加载方式和应力水平对珊瑚砂颗粒破碎影响的试验研究

对取自西沙群岛的珊瑚砂试样分别开展侧限压缩、三轴压缩、单向剪切和循环剪切4种试验,研究不同加载方式和应力水平下颗粒破碎及粒组转化关系,讨论珊瑚砂颗粒破碎优势区间的分布规律。提出通过颗粒破碎增长率来描述颗粒破碎程度随循环剪切次数的变化情况,发现随着循环次数的增加珊瑚砂颗粒破碎增长率由初始值迅速向0衰减,应力的升高会导致颗粒破碎增长率的衰减加快,颗粒破碎越快趋于稳定。提出当颗粒破碎增长率低于某很小值时视为颗粒破碎已经达到极限值,可在实际工程中将此极限破碎状态下珊瑚砂的力学参数用作设计上的极值,以此作为颗粒破碎影响下最不利或最有利情况。颗粒接触力较高但颗粒之间相对运动不充分的试样发生颗粒破碎后粒组转化缺乏规律性,充分的颗粒相对运动使得颗粒破碎后粒组转化呈现明显的相似性和规律性。粒组含量变化趋势在粒径0.25 mm处由波动变化转换到稳定增长,此阈值粒径随着颗粒之间接触力的增加而减小。颗粒破碎在整个粒径范围内并非均匀分布,而是存在典型的粒径增长区间和粒径丢失区间。在相同的粒径坐标模式下,典型破碎优势区间对应于颗粒级配曲线的转折区域。     

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。     

基于颗粒破碎特性的堆石材料级配演化模型

颗粒破碎会改变土体级配,进而影响其应力应变等力学行为。针对现有技术手段难以实时确定加载过程中颗粒破碎与级配变化的现状,依据天然岩石颗粒的破碎特性,建立了一个基于颗粒强度的级配演化模型。模型中应力参数采用增量加载法,可预测加载过程中的级配演化。由单粒强度试验确定颗粒破碎特性和模型参数,试验结果表明颗粒强度服从Weibull分布。筛分颗粒破碎后的碎片发现,粒径累计分布可用正态曲线拟合,且不同粒组的粒径累计分布相似。最后,模型计算结果与三轴试验数据的对比分析表明,模型可以较好地预测试样在加载过程中的级配变化。     

粗粒土颗粒破碎效应量化分析

粗粒土同一颗粒破碎效应的量化指标存在相互换算关系。根据粒径级配曲线及分形理论,散粒体材料颗粒破碎效应量化指标主要有颗粒破碎量Bg、相对破碎率B_r及分形维数D,详细论述三者建立基础及过程,查明其联系与区别。根据不同应力下粗粒土受剪破碎的筛分结果,探讨B_r及D随围压变化规律,论证并建立B_r与D的数学表达式,揭示了颗粒破碎量化指标的内在逻辑。理论及试验结果分析表明:Bg为数据点间距离代数和,属一维指标;B_r及D均基于面积变化量刻画颗粒破碎程度,属二维指标,本质上都是利用增量量化破碎程度。用破碎势量化混合法缩尺效应B_r为0.125,用分形理论得到土体缩尺后D减小9.04%。B_r随围压增大呈指数变化;D随围压增加呈线性分布,随B_r增加呈对数函数变化。     

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。     

粗粒土颗粒破碎的级配转移矩阵研究

级配转移矩阵通过建立颗粒破碎前后各粒径百分含量向量的关系,能有效地描述粗粒土破碎过程中的级配演化。现有的级配转移矩阵忽略了不同粒径组颗粒的破碎差异,且不能考虑颗粒发生诸如研磨等现象后其粒径分组未改变的情况。为此,提出一种新的级配转移矩阵求解方法:首先基于大量的单颗粒点荷载试验,提出能够描述单颗粒破碎后子颗粒粒径分布的Hill分布函数;在此基础上,将单颗粒的破碎演化规律引入到离散元模拟中,基于子颗粒替代法,对不同粒径组颗粒采用相应的阿波罗填充模式,开展一系列多粒径组试样的一维压缩试验,最后通过追踪各粒径子颗粒来源,求解土体级配转移矩阵。该研究克服了传统数值方法中子颗粒数量和粒径分布选择较为主观的缺点,可较好地反映不同粒径组颗粒的破碎演化规律。     

