考虑粒间法向接触力作用的粗粒土颗粒破碎试验研究

利用岩石双轴流变试验机,采用砂岩、石灰岩和板岩3种材料模拟粗粒土进行了球-球法向接触的颗粒破碎力学试验,对粗粒土颗粒破碎的过程、破碎形态、弹性核和力-位移曲线进行了研究,分析了不同粗粒土材料和颗粒尺寸对法向接触力学特性及颗粒破碎规律的影响。通过试验研究,发现粗粒土颗粒在法向接触力作用下,先在颗粒接触点处开始产生局部破碎,形成弹性核,继而产生贯通裂缝,最后颗粒发生整体破碎。通过拟合,分别建立了球形颗粒破碎准则和弹性核尺寸的经验公式。本文从粗粒土颗粒接触角度研究颗粒破碎的力学机理,开辟了研究粗粒土颗粒破碎的新途径,也可为离散元数值模拟直接提供接触力学参数。     

考虑颗粒破碎的堆石体三维随机多面体细观数值模拟

 基于随机颗粒不连续变形模型,在颗粒的细观单元之间插入界面单元,采用黏聚力裂缝模型模拟界面单元的起裂、扩展和失效,研究颗粒破碎对堆石体强度和变形的影响。从宏观、细观2个层面分析细观数值模拟结果,结果表明：本文提出的方法能直接模拟三维颗粒破碎现象,颗粒破碎降低堆石体的强度,其机制在于颗粒破碎弱化堆石体的剪胀性能,使得由于剪胀引起的内摩擦角显著降低,颗粒破碎的影响随围压的增加而增大;颗粒破碎时伴随着声发射,高围压下声发射数多于低围压下,表明高围压下颗粒破碎更明显,与试验结果一致;在剪切过程中,颗粒间接触法向逐渐由水平方向向竖直方向倾斜,法向接触力的主方向与加载方向相同,颗粒间平均法向接触力逐渐增大。     

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。     

粒间摩擦对岩土颗粒材料三维力学行为的影响机制

颗粒间摩擦是影响岩土颗粒材料力学特性的重要因素之一,现有研究主要集中在粒间摩擦对颗粒集合体堆积、宏观剪切强度等的影响,而其在复杂应力路径下对岩土颗粒材料的影响机制尚不明确。采用离散单元法(DEM)进行了颗粒材料的真三轴加载路径数值试验,通过改变颗粒间摩擦系数μ来研究粒间摩擦对颗粒材料宏观力学特性的影响。对比了4种三维强度准则,发现当0.2μ≤0.5时,Lade-Duncan和Matsuoka-Nakai准则能较好地拟合不同加载路径下的数据点。采用平均接触力将颗粒体系的接触网络划分为强、弱两个子网络,分析了强、弱接触网络的配位数分布、接触力和组构各向异性等。结果表明在峰值剪应力状态,随着颗粒间滑动摩擦系数μ的增加,强接触网络中参与形成"力链"的颗粒数目基本不变,但强接触网络中颗粒间法向接触力明显增加以及法向接触力各向异性加强,这是导致宏观抗剪强度增大的主要原因。而弱接触网络的配位数分布随μ值明显变化,其对颗粒体系剪胀程度的增加贡献显著。     

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。     

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...     

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。     

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。     

基于离散元法的颗粒破碎模拟研究进展

颗粒破碎对颗粒集合体的力学响应有着显著的影响。由于试验手段的限制,基于物理试验的颗粒破碎细观尺度的研究受到很大制约。离散元法为从不同尺度上研究颗粒破碎对颗粒集合体力学特性的影响提供了一条有效的方法。通过回顾国内外现有研究成果,介绍了基于离散元模拟颗粒破碎的两种方法,即基于颗粒黏结模型和基于碎片替换法的颗粒破碎模拟方法,论述了这两类方法的特点。基于颗粒黏结模型的颗粒破碎模拟方法破碎程度有限而且难以开展较大规模模拟计算,基于碎片替换法的颗粒破碎模拟方法需要考虑碎片替换模式和颗粒破碎准则这两个关键问题。整理并讨论了现有破碎模式中碎片颗粒的数目、尺寸分布、满足质量守恒定律的策略以及破碎的应力判定准则和力判定准则。提出了基于离散元的颗粒破碎模拟方法可能的研究方向。     

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。     

基于大型直剪试验的土石混合体颗粒破碎特征研究

土石混合体剪切时存在细观上的颗粒破碎现象,并对其宏观力学性质产生影响。基于此,以4种含水率的土石混合体为研究对象,通过室内大型直剪试验和筛分试验,分析土石混合体剪切后的颗粒破碎特征,并建立细观颗粒破碎与宏观力学性质的联系,从而加深对宏观力学性质的认识。研究结果表明:土石混合体剪切后的颗粒破碎较明显,可分为完全剪断型、表面破裂型和表面研磨型3类;颗粒破碎细观上表现为粗粒组含量降低、细粒组含量增加、中等粒组含量波动变化,统计上表现为级配曲线上移,宏观上表现为低含水率出现应变软化破坏、高含水率出现应变硬化破坏、中等含水率出现塑性应变破坏、剪应力–剪切位移曲线"跳跃"和强度非线性特征,本质上是颗粒间接触力作用产生应力集中的结果;颗粒相对破碎率随着含水率的降低或法向压力的增大而增大;黏聚力和内摩擦角均随着含水率的增大而呈幂函数规律降低。     

基于破碎能耗的粗颗粒料本构模型

现有的考虑颗粒破碎的本构模型主要是通过引入颗粒破碎率来反映颗粒破碎对材料力学性质的影响,由于颗粒破碎率只是粗颗粒料在受外荷作用下的一种外部表现,在测定的其它参数中实际上已经包含了颗粒破碎的影响,因此为反映颗粒破碎而引入颗粒破碎率的方法是不合适的。基于Ueng和Chen剪胀方程,通过分析三轴剪切试验过程中的能量平衡,提出了考虑颗粒破碎的剪胀方程及其参数确定方法。将Rowe剪胀方程和考虑颗粒破碎的剪胀方程分别引入Duncan E-非线性模型和沈珠江“南水”双曲服面模型,通过与三轴CD剪切试验成果的对比分析和工程实例的有限元数值分析,表明所提模型可较好地反映材料的剪胀特性。如采用弹塑性模型尚能反映颗粒破碎在增加变形的同时降低了材料的强度等特性,验证了所提模型的合理性和可靠性。与现有的考虑颗粒破碎的本构模型相比,所提模型具有试验工作量小、参数少和参数物理意义明确等优点,便于在工程中推广使用。     

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。     

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。