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.     

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。     

循环荷载作用下堆石料的颗粒破碎特性

通过大型动力三轴试验,研究了循环荷载作用下堆石料的颗粒破碎特性及其影响因素,首次根据堆石颗粒在混合料中所发挥的作用以及堆石料发生颗粒破碎后不同粒径范围颗粒含量的变化量,将堆石料的颗粒破碎形式划分为棱角破碎和骨架破碎。进而,基于堆石料发生颗粒破碎前后级配的分形维数定义了堆石料的颗粒破碎率,建立了循环荷载作用下堆石料颗粒破碎率与其动剪应变及体积应变关系表达式。     

考虑颗粒破碎的堆石料剪胀特性研究

针对某高堆石坝的筑坝堆石料开展大型三轴排水剪切试验,研究堆石料在不同孔隙比及不同应力状态下的颗粒破碎与剪胀特性关系,结果表明,不同孔隙比堆石料在低围压下都表现出剪胀,但随围压增大,堆石料的剪胀现象均逐渐消失并转为剪缩.提出了破坏剪胀率概念,用以描述堆石料颗粒破碎与其剪胀特性的关系,试验发现,随着堆石料颗粒破碎率增加,破...     

基于修正邓肯–张模型的堆石料颗粒破碎研究

堆石料在剪切过程中有明显的强度软化和剪胀现象,传统邓肯–张模型无法对其进行有效描述。通过对邓肯–张模型进行改进,能得到更好的拟合效果,并给出模型参数b-c=0.25作为材料处于硬化还是已进入软化阶段的判别标准。通过Hardin破损指标的引入,将颗粒破碎程度和材料强度和变形联系起来,分析结果表明,随着破碎程度增加,强度降低比较明显,而变形则主要受围压控制。基于改进邓肯–张模型给出剪胀率d与应力比η之间的关系,与已有理论的比较说明了其合理性和便利性。     

复杂应力路径下堆石料的颗粒破碎特性研究

针对堆石料进行了一系列等向压缩、常规三轴和复杂应力路径试验,采用相对颗粒破碎率为度量研究了多种应力路径条件下堆石料的颗粒破碎特性。对不同应力路径下试验过程中的塑性功进行了对比,分析了颗粒破碎与平均应力p、广义剪应力q所做塑性功之间的关系,研究了不同应力路径下三轴试验颗粒破碎的差异和原因。结果表明:模拟心墙土石坝填筑和蓄水应力路径下的颗粒破碎远小于常规三轴试验。多种应力路径下塑性功与相对颗粒破碎率之间存在明显的相关性,并可用幂函数较好拟合。不同应力路径下塑性功分量之间差异明显。常规三轴试验中广义剪应力q所做功占总塑性功的主要部分,不同复杂应力路径试验p,q所做塑性功占比差异较大。     

循环荷载作用下堆石料颗粒破碎特性试验研究

利用大型动三轴试验设备,针对3种堆石料进行了考虑周围压力、固结比以及动应力幅值影响的排水动三轴压缩试验,探讨了动力荷载作用下筑坝堆石料的颗粒破碎特性。研究表明:在循环荷载作用下,堆石料颗粒破碎率随母岩强度的提高而降低,随围压、固结比及动应力幅值的增加而增加;根据动三轴试验过程,在进行颗粒破碎分析时应将堆石料颗粒破碎的产生分为4个阶段予以分别考虑;堆石料在动荷载施加前的已有颗粒破碎状态及应力水平对其后续的颗粒破碎特性具有一定的影响,动力加载过程中试样的体积收缩能够在一定程度上反映这一过程中颗粒破碎率的变化。     

堆石料剪切过程中的颗粒破碎研究

颗粒破碎直接改变堆石料本身结构,影响土体的剪胀、内摩擦角、峰值强度、渗透系数和流变变形。但是,目前对于堆石料在剪切过程中的破碎规律尚不明确。通过室内固结排水三轴试验,研究了古水面板坝玄武岩堆石料在制样、固结和剪切过程中的颗粒破碎规律。研究结果表明:堆石料在制样过程中会产生较为显著的颗粒破碎现象;在等向固结过程几乎不产生颗粒破碎。低围压下,颗粒间的翻越和滑移受围压约束较弱,剪切过程中的颗粒破碎不明显。髙围压下,颗粒间的翻越和滑移受到限制,颗粒间的咬合力显著提高,随着剪切应变的增大,土体颗粒不断发生破碎。在颗粒破碎过程中,大粒径颗粒首先破碎,破碎的颗粒从大粒径逐渐向小粒径扩展。粒径在0.5 mm以下颗粒的含量始终随剪应变的增大而增多,且增长幅度随着围压的增大而增大。土体颗粒破碎同时受围压和剪切变形的影响,相同围压下剪切过程中的相对破碎参量Br和剪应变之间的关系可采用双曲线公式描述。     