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。     

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。     

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。     

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。     

级配对珊瑚砂颗粒破碎与变形特性的影响

珊瑚砂具有典型的颗粒破碎特征，而破碎导致的粒径变化对珊瑚砂力学特性有显著的影响。为探究初始级配和围压对珊瑚砂颗粒破碎及变形特性的影响，选择4种不同初始颗粒级配的试样在4种不同围压下进行了三轴固结排水剪切试验。研究结果表明：在小围压下，剪切过程中不同级配的珊瑚砂试样的应力应变关系均表现出应变软化现象，体变曲线呈现出非常明显的剪胀，而且粒组的颗粒粒径越细，峰值强度越大，体积应变也越大。随着围压的增加，粗颗粒级配砂样表现为应变硬化。研究发现对于某一级配，随着围压的增加加剧了珊瑚砂颗粒破碎的发生，两者之间存在显著的幂函数关系。通过引入级配参数β，建立了颗粒破碎率B_r与级配和围压之间的关系表达式。研究还发现在e-(p’/p_a)^ξ平面内，不同级配的珊瑚砂试样临界状态线为相互平行的直线，其截距eГ与初始孔隙比eic、级配参数β之间存在显著的线性关系，并据此建立了考虑级配影响的珊瑚砂临界状态方程。     

粗粒料三轴湿化颗粒破碎试验研究

颗粒破碎是引起粗粒料湿化变形的重要因素，有必要对其进行深入研究。利用改进的应力控制三轴仪，对坝的粗粒料进行不同围压和湿化应力水平下保持应力水平不变的三轴湿化变形试验，同时对湿化前后的试样进行颗粒分析试验。依据试验结果，分析湿化颗粒破碎的原因，得到湿化变形最及Hardin的颗粒破碎指标表示的颗粒破碎量。对粗粒料湿化变形和湿化颗粒破碎试验结果的分析表明：湿化变形与围压及湿化应力水平有关；湿化引起颗粒破碎，对颗粒级配曲线有较大的影响，湿化前后级配曲线的颗粒累积百分比的差值随粒径呈驼峰状分布，驼峰位于25％含量粒径左右；湿化引起的颗粒破碎使得级配曲线的曲率系数、不均匀系数和60％含量粒径减小；湿化颗粒破碎随着围压和湿化应力水平的增加而增加；湿化变形与湿化颗粒破碎之间有很好的相关性，湿化轴变与湿化颗粒破碎近似成线性关系；湿化变形的基本规律可以根据湿化颗粒破碎规律加以解释。     

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。     

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。     

不同粒度粗粒的极限孔隙比和破碎特征

为了研究以石英砂为主要成分的粗粒土压实过程,分别利用量筒倒转法和振动击实试验,测定了不同粒度粗粒的极限孔隙比,分析了极限孔隙比随粒径变化的规律;采用压实容量表征粗粒孔隙比变化范围,探究了压实容量与粒径的关系;开展了不同粒度粗粒和原料土的颗粒破碎特征试验,分析了击实过程中的颗粒破碎特征和演变过程.结果表明:粗粒最大孔隙比随着粒径的增大先快速减小后缓慢增大,最小孔隙比随着粒径的增大线性减小;粗粒土压实容量随着粒径的增大先减小后增大;粗粒土在击实过程中的颗粒破碎量随着粒径的增大线性增大;颗粒破碎使粗粒土向着级配连续的方向发展,粗粒土逐渐趋于均匀化.     

