多次加-卸载条件下考虑颗粒破碎的钙质砂一维压缩特性研究

南沙群岛附近海域钙质砂多为珊瑚礁碎屑,是一种未胶结的疏松松散颗粒聚集体,颗粒极易产生破碎。为研究钙质砂颗粒破碎特性对其压缩特性的影响,对钙质砂开展多次加-卸载条件下的一维压缩试验,采用相对破碎率为度量指标,评价钙质砂在多次加-卸载过程中颗粒破碎情况;根据试验数据得到反复加-卸载过程中砂样的塑性功,通过建立塑性功与相对破碎率的关系,探讨颗粒破碎对钙质砂一维压缩特性的影响。研究表明:颗粒破碎率随压力的增大而显著增大,颗粒破碎过程具有明显的应力历史依赖性,随着反复的加-卸载,颗粒破碎率的增幅越来越小;同时钙质砂的颗粒破碎率与塑性功呈幂函数关系,且随着塑性功的增加,颗粒破碎率的变化率逐渐减小。     

不同正压力下钙质砂颗粒剪切破碎特性分析

钙质砂受力后易产生颗粒破碎,从而使其力学性质发生变化。对取自我国南沙某岛礁的钙质砂样进行了不同正压力下的直剪试验。分析了钙质砂颗粒剪切破碎特性,并就不同试验压力下剪切后钙质砂样的颗粒破碎程度通过筛分试验进行了粒径级配分析。结果表明,在不同正压力下进行直剪试验,钙质砂存在一定的颗粒破碎现象,随着正压力增大,颗粒破碎越来越严重;由于钙质砂颗粒破碎的影响,剪切后钙质砂的颗粒级配性质发生改变,随正压力增大钙质砂由级配良好逐渐变得级配不良。钙质砂直剪试验强度包络线为峰值强度包络线,而非残余强度包络线。钙质砂残余强度的摩擦角数值等于或接近砂的天然休止角。从工程安全角度考虑,选用钙质砂的内摩擦角应等于或接近天然休止角。     

密度与应力水平对珊瑚砂颗粒破碎影响试验研究

珊瑚砂在剪切过程中容易发生颗粒破碎,而颗粒破碎与应力水平、初始密度以及应力路径等因素有关。为了研究密度和应力水平对珊瑚砂颗粒破碎的影响,对珊瑚砂进行了三轴压缩试验和侧限压缩试验。文中建立了三轴压缩条件下颗粒相对破碎与围压和试样初始孔隙比之间的定量关系表达式,以及相对破碎与试样平均粒径之间的关系表达式。研究表明,在三轴压缩和侧限压缩条件下,试样的相对破碎均随着应力水平(围压或竖向应力)和试样密度的增大而增大,但两种应力路径下的颗粒破碎程度有显著的不同。     

考虑缩尺效应粗粒料单向压缩湿化变形试验研究

以双江口堆石坝主堆石料设计级配为原型,利用单向压缩仪,考虑不同缩尺方法和颗粒最大粒径,对某不同级配粗粒料进行了固定竖向荷载下的湿化变形试验研究。分析试验结果,讨论了不同缩尺方法对粗粒料试验结果的影响,探讨了在单向压缩试验条件下粗粒料的湿化变形规律。发现湿化后试样变形随压力增加呈线性增长,其弹性模量Et较干态粗粒料小。同时还讨论了颗粒破碎的影响因素,粒径越大越易发生破碎,破碎率和粗粒料的级配有关。     