颗粒破碎对堆石料填充特性缩尺效应的影响研究

堆石料的填充特性与其力学变形特性密切相关,颗粒破碎会改变堆石料填充特性,又是影响其缩尺效应的主要因素;以填充特性为切入点,研究堆石料缩尺效应,对深入认识堆石料复杂力学响应及其产生机理有重要意义。通过对不同颗粒破碎强度的堆石料缩尺试样开展三轴数值剪切试验,研究了颗粒破碎对堆石料填充特性缩尺效应的影响,进一步揭示了缩尺效应的产生机理。研究表明:颗粒越易破碎,缩尺效应越明显;颗粒破碎对描述填充特性的宏细观参量影响明显,主要表现为相同制样标准下,试样尺寸越大,剪切前后的孔隙率均越小,颗粒越易破碎该趋势越明显,同尺寸试样,颗粒越易破碎则剪切后的有效孔隙率越小;剪切前的有效孔隙率随试样尺寸的增大而增大,与剪切后的规律相反;试验中,大尺寸试样较小尺寸试样产生了更多的力学不稳定颗粒,是造成堆石料缩尺效应的原因之一。     

模拟堆石料颗粒破碎对强度变形的影响

许多试验事实表明,极高压力下颗粒材料粒径极限分布并非 Hardin 所谓的以 0.074 mm 为截断粒径的均匀分布。通过拓展破碎概念提出了 Hardin 破碎指标修正定义,并用以区分剪切过程中破碎的暂时和永久终止状态。 开展了系列模拟 堆石料固结排水大型三轴试验,提出了系列非线性关系用以描述模拟堆石料的级配、破碎指标以及应力–应变–体变响应变化规律。分析表明：随着围压增加,特征粒径减小而级配指标增加,试样级配变化明显;随着围压增加,峰值（或临界）状态破碎指标增加,相应的应力比和内摩擦角则减小,两种状态下破碎指标与内摩擦角具有唯一对应关系;同一剪切过程中,破碎指标变化率、剪胀率和塑性剪切模量具有非同步变化关系,由此形成了颗粒破碎对于模拟堆石料应力变形影响的复杂性。     

堆石料流变应变的硬化特性试验研究

堆石料流变变形是高土石坝工程长期变形的重要来源之一,过大的长期变形可导致发生坝体裂缝和面板挤压破损等问题。目前常用的流变模型主要是根据单级加载流变试验成果建立的,未考虑多级加载情况下堆石料加载变形和流变变形之间的相互影响。研制了三轴仪油压伺服轴向应力稳压器,实现了应变控制进行应力加载和应力控制进行稳压流变的联合控制模式,据此提出了一种进行多级应力加载和流变的三轴试验方法,可有效避免流变的起算时间问题。采用糯扎渡弱风化花岗岩堆石料,进行了系列的多级加载三轴流变试验。根据试验结果,探讨了多级加载条件下堆石料应力应变曲线的分段特性,发现堆石料流变变形会引起堆石料的塑性硬化,可使得堆石料在后续应力加载的一定范围内处于弹性再加载状态。基于弹塑性理论,探讨了堆石料流变硬化特性的作用机理,表明堆石料流变的硬化特性具有普遍性,是流变的一项固有属性。     

一个考虑颗粒破碎的堆石料弹塑性本构模型

基于广义塑性理论建立了一个考虑堆石料颗粒破碎的弹塑性本构模型。模型采用随平均应力增加而减小的峰值摩擦角和特征点摩擦角来反映堆石料因颗粒破碎而表现出的峰值应力比与剪胀应力比的非线性,在此基础上确定塑性流动和加载方向向量;运用指数型压缩函数建立依赖于体积应变和平均应力的压缩参数 λ ,并构造随平均应力与剪应力水平而变化的塑性模量表达式。模型共有 8 个参数,均可通过等向或单向压缩和三轴压缩试验确定。为验证本文模型的合理性,依据试验资料确定了 3 种不同堆石料的本构模型参数,并对典型三轴压缩试验进行了模拟。 3 种材料的模型预测结果与试验数据均吻合良好,表明本文模型可合理反映了颗粒破碎对堆石料强度与变形特性的影响。     

