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。     

一种改进的聚合模型在污泥絮凝-沉降模拟中的应用

鉴于在试验中难以观测到污泥絮团的粒径分布情况,且以往类似模拟中鲜有考虑絮团分形特征及絮团黏结效率的问题,通过一种改进的聚合模型来模拟污泥颗粒间的分形聚合机理,并在群体平衡模型(PBM)和两相流Mixture模型基础上对污泥的絮凝-沉降进行三维数值模拟。模拟结果表明:建立的数学模型能较好地反映黏性污泥分形絮凝-沉降规律,具预测絮团粒径分布的能力;在同一时刻絮团的粒径分布范围随着分形维数的降低逐渐变宽,大粒径絮团数量迅速增加,小粒径絮团数量逐渐减少;初始颗粒数量的衰减速率随分形维数的增大而增大;絮团数量总体呈先增加后减少的趋势,但当分形维数不同时,其最大值随分形维数的增大而增大,出现时间随着分形维数的增大而有所缩短。     

炭质泥岩粗粒土动态回弹模量及预估模型研究

【目的】为研究炭质泥岩粗粒土动态回弹模量在荷载、级配和含水率影响下的变化规律,【方法】开展室内三轴试验,探究不同应力状况、分形维数和含水率条件下炭质泥岩粗粒土的动回弹特性。【结果】试验结果显示：炭质泥岩粗粒土动态回弹模量随体应力的增大而增大,随动偏应力和含水率的增大而减小;含水率对动态回弹模量影响较大,在含水率较小时,回弹模量随分形维数的增大而减小,随着含水率的增大,回弹模量逐渐随分形维数的增大而增大。【结论】采用三参数复合模型对试验结果进行回归分析,试验结果与模型有较好的拟合效果,并提出了基于含水率和分形维数的三参数经验预估模型,可有效预估炭质泥岩粗粒土动态回弹模量。     

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。     

桂林重塑红粘土裂隙发育特性研究

对桂林重塑红粘土裂隙发育特性进行室内干湿循环试验,并结合分形特征对裂隙进行分析。结果表明,桂林重塑红粘土在初次干湿循环主要进行环向收缩,无明显表面裂隙;重塑红粘土裂隙随干湿循环次数增加逐渐发育,裂隙率、分形维数、裂隙总长度增大,而裂隙平均宽度存在增大后减小的现象;随干湿循环次数增加,试样裂隙率随初始含水率增加而减小,随初始含水率及干密度增加,分形维数减小,而裂隙总长度、裂隙平均宽度与初始含水率、干密度之间未表现出明显规律;当初始含水率高于最优含水率达到31%时,试样表面裂隙发育不明显;在第2至第5次干湿循环中,试样裂隙率与分形维数相关性较高。     

用粒径的数量分布表征的土壤分形特征

应用计算机图像分析技术，对6个典型土样测定土壤颗粒的等效直径和分布规律，给出用粒径的数量分布表征的土壤分形维数。结果表明：土壤颗粒的粒径分布具有一定的统计分形特征，分维数的数值反映了粒径大小和分布的均匀程度。分维数愈大，土壤颗粒的粒径愈小，细粒含量愈高，质地愈不均匀；土壤颗粒在单一粒级分布的集中程度对分维数的数值有重要影响，单一粒级的颗粒含量愈高，分维数愈大。计算机图像分析技术为土壤的分形研究提供了一种精确、简便的实验和分析方法。     

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。     

基于不完全分形理论的土壤水分特征曲线模型

本文将土壤的物理构成分为不具有分形结构的固体颗粒和孔隙以及具有分形结构的团聚体结构，建立了土壤孔隙和粒径分布的不完全分形模型，并与土壤毛管水运动Young-Laplace方程相结合推导出土壤水分特征曲线模型。将模型应用于6种土壤的结果表明，模型所包括的3个参数中分形维数有随土壤黏粒含量的增加而增大的趋势，另2个参数分别为基质势作用下的可释放含水率和特征曲线的形状参数。所提出的水分特征曲线模型能够较好的模拟不同土壤质地和基质势范围下土壤基质势和含水率的特征关系。     

