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。     

石英砂砾破碎过程中粒径分布的分形行为研究

荷载作用下粒状土的颗粒破碎改变土的粒径分布,从而影响其力学特性。试验证据显示随着颗粒破碎的增加,任何初始分布的土粒都将趋向一种自相似的分形分布。为了揭示土的粒径分布的分形转变机制,利用侧限压缩试验研究高压应力下石英砂砾的粒径分布演化规律和颗粒破碎特性,基于分形模型和粒径分布实测数据研究破碎过程中粒径分布的分形行为。研究发现:颗粒破碎增长导致粒状土趋向分形分布的过程与颗粒破碎量密切相关,并可以通过增大的分形维数来描述。尽管石英砂砾的初始分布和粒径有所不同,分形维数大于2.2的粒径分布实测数据均展示了较为严格的自相似性,因而该数值可作为分形分布的分形维数下限值。研究还发现:相同破碎状态下Hardin相对破碎率小于Einav相对破碎率,但二者对应力和体应变的响应规律是一致的。颗粒破碎发展至粒径分布成为分形分布时,体应变与相对破碎率的比值将保持恒定,并且受初始分布的均匀性和颗粒大小的影响很小。这一特点可用于分形分布的识别,并意味着试验中如果粒径分布是分形的,则无须为了粒径分析而终止试验,只需测量到体应变就可估计相对破碎率。     

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。     

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。     

钙质砂和石英砂压缩下的颗粒破碎与形状演化

颗粒破碎现象对土体力学性能具有显著影响。以往关于颗粒破碎的研究多关注于粒径的变化,忽视了颗粒形状的变化。为研究破碎过程中颗粒形状的演化规律,开展了钙质砂和石英砂的侧限压缩试验,对试验过程中颗粒形状参数的进行了量化研究。结果表明两种砂土的相对破碎率均随着单位体积塑性功的增加而增加,表现出明显的双曲线关系。钙质砂的长径比、球形度和圆度会随着破碎程度的增加而增加,凸度变化不明显;随破碎量的增加,石英砂颗粒的长径比和球形度先减少后增加,凸度持续减少至稳定,球形度持续增加。通过定义试样整体的形状值能很好的量化颗粒形状的变化规律。并且钙质砂整体形状值与相对破碎率满足双曲线关系,石英砂则为抛物线关系。     

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。     

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。     

考虑应力路径和颗粒破碎影响的钙质砂剪胀特性及剪胀方程研究

钙质砂的剪胀特性受应力路径和颗粒破碎的共同影响。为了探讨钙质砂在不同应力路径下的剪胀特性,进行了一系列不同固结压力和应力路径组合的排水三轴压缩试验。结果表明:应力路径和颗粒破碎对钙质砂的剪胀特性有重要影响。不同应力路径下钙质砂的剪胀比与应力比的关系存在显著差异。相同应力比下的剪胀比,等围压试验的最大,等轴向应力试验的最小,等平均主应力试验的居中。峰值应力比对应的剪胀比随峰值应力比的增大而减小且为线性关系,随颗粒相对破碎率的增大而增大并近似呈幂函数关系,应力路径对这些关系的影响不大。忽略应变软化阶段的剪胀比与应力比相关的参数大致呈线性关系,其直线斜率与应力路径和固结压力相关。基于试验结果,提出了一种与应力路径和颗粒破碎相关的剪胀方程并进行了试验验证,显示出剪胀方程对不同类型的粒状土均具有较好的适应性。     

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。     

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。     

循环三轴应力路径下钙质砂颗粒破碎演化规律

钙质砂广泛分布于中国南海区域,是吹填造陆的重要材料。钙质砂颗粒容易破碎,使得其力学特性相比于普通的陆源硅质砂有显著差异。对取自中国南海西沙群岛某岛礁的钙质砂开展了三轴排水循环剪切试验,研究了围压、循环应力比、循环振次对钙质砂颗粒破碎发展过程的影响。在试验所采用的围压范围内,钙质砂在固结过程中产生的颗粒破碎较少,但是在随后的循环剪切过程中产生了显著的颗粒破碎。在循环剪切作用下,钙质砂的颗粒破碎形式主要是尖角的磨损,剪切后试样的颗粒中出现了一些碎屑和微细颗粒,大颗粒的棱角有一定程度的磨圆,但粒径无明显减小。在常围压下的等幅循环剪切中,颗粒破碎程度随着循环剪切次数的增大而增加,增长速率逐渐降低,可以采用对数曲线来描述相对破碎指数的发展过程。再考虑围压和循环应力比的影响规律,初步建立了一个描述颗粒破碎演化过程的数学模型。     

考虑剪胀性与状态相关的钙质砂双屈服面模型研究

根据重塑和原状钙质砂压缩特性的不同，提出颗粒破碎会引起原状钙质砂的附加孔隙比增量。在临界状态土力学的理论框架内，通过引入状态参数和帽盖屈服面，建立1个考虑颗粒破碎影响的钙质砂的弹塑性本构模型，在较大密度和应力水平范围内对1种土只需采用1组材料参数。通过与三轴试验结果比较，模型能较好地描述钙质砂的强度和剪胀性。     

