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。     

膨润土和高岭土掺量对饱和细砂剪切特性的影响

通过室内直接剪切试验,研究不同膨润土和高岭土掺量(5%、10%、15%、20%、25%及30%)对饱和砂土剪切特性的影响,提出了可供参考的不同掺量下饱和黏粒-砂混合土的抗剪强度指标。结果表明:掺入膨润土和高岭土黏粒后,饱和砂土的抗剪强度降低,黏聚力增大,内摩擦角减小,并且随着掺量的增加呈现一定的塑性;相同黏粒掺量下高岭土-砂混合土的黏聚力大于相应的膨润土-砂混合土黏聚力,内摩擦角小于相应的膨润土-砂混合土内摩擦。     

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。     

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。     

侧限压缩下石英砂砾的颗粒破碎特性及其分形描述

利用侧限压缩试验研究高压应力下石英粗砂和细砾的颗粒破碎特性,基于分形模型和粒径分布资料,研究颗粒的破碎分形。结果表明:颗粒破碎量随着压力的增加而增加,并与粒径大小有关。随着破碎量的递增,粗砂的内摩擦角逐渐增大,细砾的内摩擦角先增大后减小,二者最终均趋于稳值;石英砂砾破碎后的粒度分布具有良好的分形特性,破碎分维数的数值大小反映了破碎量的变化,破碎量愈高,分维数愈大,并与Hardin破碎率有较为显著的线性关系。破碎分维数和Hardin破碎率与压应力之间分别存在着双曲线关系和半对数线性关系,因而通过压应力和土粒参数就可估计破碎分维数和破碎率。破碎分维数为粒状材料的颗粒破碎分析提供了一个新的量化指标。     

高应力剪切条件下粗砂与混凝土结构接触面颗粒破碎试验研究

通过在RMT-150B岩石力学系统基础上自行改进的高应力直剪仪,对不同含水率的粗砂与不同硬度和粗糙度的混凝土结构接触面进行粗砂与混凝土结构接触面颗粒破碎试验研究。结果表明,高法向应力粗砂与混凝土结构接触面直剪试验后颗粒级配曲线相较于试验前的曲线所对应出的颗粒粒径含量,随粒径的减小呈现出先减小后增加趋势,在颗粒粒径为0.25~0.074mm段,试验前后两级配曲线相互靠拢,对应粒径的含量变化较小;干粗砂破碎相较于含水的粗砂总体上破碎率较大,大粒径颗粒砂随含水率增大破碎量增大,小粒径颗粒砂随含水率增大呈现破碎减小状态,而含水率的大小对颗粒破碎影响相差不大;结构接触面的混凝土强度为C20、C30,粗糙度为3mm时,颗粒相对破碎率最小,结构接触面的混凝土强度为C40、C50表现与之相反;随着混凝土强度的增加,粗糙类型-破碎率曲线随粗糙度波动的敏感度变小,在混凝土结构接触面强度为C40时粗糙类型-破碎率曲线随粗糙度波动敏感度最小。     

影响砂土抗剪强度的主要因素

根据砂土的室内剪切试验-全模试验和半模试验,分析了影响砂土抗剪强度的主要因素。指出了均匀砂和不同级配的砂对砂土抗剪强度的影响。从室内试验可以看出,均匀砂中,砂样的抗剪强度随着法向应力的增大而增大,而且抗剪强度增长幅度与法向压力基本成正比增长的趋势。相同法向压力下,砂土的抗剪强度随着粒径的增大而增大,内摩擦角也随之变大。可以很好的说明,砂土的抗剪强度与颗粒大小有关。     

