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。     

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。     

考虑颗粒破碎效应的粒状材料本构研究：进展及发展

颗粒破碎会引起材料的压缩性变大及强度软化，因此颗粒破碎对粒状材料力学特性影响的研究非常重要。首先从试验研究方面着手，总结了颗粒破碎的描述方法、不同加载条件下（一维及等向压缩、三轴剪切、扭剪及单剪）应力应变的颗粒破碎效应；接着总结了考虑颗粒破碎效应的粒状材料力学本构模拟方法，即一维及等向压缩模型、三维剪切模型及基于离散元法的微观土力学模型。最后，通过大量试验结果分析并结合笔者近年来的研究成果，指出可破碎颗粒材料在应力应变过程中的颗粒级配变化可由修正相对破碎指数来表示，可通过塑性功来确定，且塑性功确定法的优越性还体现在循环加载下的累积破碎评价；然后再通过修正相对破碎指数，来确定临界状态线的位置，进而可通过当前状态与临界状态线的相对位置来评价颗粒破碎对颗粒材料力学特性的影响。所提出的以修正相对破碎指数为关键变量的本构方程可直接应用于考虑颗粒破碎效应的粒状材料静动力本构模型的开发。     

Undrained Cyclic Shear Behaviour of Reconstituted Scoria Deposit

Since scoria can be utilized in several industrial applications and the cyclic shear characteristics of scoria have not been studied sufficiently, it is important to measure the cyclic triaxial shearing response of scoria deposit. A series of laboratory tests was carried out in order to obtain the cyclic shear characteristics of scoria. Undrained cyclic triaxial tests were conducted on reconstituted scoria deposits obtained from Mt. Fuji, Yamanashi Prefecture. To evaluate the degree of particle breakage due to shearing, the grain size distribution has been evaluated before and after cyclic triaxial tests by traditional techniques. The differences in liquefaction characteristics between Scoria and other materials from previous studies were demonstrated. From the results of undrained cyclic triaxial test on the scoria, it was understood that the effect of relative density D_r on the cyclic shear strength of scoria material is small, in the range 43.8% to 97.7% of D_r. Comparison results between monotonic and cyclic triaxial tests on grain breakage due to shearing shows that the degree of grain breakage for cyclic triaxial test is relatively higher than from monotonic tests for a similar dry density.     

Influence of Freeze-Thaw Action on Deformation-Strength Characteristics and Particle Crushability of Volcanic Coarse-Grained Soils

The objective of this study is to evaluate the effect of freeze-thaw action on the deformation-strength characteristics of crushable volcanic coarse-grained soils, wherein significant particle breakage occurs even under relatively low stress levels and saturated conditions. A series of monotonic triaxial compression tests was performed for volcanic coarse-grained soils under various freeze-thaw histories. On the basis of the test results, we examined the above-mentioned effect and the relationship between the degree of particle breakage and the freeze-thaw history. The results indicate that the degree of particle breakage under consolidation and shear increased with freeze-thaw action; and consequently, the strength and the stiffness of the soils decreased with an increase in the number of freeze-thaw cycles. Moreover, to examine the influence of freeze-thaw action on the single-particle hardness of volcanic coarse-grained soils, single-particle crushing tests were conducted. The test results revealed that volcanic soil particles become more fragile after being exposed to freeze-thaw action, and as a result, the degree of particle breakage increases. These results indicate that the freeze-thaw action has a strong influence on the deformation-strength characteristics of crushable volcanic soils in terms of an increase in particle breakage, even if the soils lack frost-heave characteristics.     

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。     

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。     

Particle breakage evolution of coral sand using triaxial compression tests

Particle breakage continuously changes the grading of granular materials and has a significant effect on their mechanical behaviors.Revealing the evolution pattern of particle breakage is valuable for development and validation of constitutive models for crushable materials.A series of parallel triaxial compression tests along the same loading paths but stopped at different axial strains were conducted on two coral sands with different particle sizes under drained and undrained conditions.The tested specimens were carefully sieved to investigate the intermediate accumulation of particle breakage during the loading process.The test results showed that under both drained and undrained conditions,particle breakage increases continuously with increasing axial strain but exhibits different accumulating patterns,and higher confining pressures lead to greater particle breakage.Based on the test results,the correlations between particle breakage and the stress state as well as the input energy were examined.The results demonstrated that either the stress state or input energy alone is inadequate for describing the intermediate process of particle breakage evolution.Then,based on experimental observation,a path-dependent model was proposed for particle breakage evolution,which was formulated in an incremental form and reasonably considers the effects of the past breakage history and current stress state on the breakage rate.The path-dependent model successfully reproduced the development of particle breakage during undrained triaxial compression using the parameters calibrated from the drained tests,preliminarily demonstrating its effectiveness for different stress paths.     

