考虑颗粒破碎的粗粒料力学特性研究综述

粗粒料在荷载及自身重力作用下易发生颗粒破碎,且颗粒破碎具有随机性和不确定性,严重影响了粗粒料的力学特性。基于此,从考虑颗粒破碎的物理试验出发,介绍了粗粒料的本构模型、影响颗粒破碎的因素、颗粒破碎对粗粒料力学特性的影响,以及颗粒破碎物理模型研究的局限性;系统总结了考虑颗粒破碎的粗粒料力学特性的数值模拟研究方法(如DEM,PFC,DDA等)及其存在的缺陷,并为突破数值模拟方法不能考虑颗粒破碎的限制提出了2种解决方法。最后,对今后的研究方向提出了展望——需从细观机理方面建立粗粒料各组构要素的关系。     

不同应力路径下粗粒料的颗粒破碎试验研究

采用大型三轴试验机,对粗粒料进行了常规三轴、等p和等应力比等不同应力路径的试验,研究了粗粒料在不同应力路径下的颗粒破碎情况,分析了应力路径对颗粒破碎和强度特性的影响,并对颗粒破碎与塑性功之间的关系进行了探讨。试验结果表明,应力路径对粗粒料的强度特性影响并不显著;颗粒破碎主要与加载过程中输入的塑性功有关,颗粒相对破碎率随着输入塑性功的增大而增大,与塑性功呈较好的双曲线关系;颗粒破碎的增加将导致峰值内摩擦角的减小,峰值内摩擦角与颗粒相对破碎率之间呈线性关系。     

不同应力路径下粗粒料的颗粒破碎试验研究

采用大型三轴试验机,对粗粒料进行了常规三轴、等p和等应力比等不同应力路径的试验,研究了粗粒料在不同应力路径下的颗粒破碎情况,分析了应力路径对颗粒破碎和强度特性的影响,并对颗粒破碎与塑性功之间的关系进行了探讨。试验结果表明,应力路径对粗粒料的强度特性影响并不显著;颗粒破碎主要与加载过程中输入的塑性功有关,颗粒相对破碎率随着输入塑性功的增大而增大,与塑性功呈较好的双曲线关系;颗粒破碎的增加将导致峰值内摩擦角的减小,峰值内摩擦角与颗粒相对破碎率之间呈线性关系。     

粗粒土颗粒破碎多重分形特性研究

粗粒土的颗粒破碎影响其强度、刚度和变形,故引入分形理论量化破碎程度。依据粒度分形曲线存在折线性,阐释界限粒组含义,提出以界限粒径为限,分段概化土体多重分形特征,计算其多重分形维数D(r),总结D(r)增量变化规律,建立增量计算模型,量化颗粒破碎程度。理论及试验分析表明:等效替代缩尺方法减小D(r),对界限粒径影响不显著,缩尺前后颗粒分形特性保持一致;不同尺寸颗粒破碎概率不同,粗粒段破碎概率高于细粒段破碎概率。细粒段D(r)增量随干密度的增加先缓慢增大后急剧增大,随围压增大而减小,其增量与干密度及围压为指数函数关系;粗粒段D(r)增量随干密度增加先增大后减小,其增量与干密度及围压呈高次非线性规律。据此建立考虑干密度及围压影响的D(r)增量模型,用MatLab作多元非线性回归分析求解系数,对比模型值与试验值分布规律,分析其残差置信度。研究结果表明模型结构合理,可为评价粗粒土多重分形特性及量化颗粒破碎效应提供一种简便有效的方法,可提高粗粒土工程应用科学性及可靠程度。     

粗粒土三轴制样过程中的颗粒破碎特性

粗粒土在制样和加载的过程中常常会发生破碎,目前大多数室内试验研究均集中在对粗粒土加载过程中破碎特性的描述,而忽视了其制样过程中颗粒破碎的影响。为此,采用2种不同级配的粗粒土分层击实制样,分析其在不同相对密度条件下的制样破碎特性。研究发现:粗粒土在制样过程中存在一定程度的颗粒破碎现象,较大颗粒破碎较为显著;但无论初始级配如何,粗粒土制样过程中的颗粒破碎率都随着制样相对密度的增大而增大。     