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。     

发泡球粒粒径对混合轻量砂强度影响试验研究

为确定发泡球粒粒径对混合轻量砂的强度影响规律,采用三轴固结不排水试验系统研究发泡颗粒混合轻量砂在不同配比下(2～6 mm范围内4种不同发泡颗粒平均粒径,水泥掺入比13%和20%,发泡颗粒体积比为1.8)的强度特性。试验结果表明：发泡颗粒混合轻量砂是一种结构性土体,其应力-应变关系曲线具非线性、多阶段性、应变硬化和应变软化特性。Mohr破坏包络线有折线形和直线形2种表现形式,取决于自身结构强度和所选取的固结压力。变形模量和抗压强度具有可调节性,随水泥掺入比增大而增大。配比一定时,随发泡颗粒粒径增大,变形模量线性减小,抗压强度呈指数递减。黏聚力和内摩擦角均随着发泡颗粒粒径的增大而呈递减的趋势,但内摩擦角减小的幅度较小。水泥含量对黏聚力影响较大,对内摩擦角影响不明显。发泡颗粒粒径在2～5 mm范围内增大时,单价降低率远远大于强度衰减率,继续增大优势不明显,粒径为5～6 mm时,制样难度大大增加。综合考虑,推荐采用4～5 mm粒径的发泡颗粒进行工程设计。     

干燥及饱和橡胶砂压缩和剪切特性

将废弃轮胎作为建筑材料应用在土木工程领域是对其回收处理最有前景的方法之一。为了研究轮胎橡胶颗粒改良砂土的效果,选取橡胶颗粒与福建砂的混合土为研究对象,研究了橡胶砂的压缩和抗剪特性,分析了橡胶含量与干湿状态对橡胶砂力学特性的影响,并建立了双曲线模型预测橡胶砂受剪过程的剪应力与剪切位移关系。结果表明：橡胶砂的压缩变形随橡胶含量增大而增大,饱和橡胶砂的压缩变形明显大于干燥橡胶砂;橡胶砂的剪应力剪切位移曲线表现出应变硬化特征;橡胶砂的抗剪强度与橡胶含量的关系不大;干燥试样内摩擦角随着橡胶含量的增大而降低,饱和试样的内摩擦角随着橡胶含量的增大而轻微升高;通过双曲线模型预测的剪应力剪切位移关系曲线与试验结果吻合。     

考虑粒径效应的人工透明土模拟砂土剪切研究

文章以人工透明土为基本原材料,以室内直接剪切试验为基本方法,模拟不同粒径的砂土,研究了颗粒粒径对剪切强度的影响以及与内摩擦角的关系。结果表明:不同颗粒粒径对人工透明土内摩擦角有着直接的影响。内摩擦角随着粒径的增大,大致呈现增大趋势,但当颗粒粒径在小于3.5 mm时,内摩擦角却随着颗粒粒径的增大而减小。     

粉粒含量对砂土强度特性的影响

对含无塑性粉粒的砂土进行了三轴固结不排水试验,结果显示:粉粒含量通过颗粒组成和结构对粉砂强度和变形产生重要影响。在粉粒含量为6%,9%和12%时,松散试样在100 kPa围压下出现了静态液化现象,而粉粒含量增至15%时该现象消失,且随着围压的增大该现象也消失;在同一粉粒含量下,粉砂土残余内摩擦角高于峰值内摩擦角,但残余偏应力值很小,这是由于孔压增长很大,抵消了内摩擦角由?p′提高到?r′的有利影响;稳态线也受粉粒含量的影响,表现在随着粉粒含量的增加,稳态线逐渐向下移动;各粉细砂强度和变形对围压的敏感性强于纯净砂;粉粒含量对孔隙比的影响是含量超出一定值后才变得显著的,这说明粉粒加入到砂骨架中时,并未全部充填至砂粒孔隙中,而是以砂粒间接触点或面上为主,这样的接触结构导致了粉砂具有高体缩性,由此使得粉砂样表现出典型的应变软化特征。     

