基于Markov链的岩土材料颗粒破碎演化规律研究

从单一粒径组颗粒破碎演化规律角度入手,研究了多粒径组颗粒破碎演化规律。首先,提出了能够描述单一粒径组颗粒破碎状态的两参数Weibull分布函数;此外,提出了多粒径组颗粒有效破碎概率概念;在上述基础上建立了一个能够较好的描述多粒径组颗粒破碎演化规律的Markov链模型,选取了不同岩土材料、试验条件和颗粒大小下的试验数据对该模型进行了验证,表明提出的模型能够描述各种试验条件下多粒径组颗粒破碎的演化规律。     

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。     

染色石膏颗粒一维压缩破碎与粒径迁移

为研究粒状岩土材料粒组层面的破碎与粒径迁移规律,采用人工制备的染色石膏颗粒,进行不同应力和级配的单粒组及多粒组等比例混合试样的一维压缩试验。采用人工识别和图像识别软件相结合的方法进行破碎后的颗粒分离,得到各粒组破碎后的级配,据此分析颗粒破碎过程中的粒径迁移模式、粒组的破碎概率以及破碎重叠效应。分析结果表明,颗粒破碎与粒径迁移模式为分步多次破碎、依粒组次序迁移,因而破碎后粒组的级配是连续不间断的。与单粒组级配试样中颗粒破碎概率随粒径减小而减小不同,多粒组级配试样中颗粒的破碎概率随粒径减小而增大(窄级配试样)或先增后减(宽级配试样),但较单粒组级配试样整体上有所下降。破碎重叠效应表现为各粒组颗粒的绝对破碎量远大于相对破碎量,且随着应力的增加和粒径的减小更加明显。最后基于粒度熵的概念,建立了可以反映破碎重叠效应的绝对破碎率。该试验结果亦可为颗粒破碎的数值模拟提供参考。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于离散单元法岩石单颗粒压缩破碎研究

基于离散单元法软件PFC~(2D),将粒径为0.075~0.1245mm的基本粒子捆绑成不同粒径的岩石颗粒,模拟岩石单颗粒压缩破碎试验的应力-应变关系,观察颗粒破碎演化过程,统计单颗粒破碎强度。建立了单颗粒破碎强度的分形模型,推出单颗粒破碎强度公式,并与离散单元数值试验结果进行对比,两者吻合程度很高。模拟不同孔隙率的岩石颗粒压缩破碎试验,结果表明,岩石单颗粒破碎分布的分维随着孔隙率的减小而增大。     

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。     

松散破碎介质中气体渗流规律试验研究

 原地爆破浸出采场的铀矿堆,是一种松散破碎介质,其颗粒级配服从Rosin-Rammler分布。这种介质中的气体渗流同时受到介质的特征粒径、粒径分布指数和孔隙率的影响。为了研究这种影响,根据Rosin-Rammler分布,选配具有不同颗粒级配的7组试样,采用自制的松散破碎介质气体渗流试验装置,对其中气体渗流的规律进行试验研究,并利用试验结果,采用自适应神经模糊推理系统,建立根据特征粒径、粒径分布指数和孔隙率预测渗透率和惯性系数的自适应神经模糊推理系统(ANFIS)模型。结果表明：松散破碎介质中的气体渗流不满足Darcy定律,而满足Darcy-Forchheimer定律;所建立的预测渗透率和惯性系数的ANFIS模型,能够给出具有足够精度的预测结果,这为渗透率和惯性系数的预测开辟新的途径。     

基于分形理论的钙质土颗粒破碎状态演化研究

颗粒破碎会使土体的颗粒级配发生重大变化,而颗粒级配的变化又会显著影响土体的物理力学性质.采用冲击荷载试验对单一粒组以及复杂粒组的钙质土在冲击荷载作用下的破碎行为进行研究,根据单一粒组试验结果,基于分形理论,建立单一粒组在破碎状态下的颗粒级配演化函数;该函数仅包含2个参数,分形维数D以及破碎率PB,且D与PB皆为输入能量...     

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。     

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。     

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。     

基于分形理论的北京地区砂砾石地层细观建模

 土石混合体材料及相应地层中地下结构的力学行为及变形规律受到颗粒粒度组成与分布规律的影响。采用分形几何学对土石混合体的粒度分布进行描述,进一步明确了质量–粒径级配曲线与粒度分形维数之间的关系。在双对数坐标系 下对34组砂砾石土进行粒度分形,结果表明：北京地区砂砾石土粒度分布满足分形结构,其粒度分维区间值为2.4～2.6。根据统计的粒度分维区间,分析了颗粒级配随分形维数及最大粒径的变化规律,对土石混合体的力学性质及稳定性给出了新的认识。并将分形理论与室内试验颗粒级配分布结合,反演出土石混合体完整的颗粒级配分布。基于Monte-Carlo原理,结合分形理论,采用圆形或球体表征块石的形状,编写砂砾石地层模型生成程序,建立砂砾石地层模型,并针对隧道的开挖问题展开了数值分析。     

三轴试验条件下钙质砂颗粒破碎影响因素研究

针对钙质砂颗粒易破碎的特点,对取自南海某礁的钙质砂进行大量三轴试验,研究钙质砂在不同围压、粒径、级配、密实度、排水条件和含水率条件下的颗粒破碎情况,分析以上因素对钙质砂颗粒破碎的影响。试验结果表明:钙质砂颗粒破碎受围压影响显著,与粒径并没有明显相关性;级配越好的钙质砂破碎越小;密实度增大会导致颗粒破碎加剧;不同排水条件下钙质砂颗粒破碎受有效围压影响;颗粒破碎随含水率增加而变大。     

基于Furnas方程和分形理论的级配优化方法及试验验证

为获得土体的最优密实度,需进行颗粒级配设计方法的优化。在Fractal理论和Furnas方程相结合的基础上,推导适用于描述连续级配土体的级配控制方程(F-F方程),提出一种易于确定的颗粒级配优化方法。通过开展室内固结试验探究级配优化试样与9组级配良好砂土试样的变形特征,确定所提级配优化方法的优势。利用颗粒流软件PFC建立可反映土样变形特性的数值模型,通过对比模拟结果与室内试验结果,验证所建模型的有效性,并在此基础上开展6组级配碎石单轴压缩数值试验。研究结果表明：F-F级配优化方程对砂土、碎石等不同粒径土料均具有广泛的适用性;与不均匀系数C_u、曲率系数C_c及分形级配方法相比,所提出的级配优化方法不含经验参数,对高效控制土体密实度具有明显的优越性和更宽广的适用性。     

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。     

粒状岩土材料颗粒破碎演化规律的模型预测研究EI北大核心CSCD

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。     

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.