风化模型在粗粒土颗粒破碎研究中的应用

对古水面板堆石坝玄武岩筑坝粗粒土堆石料进行了颗粒破碎试验。依据试验前后试样的颗粒级配曲线,研究了风化模型参数与颗粒破碎之间的关系。研究结果表明,风化模型能够很好地拟合试验前后土体的颗粒级配曲线,对于大粒径颗粒（大于5 mm）的级配拟合效果远优于分形几何模型;风化模型参数本质上反映了土体颗粒级配曲线与土体最大颗粒粒径线围成面积的大小及其分布状态;相对破碎参量Br是风化模型参数的函数,可以直接通过试验前后土体颗粒级配曲线的风化模型参数求出。     

粗粒土颗粒破碎大型直剪试验研究

颗粒破碎是粗粒土的基本属性。随着高土石坝的陆续兴建,高应力下粗粒土的颗粒破碎特征成为人们研究的一个重要方面。通过对不同粒径粗粒土试样的大型直剪试验,研究了高法向应力下粗粒土的颗粒破碎规律,并对接触面剪应力-剪位移关系进行了分析。结果表明:随着法向应力增加,颗粒破碎率增加;相同法向应力下,粒径越大,破碎率越大;级配越良好,破碎率越小;颗粒破碎主要形成次一级粒径。     

高应力下粗粒土颗粒破碎单向压缩试验研究

为探究高应力下粗粒土颗粒的破碎规律,采用改进的单向压缩仪对不同粒组粗粒土试样进行高应力水平下的颗粒破碎试验,定量分析了粗粒土颗粒破碎规律及试样孔隙比变化规律,并对粗粒土破碎机理进行了初步分析。结果表明:粗粒料颗粒破碎率与颗粒大小、轴向应力及粒径级配有关;粗粒土颗粒破碎存在临界应力,应力超过临界应力后才发生显著的颗粒破碎;粗粒土颗粒破碎实质上是土体中裂隙发展,土体强度低于临界应力,裂隙贯穿土颗粒形成的。     

粗粒料力学特性的DDA数值模

采用非连续变形分析方法（DDA）研究粗粒料的力学特性。研究了二维粗粒料颗粒的随机生成方法,按照粗粒料级配曲线随机生成松散分布的颗粒,应用DDA模拟重力作用下颗粒在承模筒内的下落过程并形成相互接触的堆积体,以此建立粗粒料数值模拟试验模型。参照粗粒料室内三轴试验的加载过程,应用DDA进行粗粒料力学特性的数值模拟试验,所得应力应变曲线与三轴试验曲线基本吻合,说明DDA数值模拟应用于粗粒料力学特性的研究是可行的。文中还给出了反映颗粒相互作用的若干组构要素的分布情况。     

围压和密度对粗粒料临界状态力学特性的影响

粗粒料的力学特性不仅取决于有效围压,还与密实程度密切相关.通过4组不同初始干密度粗粒料的大型三轴固结排水剪切试验,研究了围压和密度对粗粒料临界状态力学特性的影响.试验结果表明:软化型应力应变曲线破坏状态偏应力大于相变状态偏应力,而相变状态偏应力与临界状态偏应力较为接近;不同围压、不同密度的试验,随着剪切的进行,偏应力与...     

堆石料流变试验的颗粒破碎研究

已有的研究成果表明堆石流变与颗粒破碎有关,但流变引起的净破碎率和流变之间的关系尚不明确。通过室内大型流变试验,分析了流变引起的颗粒破碎,发现破碎率与最终流变量之间存在线性函数关系,破碎率与轴压之间存在幂函数关系;轴向流变变形与时间之间的关系可以用对数函数表示,相应的流变参数与轴压之间呈良好的线性关系。     