塑性混凝土相对弹性变形特性试验研究

为了探讨塑性混凝土应力-应变曲线直线段P₁和P₂的取值范围,从而得出弹性模量的取值,通过对4组不同混凝土配合比的48个试件,进行了单轴抗压强度试验。通过试验绘制了典型应力-应变曲线,选取了曲线的近似直线段,进而分析割线模量和计算区间内切线模量均值的相近程度,并对直线段弹性模量计算公式中如何对P₁和P₂取值进行了研究。试验结果表明:塑性混凝土应力-应变曲线上升段存在近似直线段;塑性混凝土的强度＜5MPa时,选取60％和80％峰值应力作为弹性模量计算公式中P₁和P₂的值比较符合塑性混凝土的实际情况;反之,则需要更进一步的研究。试验研究成果为解决低强度塑性混凝土材料性能取值难问题提供了一种较好的方法。     

颗粒材料破碎能耗分形理论研究

大理岩颗粒材料破碎具有分形特征,为了研究颗粒压缩破碎的分形特征,结合大量的单颗粒破碎试验,得出了颗粒破碎粒径分布图,将颗粒破碎的形态特征分为3类,指出破碎形态与颗粒形状的关系。同时根据试验结果,确立了颗粒破碎时的变形与粒径的关系,并以此为依据,首次建立了颗粒破碎能耗与分形维数的关系。基于压缩破碎的试验结果得出分形维数,试验选取的颗粒破碎的分形维数D为2.48。所有的结论都建立在试验的基础上,所用假设经过试验结果的验证,与试验结果十分吻合。     

颗粒级配对非饱和红土土-水特征曲线的影响

颗粒级配是影响土-水特征曲线的主要因素之一,探讨这个问题对研究非饱和土的渗流和强度特性具有重要价值。以江西红土为研究对象,人工配制5组颗粒级配不同的土样,基于分形理论研究其分形特征及其分维数,结合滤纸法试验测量土样的土-水特征曲线并求得其特征值,然后分析各特征值与分维数之间的关系。结果表明:对于不同颗粒级配的土-水特征曲线,同一体积含水率下细土颗粒含量越多的土样其基质吸力越大;粗细土颗粒含量不同的土样均具有较好的分形特征;颗粒级配定量指标均随分维数的增加呈现出先增后减的规律;且分维数随着细粒土含量的减少而降低,进气值和残余基质吸力值均随分维数的增大而提高。说明可运用分维数讨论颗粒级配对土-水特征曲线的影响。     

碎石尺寸对碎石土强度影响的大型直剪试验研究

以田师府—桓仁铁路大前石岭隧道边坡碎石土为研究对象,配置了3组含碎石尺寸不同的重塑碎石土样并采用大型直剪仪进行了剪切试验研究,探讨了碎石尺寸对碎石土抗剪强度的影响作用规律。在此基础上,利用现代非线性理论-分形理论,采用分形几何方法研究了该碎石土重塑样的粒度分布特征,得出了不同碎石尺寸下碎石土的分形维数,并探讨了碎石土的强度特征与粒度分形维数之间的关系。研究表明在粗粒含量相同的情况下,碎石土的抗剪强度随着碎石尺寸的相对增大而增大;内摩擦角随着碎石尺寸的相对增大而增大;而黏聚力呈现相反的趋势,随着碎石尺寸的相对增大而降低;随着碎石尺寸的相对增大,分形维数增大,分形维数越大,其颗粒粒度分布越不均匀,反之分形维数越小,其颗粒粒度分布越均匀。碎石土抗剪强度和粒度分形维数有一定的相关性,黏聚力随着分形维数的增大而减小,而内摩擦角呈现相反的趋势,随着分形维数的增大而增大,黏聚力和内摩擦角均与粒度分形维数近似呈现抛物线函数关系。     