冻融循环作用下粉质砂土的压缩变形特性研究

以季节冻土区粉质砂土为研究对象,以含水率、压实度与冻融循环次数为控制变量进行了冻融循环试验以及固结压缩试验,并对试验结果与规律进行可行性分析和总结。压缩模量是判断土体压缩性的重要指标,通过室内试验测得粉质砂土的压缩模量,并得出重塑试样的含水率、压实度以及冻融循环次数的相关规律。结果表明:冻融循环3次时压实度为0.85、含水率为16%的试样压缩变形量最大,可达1.118 mm。经过反复冻融10次后试样的压缩变形量趋于稳定。冻融循环15次时,压缩变形率随固结压力的增加而增长。在同一含水率下,压缩变形率随压实度的增加而减小,在同一压实度下,压缩变形率随含水率增加而增大。压缩模量随着含水率的增加而减小,随压实度的增加而增大,随着冻融循环次数的增加而增加。对于粉质砂土,提高压实度、降低含水率是减小路基沉降的有效措施。     

基于单粒压缩试验的堆石料破碎特性研究

堆石料的颗粒破碎是影响其强度及变形的主要因素,但堆石料在受力过程中的颗粒破碎规律仍不明确,缺乏准确判断堆石料颗粒破碎的标准。单粒压缩试验是研究堆石料破碎特性的重要手段,通过可视化单粒压缩试验对920组不同粒径玄武岩堆石料颗粒的破碎过程进行了研究。试验结果表明：玄武岩堆石料单粒压缩破碎的过程大致可分为4个阶段,破碎模式可分为3种类型,破碎程度随粒径的减小而增大;同一粒组的堆石料单粒强度较好地服从 Weibull模型,随着试验样本量的增加,峰值应力分布逐步趋向正态分布;破碎颗粒的级配分布与破碎模式相关,多应力峰值破碎颗粒的碎后粒径级配曲线服从分形分布。     

含水率和温度影响下的高原土体力学特性试验研究

利用自主研制的土体冻融循环剪切试验仪,开展了温度和含水率影响下的青藏高原土体力学特性正交试验,从压缩特性、冻结和冻胀、剪切特性3个方面对土体进行分析。结果表明:土样压缩过程的法向位移随含水率的增大而增加,压缩量与法向应力关系可用双曲线模型进行描述。不同含水率的土体从0 ℃降至?12 ℃过程中均产生了土体冻结现象,含水率12%的土体发生冻胀时的温度集中在?3~?2 ℃范围内。温度越低,土体的应力软化特性越明显,且峰值剪切应力和残余剪切应力越大,土体在最佳含水率附近时峰值剪切应力最大。?12 ℃土体的法向位移变化规律在不同试验条件下均表现出剪胀特性,而12 ℃和0 ℃土体随着含水率的增加由胀缩特性并逐渐变化至完全以剪缩特性为主。内摩擦角随含水率和温度的增大而减小,黏聚力随温度的升高而减小,在最佳含水率附近最大。     

大理岩球砾循环加卸载接触力学特性试验研究

为研究岩石颗粒在循环加卸载条件下的接触力学性质,采用直径60 mm的大理岩球砾开展系列压缩破碎试验、准静态循环加卸载试验和动态循环加卸载试验。试验结果表明:在压缩荷载作用下大理岩球砾的弹性变形阶段较短,弹塑性变形阶段处于主导地位;随准静态循环加卸载次数增加,大理岩球砾的累计塑性变形、接触刚度-位移曲线斜率以及等效恢复系数都逐步增大,但增幅逐渐减小,最后趋近于稳定值;动态循环加卸载试验中球砾的累积塑性变形随循环次数演化曲线可以划分成初始阶段、等速阶段和加速(破坏)阶段,上限荷载越大、荷载幅值越大,大理岩球砾在初始阶段产生的塑性变形越大,累计塑性变形曲线进入等速阶段所需循环次数也越多;动荷载作用下的阻尼比随循环次数增加而逐渐减小,最后渐趋于稳定,上限荷载越大、荷载幅值越大,大理岩球砾循环加卸载初期的阻尼比越大,随循环加卸载次数增加,上限荷载和荷载幅值对阻尼比的影响逐渐减弱。研究成果可为分析堆石料、铁路道砟等岩石颗粒材料受力变形特征提供理论依据。     