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SEM图片的钙质砂连通孔隙分析

钙质砂是一种以碳酸钙为主要成分的特殊砂土,由于在形成过程中保留了原生物的骨架,故钙质砂颗粒不仅形状各异而且富含孔隙。颗粒孔隙的存在对钙质砂的压缩、剪切、强度和破碎性等力学性质有很大影响。针对这一问题,取南海一处岛礁建设地基的钙质砂试样,根据粒径大小将其分为6个不同的粒组,在每个粒组中选出不同形状的代表性颗粒,对其进行电镜扫描试验。借助MATLAB图像处理程序,选取合适的阈值对扫描试验得到的图片进行二值化处理,对钙质砂的连通孔隙进行了分析,系统的研究了不同粒径和粒形钙质砂颗粒的表观孔隙率的分布规律。结果表明:对于粒径小于1 mm的颗粒,面孔隙度随着粒径的增大而增大,不同形状颗粒面孔隙度差别不大;粒径超过1 mm后,面孔隙度随着粒径的增大而减小;条状颗粒面孔隙度最大而片状颗粒的面孔隙度最小。     

高应力状态下钙质砂的一维压缩特性及试验影响因素分析

中高应力状态下钙质砂的一维压缩试验可以得到试样的轴向屈服应力、压缩指数等特性,但试样的侧向力很难准确测得。为了研究钙质砂的一维压缩特性,开展17组高应力状态下钙质砂与石英砂的一维压缩对比试验和17组ABAQUS三维有限元数值模拟,得到一维压缩试验中应变片位置、套筒粗糙度、壁厚和长度对试验结果的影响。结果表明,相同相对密实度下石英砂的压缩模量是钙质砂3～4倍,压缩模量随相对密实度的增大而增大。钙质砂和石英砂的屈服应力分别约为2和10 MPa,此后颗粒开始大量破碎,压缩指数分别约为0.90和0.65。通过数值计算与试验结果对比发现,若试验中通过测量套筒外壁环向力反算试样径向力,测试点布置于试样中部时误差最小。试验时套筒内壁应尽量光滑,在满足变形要求的前提下,套筒壁厚越薄反算结果越接近真实值。     

循环直剪条件下粗粒土与结构接触面颗粒破碎研究

循环剪切条件下粗粒土与结构接触面颗粒破碎规律的定量研究具有重要意义。循环剪切时,接触面产生了明显的颗粒破碎,并显著影响其宏观力学响应。接触面颗粒破碎细观上表现为大颗粒破碎、小颗粒含量增加及大孔隙的减少或消失,统计上表现为粒径分布曲线的抬升和特征粒径的减小,宏观上表现为接触面不可逆性剪切体变;且不可逆性剪切体变可作为接触面颗粒破碎等物态演化的宏观度量。接触面颗粒破碎主要由剪切引起,相对破碎率与剪切路程、不可逆性剪切体变与相对破碎率间的关系均可用双曲线描述。法向应力越大、结构面板越粗糙、硬度越小,接触面颗粒破碎和损伤越严重;且相对破碎率与法向应力间符合幂函数关系;剪切路径对接触面相对破碎率影响较小。     

珊瑚碎屑钙质砂的抗剪特性

珊瑚碎屑钙质砂是海洋沉积物中的一种,其强度低、形状不规则、内孔隙多和易破碎等性质和普通石英砂有很大差异。通过对取自南沙群岛永暑礁附近海域的钙质砂进行大型剪切试验,分析得到轴压、剪切速率和级配对钙质砂力学特性的影响。试验结果表明,钙质砂的抗剪强度在达到峰值之后都会出现应变软化现象,随后略微增长并且达到稳定。随着剪切速率的降低和轴压增大,试验土体的抗剪强度持续增加,出现的颗粒破碎增多,土体的剪胀量减小;随着级配粗颗粒的增加,土体的最大抗剪强度和颗粒破碎持续增加,并且在P5=65.14%情况下达到峰值,之后随着粗颗粒含量的增多而降低。     

钙质砂的颗粒破碎和剪胀特性的围压效应

低应力水平下的颗粒破碎现象使钙质砂的应力-应变关系具有特殊性，引入颗粒强度的概率分布，得到描述颗粒破碎的损伤参量，建立了钙质砂的损伤边界面模型，分析了颗粒破碎、剪胀性、围压三者的关系，理论计算结果与试验结果吻合较好。     

考虑颗粒破碎的钙质砂边界面循环本构模型

钙质砂作为一种海洋生物成因的易破碎材料,由其构成的地基在海洋环境下长期受到动荷载的作用,故模拟钙质砂在循环荷载作用下的颗粒破碎及其对应力应变行为的影响具有重要意义。将引起塑性应变和颗粒破碎的机制分解为两种:有效球应力增加引起的压缩机制和剪应力比变化引起的剪切机制。压缩机制引起的颗粒破碎可由Hardin公式模拟,为适应复杂应力路径,在Hardin公式的基础上建立了增量型的压缩破碎模型。剪切机制引起的颗粒破碎满足两个"递减率":(1)在每一个单向剪切过程中,颗粒破碎的累积速率总是在单向剪切起始处最大,并随着单向剪应变的增加而减小;(2)在总的剪切过程中,颗粒破碎的累积速率随颗粒破碎量的增大而逐渐减小。在边界面本构模型框架中引入所建立的压缩和剪切破碎模型,通过随颗粒破碎量移动的临界状态线反映颗粒破碎对模量、强度和剪胀等应力应变行为的影响,建立了一个考虑颗粒破碎的循环本构模型。通过对钙质砂的单调和循环三轴试验结果的模拟初步验证了所提出本构模型的合理性。     

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.