验和动力三轴试验,研究了级配与颗粒破碎对静力力学特性的影响,讨论了动静力力学特性的相似性。研究表明当细颗粒含量在30%以内时,堆石料的强度指标和弹性模量随细颗粒含量的明显增加而提高;颗粒破碎对堆石料的力学特性影响较大,堆石料的颗粒破碎程度随细颗粒含量的增加而减少,随应力的增大而增大。研究还表明,堆石料的动力力学特性与静力力学特性具有相似性,当细颗粒含量增加后,级配趋向优良,堆石料的最大动模量和抵御地震残余变形的能力得到了提高。     

考虑堆石料颗粒形状的大三轴数值模型构造

离散元数值试验是研究堆石料力学特性的重要手段之一。堆石料颗粒形状不规则且粒径跨度大,很难形成既考虑颗粒形状,又满足实验室级配和孔隙率要求的离散元数值试样。在研究傅里叶描述符对颗粒延伸率、纵横比、扁平度等形状描述指标影响的基础上,构造了一系列不规则形状的细观堆石颗粒。结合离散元方法,采用Ｃｌｕｍｐ－ｂａｌｌ混合的落雨式分层过压建模法构造了大三轴数值模型。结果表明,构造方法更接近实验室制样过程,数值模型满足室内试验级配和孔隙率要求,为研究颗粒形状对堆石料力学特性影响作铺垫。     

分形理论在堆石料流变中的应用

流变过程中堆石颗粒不断破碎,分形维数在流变过程中随时间发生变化。基于流变过程基本规律,将分形理论应用于堆石料流变过程,构造了两类随时间变化的流变过程分形维数,并建立了颗粒破碎率与分形维数的关系。通过分析过程流变试验颗粒破碎率的变化规律,验证了流变过程中双曲线型分形维数假定的合理性。在此基础上,考虑流变过程中的能量关系并结合颗粒破碎耗能的相关研究,进一步推导了堆石料流变过程中体变随时间的变化规律,从而建立堆石料特定荷载情况下的流变本构模型。与试验结果对比表明:该模型可以从分形的角度反映堆石料流变规律。     

考虑缩尺效应对颗粒破碎影响的堆石料临界状态研究

堆石料缩尺后的替代料与原级配料的强度变形特性存在差异,揭示这种差异对堆石料工程运用具有重要的科学价值。采用相似级配法和混合法对弱风化灰岩料进行缩尺,缩尺后堆石料最大粒径分别为60、40、20、10 mm,通过三轴固结排水剪切试验进行缩尺后替代料的应力变形特性研究,分析了缩尺方法和试样最大粒径对堆石料临界状态及临界状态方程的影响。结果表明:最大粒径相同的条件下,混合法缩尺后试样体积变化量大于相似级配法缩尺试样,而两组试样在q-p′平面上的临界状态线几乎重合;引入分形维数描述颗粒破碎过程,颗粒破碎分维值随着围压的增大而呈幂函数增长,且与最大粒径的大小有关;在e-lgp′平面建立了考虑颗粒破碎的临界状态线方程,并给出了各参数的确定方法。研究结果为进一步构建考虑缩尺效应的堆石料临界状态本构模型提供了一种思路。     

堆石料蠕变试验方法研究

堆石料是土石坝的主要填筑材料,其蠕变特性研究是土力学热点之一。蠕变试验的方法主要有三轴试验和单向压缩试验两种。三轴试验是研究堆石料常用的试验方法,其轴向变形主要是偏应力引起的剪切变形。而单向压缩试验,作为一种可以研究 K0 状态下堆石料的蠕变特性的试验方法,目前对此的研究较少。应用大型三轴仪(Ф300mm) 和大型叠环式固结渗透仪(Ф500 mm) ,选用双江口堆石料,分别进行了堆石料的蠕变试验,成果表明两种蠕变试验的剩余蠕变量与时间的关系都可以采用幂函数准确表达。三轴试验成果验证了九参数蠕变模型的通用性,根据单向压缩试验成果提出了简单的经验公式。最后对两种试验成果进行了比较分析,发现单向压缩蠕变可以视为应力水平为 0.4 时的三轴蠕变,其不能反映应力水平对堆石料蠕变特性的影响。因此,要对堆石料进行蠕变研究,宜采用三轴蠕变试验。     