钙质砂不排水性状的损伤-滑移耦合作用分析

针对钙质砂在低应力水平下的颗粒破碎现象，指出其变形在微观上存在颗粒破碎与滑移两种机制的耦合作用，并分别采用弹性损伤模型和边界面塑性模型予以描述。本文提出的损伤-滑移耦合作用力学模型对建立钙质砂可靠的本构关系作了新的尝试。理论模型预测与固结不排水压缩试验结果基本吻合。     

黏质土-砂混合物剪切特性试验研究

粗颗粒含量对黏性-砂类混合土的强度特性有显著影响。通过抗剪强度试验研究了含砂量和含水率对混合土强度指标的影响及规律。试验结果表明:相同含水率条件下,随含砂量增加,凝聚力减小而内摩擦角增大,相同含砂量条件下,随含水率增加,凝聚力逐渐减小而内摩擦角则呈现峰值变化规律。基于试验结果,结合混合土孔隙结构理论,分析了含砂量和含水率对混合土剪切强度的影响机制,拟合出回归方程,提出了混合土剪切强度的界限含砂量。     

黏-砂混合土压缩特性与微观结构特征关系研究

黏-砂混合土在吹填土地基中广泛应用,混合土地基变形与微观结构息息相关。为探讨黏-砂混合土压缩变形的微观机制,以黏土与砂不同配比的混合土为研究对象,利用压缩、扫描电镜(SEM)试验和图像处理技术(IPP)对固结前后试样的颗粒排列、孔隙分布进行定性和定量分析,从微观层面探讨了混合土微观结构随固结压力变化的演变机制。结果表明:随着含砂量的增大,混合土孔隙比呈先减小后增大的趋势,压缩系数不断减小;大、中孔隙随着含砂量增大明显增多,颗粒间接触方式从以边-面、面-面接触为主向点-点、点-面接触过渡;固结作用提高了颗粒排列的密实性和有序性,孔径分布向小孔径范围移动,大孔隙面积占比最大降幅达31.39%,中孔隙面积显著增加,对微、小孔隙影响不明显;土体颗粒的定向概率熵与和含砂量呈正线性相关,与压缩系数a_1-2呈负线性相关,含砂量越大,混合土颗粒排列越混乱,定向概率熵越大,其压缩性越低。由此可见,固结压力和配比不同引起的颗粒、孔隙微观结构参数变化是导致混合土压缩特性差异的内在原因。     

压缩变形影响下的土-水特征曲线及其简化表征方法

非饱和土的本构关系研究需获得任意压缩变形条件下的土-水特征曲线,但试验测量往往只能给出特定状态下的土-水特征曲线。压缩变形改变土体孔隙分布特性,从而影响其土-水特征曲线。采用压汞技术、核磁共振技术、扫描电镜研究压缩变形条件下土体孔隙孔径分布的变化规律,基于实测及已有试验数据研究土-水特征曲线变化规律,通过孔径分布变化规律阐释压缩变形影响土-水特征曲线的机制。研究结果表明：在不同的压缩变形条件下,土体（单位颗粒质量）的累计孔隙体积分布整体上呈现“扫帚型”分布,质量含水量表示的土-水特征曲线也呈现相似的分布,二者变化规律较为一致,从而揭示了土-水特征曲线随压缩变形变化的内在机理。在此基础上,建议了一种压缩变形影响下的土-水特征曲线简化表征方法,其描述的土-水特征曲线与试验结果吻合较好。     

膨胀土的浸水变形特性

使用压缩仪,对不同起始密度及不同起始含水率的膨胀土进行了分级浸水和一次性浸水膨胀变形试验,同时测试了试样在浸水前后不同压力下膨胀变形量的变化过程.试验结果表明,不同浸水路径在浸水的初期阶段对膨胀土的膨胀变形速率有一定的影响,但膨胀率最终值基本一致;浸水膨胀再压缩试验中压缩稳定后的膨胀率比先压缩再浸水膨胀试验膨胀稳定后的膨胀率要小,但变化较快,并随着压力的增大,加压后膨胀率逐渐减小,最终两种试验的膨胀率趋于一致;压力对不同初始含水率试样膨胀率的影响较小,对不同初始干密度试样的影响较大;在浸水单向膨胀试验过程中试样的干密度与膨胀率呈双曲线变化规律.     