A bounding surface plasticity model for highly crushable granular materials

A bounding surface plasticity model is presented for crushable rockfills in the framework of the critical state soil mechanics which includes translation of the critical state line due to particle crushing. A translating limiting isotropic compression line is also introduced and incorporated in the model to describe the position and evolution of the bounding surface. A particle breakage index is introduced as a function of stress invariants which controls the translation of the critical state and limiting isotropic compression lines. The performance of the model is demonstrated using the results of experimental tests on different types of rockfill materials conducted under both monotonic and cyclic loading conditions. The study shows the capability of the model in capturing the characteristic features of the behavior of rockfill and other crushable materials such as ballast and coarse gravel under both conventional and complex loading paths.     

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。     

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。     

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。     

粗粒土与结构接触面三维力学特性的直剪试验研究

运用80t三维多功能土工试验机,对粗粒土与人造粗糙钢板接触面的三维力学特性进行试验研究,包括常法向应力条件下单调剪切试验(法向应力σ=200kPa、400kPa、700kPa、1000kPa)及十字、单向圆形和往返圆形路径下循环剪切试验(σ=400kPa)。结果表明:在单调和循环剪切时接触面均产生了明显的剪切体变,循环剪切时可分为遵循不同规律的可逆和不可逆两部分;不同剪切路径下接触面切向应力-应变关系曲线有很大差别,但主剪应力-主切向位移关系类似;随循环剪切的进行,接触面在逐渐剪切硬化,主剪应力-主切向位移曲线形式均由双曲线形式向理想弹塑性模式转变;接触面抗剪强度具有各向同性,其与法向应力关系符合摩尔-库伦准则;法向应力对接触面单调力学特性影响显著,剪切路径对其循环力学特性(剪切体变、切向应力-应变关系及破坏状态等)有重要影响。     

堆石蠕变与颗粒破碎特性三轴试验

为分析堆石的蠕变规律和研究颗粒破碎与蠕变的关系,对某堆石料进行了不同应力水平和围压下的大型三轴排水蠕变试验.蠕变试验后通过筛分试验测量了堆石的颗粒破碎程度.结果表明堆石的蠕变变形与应力水平和围压有关;轴向蠕变和体积蠕变随应力水平的增大而增大,应力水平相同时则随围压增大而增大.堆石的应变-时间关系可用幂函数表示,轴向应变...     

长期循环荷载下珊瑚砂累积变形特性试验研究

对取自南海的珊瑚砂进行等向和K_0固结的三轴排水剪切试验,发现固结路径对珊瑚砂的剪切行为有显著影响。在此基础上,采用K_0固结条件,设计一系列不同围压和循环动应力比的长期排水循环加载三轴试验,研究得到珊瑚砂具有门槛颗粒破碎循环动应力比,安定性理论可用于解释不同动应力比长期循环加载下珊瑚砂的累积变形发展模式。基于静力和动力试验结果,引入相对偏应力水平,建立能反映初始固结状态和循环动应力比的珊瑚砂排水循环加载轴向残余累积应变显式计算模型,对预测循环荷载下珊瑚砂地基长期沉降有积极意义。     

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。     

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。     

粗粒料颗粒破碎三轴试验研究

随着粗粒料在高土石坝等工程中广泛应用,颗粒破碎逐渐成为粗粒料工程特性研究的一个重要方面。通过三轴颗粒破碎试验,研究了某粗粒料等压固结、峰值以及不同应力水平下的颗粒破碎规律,分析了干湿状态的影响。结果表明:等压固结颗粒破碎率与围压之间以及峰值内摩擦角与颗粒破碎率之间均呈幂函数关系;相同围压下颗粒破碎率随应力水平增加而加速增加;相同应力水平下颗粒破碎率随围压增加而增加;不同围压下的颗粒破碎率与应力水平之间可进行归一化处理;同应力状态下湿态颗粒破碎率较干态大,二者差异的决定因素为材料软化系数。同时,对以上结论进行了理论分析,提出了一个颗粒破碎的估算方法,探讨了干湿状态对颗粒破碎影响与材料软化系数之间关系。     

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。     

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。