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。     

考虑破碎的堆石料二维颗粒流数值模拟

堆石料在外力作用下极易发生破碎,基于单颗粒破碎机制,依靠生成的颗粒簇单元克服刚性圆形颗粒模拟堆石料颗粒不能破碎的缺陷,采用线性接触模型建立堆石料颗粒破碎的数值模型。模拟室内平面应变试验,分析堆石料在整个加载过程中内部接触力、微裂纹和各种能量的变化,探讨堆石料颗粒破碎的内在机制。研究表明:颗粒簇生成的数值试样通过内部黏结力断裂更能真实反映堆石料颗粒破碎;堆石料颗粒破碎首先发生在大粒径和接触力较大的颗粒,并逐步向最大压应力方向发展,最终试件内部产生剪切破裂滑动面;在整个加载过程中,堆石料的剪切微裂纹数大于拉伸微裂纹数,颗粒破碎主要以剪切破坏为主,峰值点附件产生大量颗粒破碎;小变形情况下,总输入能以弹性应变能的形式储存在颗粒簇内部颗粒间接触,大变形情况下,弹性应变能以储存-释放的形式转换其他形式耗能,并导致其他形式耗能增加。研究成果可为研究堆石坝体变形提供参考。     

考虑级配和颗粒破碎影响的堆石料临界状态研究

临界状态土力学理论在描述细颗粒土应力变形特性方面较为成功,已经成为建立许多黏土和砂土本构模型的基础。对于堆石料,在应力、密度、级配等因素影响下,其变形特性非常复杂,且高应力条件下颗粒易发生破碎,是否存在"唯一"的临界状态值得探讨。通过对不同级配、不同密度的试样在不同围压条件下的一系列大型三轴剪切试验,研究了堆石料的临界状态及其影响因素。研究发现:不同级配、不同密度、不同初始固结应力条件下,当剪应变较大时试样都趋于临界状态,临界状态的值与初始密度、初始级配、颗粒破碎有关;q–p'平面内,堆石料存在唯一的临界应力比M;在e–(p'/p_a)~ζ平面内,临界状态线基本平行,其截距可以根据初始密度和初始级配直接求得。通过对比分析各试样的临界状态,提出了考虑级配和颗粒破碎影响的堆石料临界状态数学表达式。     

基于分形级配方程的堆石料颗粒破碎SBG模型

准确预测堆石料在受剪过程中颗粒的破碎率以及相应的级配变化,是揭示堆石料在复杂应力状态下强度、渗透、变形等特性的基础。基于分形级配方程,建立了一个实现"应力应变—破碎指标—级配分布(SBG)"转换的模型。引入Einav破碎指标BE作为衡量颗粒破碎率的指标,对分形级配方程进行变形和积分,推导了颗粒破碎率B_E和分形维数D的数学转换,即"破碎指标—级配分布"的转换。对已有的三轴剪切试验数据进行分析,提出一个可以定量表示颗粒破碎率随剪应变和平均正应力变化的数学模型,模型共有3个参数a,b,c,参数b与土体的临界状态有关,根据临界剪应变可以直接确定。对两组不同的试验数据进行拟合,发现模型预测值与试验值具有较高的吻合度,实现"应力应变—破碎指标"的转换。将以上两种转变联立,成功预测了不同剪应变及平均正应力下堆石料的级配变化。     

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...     

堆石料颗粒破碎对剪胀性及抗剪强度的影响

堆石料的一个比较明显的特点是在力的作用下常发生颗粒破碎，本文通过三峡花岗岩风化石碴的三轴试验和平面应变试验，结合日本森吉山安山岩和玄武岩的三轴试验成果，综合分析了颗粒破碎规律及有关力学特性，分析了破碎与剪胀性及破碎强度分量的关系。     

考虑细观单粒强度的堆石料破碎特性研究

颗粒破碎是影响堆石料力学性质的主要因素之一,但由于测试手段的限制,荷载作用过程中堆石的颗粒破碎难以实时度量,因而影响堆石料力学特性的深入研究。通过单粒强度试验,发现同一粒组的堆石料单粒强度较好地服从Weibull分布,而破碎后颗粒的粒径级配曲线基本服从分形分布。在此基础上,推求了堆石料三轴试验过程中级配的演化过程,给出了颗粒破碎的实时预测方法,与三轴试验结果比较,验证了本文方法的有效性。     

破碎性堆石料单剪试验研究

介绍了自行研制的叠环式大型单剪试验仪。对两种不同岩性的堆石料进行了不同竖向应力条件下大变形的单剪试验,分别研究了竖向应力施加过程(压缩过程)及单剪过程中颗粒破碎的变化。试验结果表明:颗粒破碎与颗粒抗压强度及施加的竖向应力有关,颗粒抗压强度小及施加的竖向应力大,压缩过程与剪切过程中颗粒破碎率大;无论是压缩过程还是剪切过程,颗粒破碎均存在一个临界值;颗粒破碎主要发生在压缩或剪缩过程中。