可破碎颗粒材料中螺旋桩贯入特性的离散元模拟

作为一种新型完全挤土桩,螺旋桩在各类工程建设中已得到广泛应用。基于离散单元法,以钙质砂为模拟对象,对螺旋桩在沉桩过程中土体颗粒破碎情况进行数值模拟。颗粒破碎采用碎片替换法,破碎应力判定选取八面体剪应力准则。分析了螺旋桩在不同初始应力、不同贯入转速比条件下桩周土体位移场、速度场、应力场分布及土体颗粒破碎演化规律。数值模拟结果表明:在螺旋桩贯入地基土过程中,土颗粒在高应力诱发下发生破碎,桩端土体破碎严重,桩侧颗粒破碎稍弱;随着贯入深度增加,破碎颗粒数量增加,桩侧土体级配发生演化,发生破碎的地基土中桩尖应力略低于不破碎地基土体;提高初始应力,会导致更剧烈的颗粒破碎,破碎颗粒的散布范围更广,桩尖应力明显减小;提高贯入转速比会增加颗粒破碎的程度,在高转速比条件下,破碎颗粒均匀散布在桩侧,螺纹附近的颗粒速度、位移较大;而低转速比工况下,土颗粒的速度、位移峰值主要集中在桩尖下部。开展可破碎颗粒材料中螺旋桩贯入特性的研究,对分析较脆弱砂土场地上的桩基稳定、保障工程建设的安全具有指导意义。     

不同粒径砂岩力学特性试验研究

为探究不同粒径砂岩长短期力学行为的差异,对取自某水电建设工程现场的粗、中、细三种粒径大小的砂岩进行了短期三轴压缩、三轴渗透以及蠕变力学试验。研究表明：相同围压下,粒径越大的砂岩,其强度、粘聚力及变形量越小;同等粒径下,长短期强度值及变形量随着围压升高呈线性增加;砂岩的渗透率在屈服阶段快速增加并在破坏前后达到最大值,粒径越大的砂岩,其渗透性越强;相同偏应力和围压下,砂岩的稳态蠕变速率随着粒径增大而减小;同等粒径和围压下,稳态蠕变速率随着偏应力增加而呈指数型函数增长;同等粒径和偏应力下,围压越大,其稳态蠕变速率越低;三种粒径砂岩在长期荷载作用下对应的强度较短期值下降了40豫耀60豫,内摩擦角和内聚力则分别较短期值降低了40豫和40豫耀50豫,其中,中砂岩下降幅度最大。     

含石量对砂卵石土的颗粒破碎及强度与变形的影响研究

为探究含石量对不同围压下砂卵石土的颗粒破碎及抗剪强度与变形特性的影响,利用室内大型三轴试验仪开展了固结排水剪切试验。试验设计了0~100%之间5级含石量,在0.5 MPa、1.5 MPa、2.5 MPa三种不同围压条件下进行固结排水三轴剪切试验。基于试验结果,分析了含石量及围压对砂卵石土抗剪强度和剪胀、剪缩特性的影响,并分析了相应的颗粒破碎情况。试验结果表明,在相同含石量下,砂卵石土抗剪强度随着围压的升高不断增加,体变初期表现为明显剪缩,之后剪胀性随围压升高而降低,颗粒破碎率随围压升高而增加;在相同围压下,含石量在50%~75%时,颗粒破碎率最大,并出现最大抗剪强度,而围压越高,试样剪胀越不明显。