砂土渗透系数影响因素试验研究

砂土渗透系数的大小与土体的颗粒级配、土体干密度、土体孔隙比、土体颗粒粒径和土体矿物成分等因素相关。通过室内常水头渗透试验研究土颗粒粒径、土颗粒级配、土体干密度对砂土渗透系数的影响。采用控制变量法设计3大组试验,并对结果进行分析,确定了渗透系数随3种因素的变化关系。试验结果表明,砂土渗透系数随着颗粒粒径减小而减小,随级配增良而减小,随干密度增大而减小。     

钙质砂临界状态随颗粒破碎演化规律分析

根据物理试验揭示的钙质砂颗粒破碎特征和发展规律,建立了可进行钙质砂三轴试验的离散元数值模型。首先通过预压均匀级配的钙质砂破碎生成不同初始级配的试样,进行不破碎三轴剪切过程的数值试验,以确定临界状态与固定级配的对应关系。结果表明,一个固定级配对应一条固定的临界状态线,在压缩平面内各固定级配临界状态线基本平行但是位置随颗粒级配的拓宽(颗粒破碎程度的增大)而逐渐降低。然后,采用相同均匀级配的试样,进行加载过程颗粒可破碎的三轴试验,以揭示实际三轴试验中临界状态线的变化机理。结果表明,在e–p–Br三维空间中,可破碎三轴试验的各临界状态点都落在由固定级配临界状态线所确定的破碎临界状态面上,说明临界状态由最终的颗粒级配决定,而与产生该颗粒级配的过程无关。实际物理试验中,不同围压和应力路径达到临界状态时颗粒破碎程度的不同是导致实测临界状态线出现复杂变化的机理;在三轴压缩剪切情况下,颗粒破碎程度基本随着有效球应力的增大而增大,所以实测的颗粒破碎临界状态线相对于固定级配的临界状态线呈现出旋转的变化。     

超大粒径人工砾石土的击实特性试验研究

对2种击实功、3种击实尺寸、8种掺砾量的人工砾石土进行击实试验,研究人工砾石土颗分曲线、最优含水率、最大干密度、破碎率、细料变化等特性。得出尺寸效应、骨架作用、掺砾量、击实功是人工砾石土击实特性的关键影响因素。人工砾石土在击实功能的作用下颗粒级配趋于良好,其最优含水率均随人工掺砾石量的增加而降低,破碎主要发生在粒径大于约为最大粒径的0.5倍的颗粒范围内。当掺砾量小于60%时,采用2 690 kJ/m3功能300型击实对超大粒径人工砾石土进行质量控制是完全合适的。对于超大粒径人工砾石土的压实度检测,采用粒径小于20 mm的颗粒更能反映击实料的细料变化。     

超大粒径人工砾石土的击实特性试验研究

 对2种击实功、3种击实尺寸、8种掺砾量的人工砾石土进行击实试验,研究人工砾石土颗分曲线、最优含水率、最大干密度、破碎率、细料变化等特性。得出尺寸效应、骨架作用、掺砾量、击实功是人工砾石土击实特性的关键影响因素。人工砾石土在击实功能的作用下颗粒级配趋于良好,其最优含水率均随人工掺砾石量的增加而降低,破碎主要发生在粒径大于约为最大粒径的0.5倍的颗粒范围内。当掺砾量小于60%时,采用2 690 kJ/m3功能300型击实对超大粒径人工砾石土进行质量控制是完全合适的。对于超大粒径人工砾石土的压实度检测,采用粒径小于20 mm的颗粒更能反映击实料的细料变化。     

粗粒土强度特性及颗粒破碎试验研究

利用大型多功能界面剪切仪对粗粒土进行大型直剪试验,并针对粒径范围在20～50 mm及10～20 mm的特殊试样进行两组对比试验,对粗粒土的力学特性及强度参数进行分析;试验结束后对所有试样进行颗粒筛分,总结颗粒破碎规律。结果表明:粗粒土属于剪切硬化型材料,不良级配材料强度非线性特性明显,呈现较大假黏聚力,摩擦强度变化较小;筛分分析表明,颗粒破碎率随法向应力增加明显增大,二者符合双曲线关系,其拟合参数与级配及颗粒尺寸等密切相关。