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。     

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。     

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。     

含石率对土石混合体–基岩界面剪切力学特性的影响

土石混合体与基岩接触界面是高填方体边坡和天然斜坡失稳不容忽视的潜在滑移面。通过室内大型直剪试验和离散元数值模拟探究了含石率对土石混合体—基岩界面剪切力学特性的影响及接触面剪切破坏机理。结果表明:土石混合体—基岩界面的剪应力–剪切位移曲线随法向压力的增大有由应变软化向应变硬化转变的趋势;剪应力–剪切位移曲线出现"V型跳跃"主要与颗粒破碎、转动和翻越有关;土石混合体—基岩界面抗剪强度和抗剪强度指标随含石率的增加先增大后减小,存在着最优含石率,但内摩擦角φ变化不大,在38°左右波动;剪切带的分布和形态受含石率和法向压力影响显著,法向压力和含石率越高,剪切带就越厚;剪切带内的块石破坏表现为表面研磨、局部破碎和完全破碎3种模式;法向压力和含石率都是影响相对破碎率B_r的主要原因,表现为随着含石率和法向压力的增加,块石相对破碎率不断增加。     

冲击能对钙质砂砾颗粒级配影响试验研究

岛礁工程中常规模化采用冲击法加固钙质砂砾回填料地基。对钙质砂砾试样进行冲击试验,研究不同总冲击能对试样颗粒级配、变形、颗粒破碎的影响,结果表明:随着总冲击能的增大,试样孔隙比逐渐减小,并最终呈稳定趋势,二者满足指数函数关系;试样相对破碎率随总冲击能的增大而逐渐增大,但存在一临界总冲击能,超过该值后,相对破碎率增幅逐渐减弱;冲击能能改变试样粒径的构成,其不均匀系数、曲率系数随总冲击能增大而增大,并呈二项式函数关系;试样平均粒径随总冲击能的增大而减小,二者呈线性负相关;钙质砂砾经过冲击作用后,粒组百分含量变化较为明显,含砂量增大,砂砾比例发生变化,其中原粒组下一级粒径区间质量百分含量增量尤为明显。利用钙质砂砾进行规模化地基填筑时,应充分考虑冲击能对其颗粒级配、砂砾比变化的影响,选择合理的施工工艺。     

常压至高压下中砂剪切特性及应力–剪胀关系

为研究高围压范围内砂土相对密实度和围压对土体强度和变形特性的影响,对3种不同相对密实度砂土试样在常至高围压下进行常规三轴固结排水剪切试验,获得偏应力–轴向应变–体应变关系曲线,同时进行颗粒破碎分析。结果表明:在常至中压范围(0.8 MPa≤σ_3≤2 MPa),应力–应变曲线均表现出不同程度的应变软化,其剪胀性随相对密实度增加和围压的降低而增强;当进入高围压范围时(σ_32 MPa),应力–应变曲线逐渐向应变硬化型转变,试样体积逐渐趋于剪缩。颗粒破碎程度随着围压和密实度的增大而增大,在高围压时由于中密和密砂剪切后期出现了明显的颗粒破碎,导致剪切过程中出现了二次相变。不同密实度土体的破坏内摩擦角和对数围压表现良好的线性关系,拟合确定了破坏内摩擦角随对数围压增加的衰减率,同时基于Bolton应力–剪胀关系拟合确定了试验砂土的临界状态内摩擦角,建立了剪胀指标与初始相对密实度及平均有效应力的关系式,为高压情况下砂土地基稳定性分析等提供强度参数。     

人工模拟堆石料颗粒破碎应变的三轴试验研究

高应力作用下堆石料的颗粒破碎严重,其对堆石体变形的影响不可忽视。采用水泥净浆浇筑不同粒径和不同强度椭球颗粒的方法,探讨了一种人工模拟堆石料的制备方法。通过系列的三轴试验研究了不同破碎率情况下模拟堆石料应力变形和破碎体应变的特性。结果表明,试验中相对破碎率同颗粒强度和围压力的相对大小直接相关。颗粒破碎对堆石体的应力应变特性具有十分重要的影响。堆石体的破碎体应变均为正值,且随轴向应变的增加而增大,两者近似呈双曲线关系。破碎体应变和破碎率之间存在近似的幂函数关系。     

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。