颗粒破碎对堆石料静动力特性影响的试验研究

开展了堆石料的大型静力三轴试验和动力三轴试验,研究了级配与颗粒破碎对静力力学特性的影响,讨论了动静力力学特性的相似性。研究表明当细颗粒含量在30%以内时,堆石料的强度指标和弹性模量随细颗粒含量的明显增加而提高;颗粒破碎对堆石料的力学特性影响较大,堆石料的颗粒破碎程度随细颗粒含量的增加而减少,随应力的增大而增大。研究还表明,堆石料的动力力学特性与静力力学特性具有相似性,当细颗粒含量增加后,级配趋向优良,堆石料的最大动模量和抵御地震残余变形的能力得到了提高。     

堆石料在不同应力路径下的颗粒破碎特性

采用大三轴试验设备,对直径为300 mm、高为600 mm的圆柱体堆石料试样进行了三种不同应力路径的固结排水试验,包括常规三轴压缩试验、等平均应力试验及等向压缩试验,探讨不同应力路径下堆石料的颗粒破碎特性,常规三轴压缩试验围压为200、400、800、1 200 k Pa,等平均应力试验平均应力为200、400、600、800 k Pa。试验结果表明,应力路径对堆石料的颗粒破碎特性有很大的影响。常规三轴压缩试验的应力—应变关系近于双曲线,低围压时试样先剪缩后剪胀、高围压时剪缩;等平均应力试验的应力—应变曲线呈应变软化型,体变表现为先体缩后剪胀。计算得到的颗粒破碎指数表明,等平均应力试验的颗粒破碎最为严重,等向压缩试验的颗粒破碎轻微。     

粗粒料工程力学性质的细观模拟

以三维离散元颗粒流理论为基础,PFC3D_EV为工具,改进内置程序代码,对比粗粒料室内三轴固结排水试验结果,生成颗粒接触点数均匀、各向同性应力相同的三轴试验数值模型。引入clump颗粒提高了数值试样内部颗粒形状的复杂度,对比了不同围压下数值试验应力-应变曲线、变形曲线与室内试验的差异,并探讨了剪切带发展规律及颗粒形状对粗粒料强度、变形特性的影响。结果表明:颗粒形状是影响粗粒料工程力学特性的主要因素,提高试样内部颗粒形状的复杂性可获得与物理试验拟合较好的应力-应变曲线;数值模型暂无法实现颗粒破碎状态,造成大应变时剪胀偏大;位移场发展变化过程显示应变软化加速了剪切带的形成;高围压下剪切带明显,且围压越高厚度越薄。     

粗粒料三维应力状态强度准则研究

中主应力对粗粒料强度有重要影响,而强度研究中常用的大型三轴试验不能考虑中主应力对粗粒料强度的影响。通过大型真三轴各向等压固结等比例加载试验,研究了三维应力状态下粗粒料的强度特性。试验结果表明:随着中主应力系数b的增大,粗粒料大小主应力之差的峰值也逐渐增大,特别是中主应力系数从0增大到0.25时,大小主应力之差的峰值的增大幅度较大,增加了近50%。Lade-Duncan准则较好地描述了粗粒料内摩擦角的变化趋势,不过高估了内摩擦角;SMP准则较好地反映了中主应力系数从0增大到0.25时的内摩擦角的数值大小,但中主应力系数>0.25之后,SMP准则计算的内摩擦角基本随着b的增大而减小,低估了粗粒料的内摩擦角。提出采用的Lade-Duncan准则与SMP准则相结合的单参数复合强度准则,较好地反映了粗粒料强度的数值大小和变化趋势。提出的强度准则在三维主应力空间呈三角锥曲面族形状,轴对称应力状态下的内摩擦角越小,强度越小,三角锥曲面越小,锥角越浑圆,越接近于圆形,而内摩擦角越大,强度越大,三角锥曲面越大,锥角越尖锐,越接近于正三角形。     

三维应力下密度对粗粒料力学特性的影响

通过4种不同初始干密度的粗粒料大型真三轴等小主应力、等比例加载固结排水剪切试验,研究了密度对三维应力状态下粗粒料力学特性的影响.试验结果表明:小主应力一定时,随着初始干密度的增大,应力曲线逐渐升高变陡,软化性增强,体缩变形减小,剪胀性增强.体变增量与大主应力方向应变增量之比即体变增量比随初始干密度的增大而减小,体变增量...