聚合物改性水泥混凝土集料分形特征研究

利用分形几何学原理对集料分形特征进行分析,研究了分数维与聚合物改性水泥混凝土(PMCC)集料级配、振实空隙率、强度及刚度性能的相关联系。研究结果表明,分数维与集料级配、空隙率具有较好的线性关系;分数维与PMCC强度、刚度性能的内在联系并不明显,但当分数维D为2.394时,PMCC的抗折强度与折压比均出现最大值,D≥2.394时,其弹性模量减小幅度显著增加。利用集料分数维实现对集料级配及PMCC性能的定量描述,可为PMCC的组成设计与性能研究提供一种新方法。     

Discrete element simulation of crushable rockfill materials

A discrete element method was used to study the evolution of particle crushing in a rockfill sample subjected to triaxial shear. A simple procedure was developed to generate clusters with arbitrary shapes, which resembled real rockfill particles. A theoretical method was developed to define the failure criterion for an individual particle subjected to an arbitrary set of contact forces. Then, a series of numerical tests of large-scale drained triaxial tests were conducted to simulate the behaviors of the rockfill sample. Finally, we examined the development of micro-characteristics such as particle crushing, contact characteristics, porosity, deformation, movement, and energy dissipation. The simulation results were partially compared with the laboratory experiments, and good agreement was achieved, demonstrating that the particle crushing model proposed can be used to simulate the drained triaxial test of rockfill materials. Based on a comparison of macro behaviors of the rockfill sample and micro structures of the particles, the microscopic mechanism of the rockfill materials subjected to triaxial shear was determined qualitatively. It is shown that the crushing rate, rather than the number of crushed particles, can be used to reflect the relationship between macro- and micro-mechanical characteristics of rockfill materials. These research results further develop our understanding of the deformation mechanism of rockfill materials.     

大型堆积体作为堆石坝基础的适宜性研究

通过勘探、物探手段查明左岸坝基堆积体的物质组成及厚度,采用现场颗分、载荷、注水、三轴试验手段分析堆积物的物理力学性能,该堆积体压缩性较低和具有足够的承载力,抗剪强度较高,能满足堆石体坝基要求。因此保留左岸堆积物作为堆石坝基础,可以减少坝基开挖量和坝体填筑量,降低工程造价,并缩短大坝施工工期。     

基于QGA-SVM的堆石料离散元细观参数标定模型

针对堆石料离散元三轴试验中存在的细观参数标定影响因素多、耗时严重等问题,在总结分析堆石料细观模型现状的基础上,建立基于量子遗传算法(QGA)和支持向量机(SVM)的细观参数标定模型。模型采用拉丁超立方抽样生成细观参数组,并使用离散元计算其应力-应变曲线;采用QGA对SVM进行训练,使其达到最佳学习效果,以模拟细观参数与应力-应变曲线间复杂的非线性关系;依据堆石料室内三轴试验成果,发挥SVM计算速度优势,采用QGA搜索堆石料细观参数,实现堆石料的离散元细观参数标定。堆石料细观参数实例标定结果表明,所建立的模型可快速、精确地标定离散元细观参数,具有工程应用价值。     

沥青混凝土的增量蠕变模型研究

摘要：复杂变应力工作条件下水工沥青混凝土的蠕变不仅与应力状态有关,而且与应力历史和应力路径有关,具 有遗传特性。利用某心墙堆石坝沥青混凝土的室内三轴蠕变试验资料,得到沥青混凝土试样的试验应力与对应最 终剪切蠕变量具有较好的双曲线关系;引入随应力状态改变而变化的蠕变剪切模量,基于Leaderman叠加原理, 建立了可反映复杂应力路径影响的五参数增量蠕变模型。并应用该模型对某坝进行了非线性黏弹性有限元分析, 结果表明：建议模型的计算值与大坝原型实测结果吻合较好,可用于变应力作用下具有遗传特性的沥青混凝土结 构     

不同模型参数对面板堆石坝应力变形的影响研究

为探讨室内三轴压缩试验及大型现场压缩模量试验在研究面板堆石坝坝筑坝材料实际力学特性的科学合理性,结合某100 m级混凝土面板堆石坝工程,分别对各区筑坝材料进行上述两种试验研究,其中对现场压缩试验成果采用基于免疫遗传算法的反演方法计算得到材料的邓肯E-B模型参数,同时整理室内压缩试验成果得到另一组参数。基于以上两组参数,运用三维非线性有限元法进行数值计算。计算结果显示,室内三轴试验过程因为缩尺试验料与实际筑坝料之间较大的颗粒粒径差异,计算得到的坝体及面板变形协调性较差,试验成果难以客观反映材料实际的力学性质,建议加强对缩尺效应及颗粒破碎机理的进一步研究以及直接对原级配筑坝材料试验方法的探索。