复杂地质条件下粉砂质泥岩蠕变力学行为研究

为揭示复杂地质条件下粉砂质泥岩的蠕变力学特性,利用多相耦合蠕变试验装置及声发射监测系统,对取自某矿井2种粒径粉砂质泥岩进行了饱水状态下不同温度和围压的蠕变力学试验。研究结果表明:粉砂质泥岩的内部结构特征及所处的外部复杂地质条件会对其长期力学行为产生显著影响;围压越小、温度越高、粒径越大的粉砂质泥岩强度越低而稳态蠕变率越大;稳态蠕变速率随围压的升高呈线性降低,随温度的升高呈指数函数增长;蠕变过程中泥岩的孔隙率变化趋势与蠕变速率相似,均呈“U”型分布,相同围压和温度下,粒径越大的试件,孔隙率变化幅度越大;温度越高,围压越大,蠕变声发射信号越是呈“高频率、高幅值”,粒径越大,声发射信号越显著。研究成果可为进一步揭示粉砂质泥岩在复杂地质条件下的流变特性提供理论和试验支撑。     

垂直剖面上玄武岩红土的分形结构

本文借助分形几何理论 ,探讨垂直剖面上玄武岩红土在加分散剂前后颗粒粒度的分维变化特性。研究结果表明 :不论是否加分散剂 ,红土的颗粒粒度都存在线性分形结构。不加分散剂 ,存在两个无标度区 ,沿剖面从上到下 ,分维值逐渐增大 ;加分散剂 ,存在一个无标度区 ,沿剖面从上到下 ,分维值逐渐减小。分维值的大小反映了红土中颗粒粒度的变化特点     

湘潭地区红层软岩在淋雨条件下崩解的分形维数研究

采用室内模拟自然降雨的崩解试验,对湖南湘潭地区的红层软岩制成4种不同质量的试样进行了干湿循环淋雨崩解试验,推导了体积与粒径关联的分形维数D_V求解方法,并采用D_V对试验后试样的崩解特性进行了研究。结果表明：不同质量红层软岩试样崩解后的累计百分含量与粒径关系曲线的形状非常相似,曲线的形状整体呈上凸型。随着干湿循环次数N的增加,红层软岩试样的大颗粒逐渐减少,小颗粒逐渐增多,崩解物级配曲线渐渐趋于重合,反映出试样的崩解速率逐渐放缓。随着各组试样质量的不断增大,曲线上凸的部分越发突出。随着N的增加,不同质量试样的D_V先迅速增大,然后增速逐渐放缓,最终基本达到稳定。随着试样质量的逐渐增加,试样的D_V逐渐增大,表明岩样的质量越大,则其崩解的速率越快。     

粗颗粒对黏性土干缩开裂影响的试验研究

在极端干旱条件下,黏性土失水将会产生裂隙,并会对土的工程性状产生显著影响。自然界中的土通常还含有一些粗颗粒。目前关于粗颗粒对黏性土失水开裂影响的研究很少,特别是有关粗颗粒对黏性土开裂影响的定量描述鲜见报道。为了研究粗颗粒含量对黏性土失水开裂的影响,在黏性土中掺入石英砂颗粒制作含粗颗粒的黏性土样,在自制的可自动实时摄像的恒温恒湿箱中开展失水开裂试验,采用计算机图像处理技术,定量描述了蒸发过程中含粗颗粒黏性土的开裂特征和表面裂隙的几何分维特征,定量分析和讨论了粗颗粒对黏性土开裂的影响机理。结果表明:①在蒸发过程中,黏性土中的粗颗粒会增加水分从下至上的运移距离,并且减小了过水面积,使得土样表面孔隙失水后得不到足够的补充,空气进入土样表面孔隙,提高了土样进气值含水率;②土样开裂含水率只与是否含有粗颗粒有关,与粗颗粒含量关系较小,并且土中粗颗粒能明显提高土的开裂含水率;③土中粗颗粒对裂隙宽度的发展具有阻碍作用,对裂隙长度的发展有促进作用,裂隙面积随粗颗粒含量增加先增加后减小;④土样表面裂隙的分形维数和裂隙率正相关。