粒状材料颗粒破碎的力学特性描述

基于粒状材料的颗粒破碎对材料剪胀特性的影响以及描述特征状态应力比的幂函数表达式,提出相应的屈服面和屈服面的表达式,并对屈服面随参数的变化规律进行分析。分析结果表明:通过选取适当的参数,屈服面能够完全回归到修正剑桥模型屈服面的形式。最后,结合适当的等向压缩条件和统一硬化参数,将屈服面应用到砂土的本构模型,能够很好地预测试验结果,合理描述砂土颗粒破碎的力学特性。     

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...     

考虑颗粒破碎影响的粗粒土临界状态研究

粗粒土的临界状态是构建本构模型的重要工具,目前考虑颗粒破碎影响的粗粒土临界状态并不明确。通过大型三轴CD试验,研究了粗粒土在临界状态时的颗粒破碎规律和应力变形特性,探讨了颗粒破碎对粗粒土临界状态应力比和临界状态方程参数的影响。主要结论如下:①粗粒土的临界状态应力比M_c并不是定值,而是与围压之间呈现出非线性的关系;②初始孔隙比对于临界状态应力比M_c的影响则可以忽略;③初始级配相同,围压和初始孔隙比不同的粗粒土,其临界状态在e–(p/p_a)~ξ平面可以用同一条直线来描述,且直线的参数是与初始孔隙比和围压无关的常数。     

不同泥岩比例下粗粒土的颗粒破碎

通过对混合土料进行大型三轴不固结不排水(UU)压缩试验,研究了不同泥岩比例对试料颗粒破碎率的影响,结果表明随着泥岩比例的增加,土体的颗粒破碎率呈现降低的趋势。     

基于大型直剪试验的粗粒料颗粒破碎对比研究

采用大型直剪仪对钦寸水库洞渣料与盂溪水库卵砾石料这两种粗粒料进行颗粒破碎试验,将裂离参量引入直剪试验结果的处理分析中,从粒组与粗粒料整体2个层面对比研究了2种土料的颗粒破碎发展规律。结果表明:对于2种粗粒料,在所研究的法向应力变化范围内,不同粒组颗粒的裂离比随法向应力的变化均呈现出线性化的递变规律,且2种粗粒料颗粒破碎水平的差异主要体现于较大粒径的粒组颗粒中。随着粒组粒径的减小,2种粗粒料的颗粒破碎水平趋于接近。对于粗粒料整体,当法向应力为0~300 k Pa时,2种粗粒料的颗粒破碎水平较接近,当法向应力为300~1 200 k Pa时,钦寸水库洞渣料的颗粒破碎水平比盂溪水库卵砾石料显著,且2种粗粒料的颗粒破碎水平均有随法向应力增大而继续提高的明显趋势。     

粗粒土强度特性及颗粒破碎试验研究

利用大型多功能界面剪切仪对粗粒土进行大型直剪试验,并针对粒径范围在20～50 mm及10～20 mm的特殊试样进行两组对比试验,对粗粒土的力学特性及强度参数进行分析;试验结束后对所有试样进行颗粒筛分,总结颗粒破碎规律。结果表明:粗粒土属于剪切硬化型材料,不良级配材料强度非线性特性明显,呈现较大假黏聚力,摩擦强度变化较小;筛分分析表明,颗粒破碎率随法向应力增加明显增大,二者符合双曲线关系,其拟合参数与级配及颗粒尺寸等密切相关。     

考虑颗粒破碎影响的粗粒土的剪切强度理论

由于粗粒土的粒径相差很大,通过剪切试验测量粗粒土的剪切强度很麻烦,且剪切试验费时费力、试验数据离散性大;另外,已有剪切强度经验公式中的参数没有明确的物理含义,工程应用中难以确定。本文根据颗粒破碎的分形模型,揭示单颗粒破碎强度的尺寸效应,假设剪切强度是颗粒接触面上的摩擦力,导出用正应力幂函数表示的粗粒土剪切强度公式,幂函数的指数是颗粒破碎分维的函数,并采用垃圾炉渣的颗粒破碎分维和剪切强度试验结果进行验证。     

钙质土破碎原因的细观分析初探

通过扫描电镜试验和夺汞试验，揭示了颗粒形不规则以及内孔隙发育是钙质土容易产生破碎的重复的重要原因，它使得钙质土在低应力水平下产生剪缩，表现出与石英砂不同的力学特性。     

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。     

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。     

离散元中破碎自组织对颗粒破碎影响研究

从数学领域的阿波罗填充法入手,建立了4种破碎自组织,并借助线性膨胀法保证破碎前后质量守恒。在此基础上,开展了不同破碎自组织的数值试验,研究了破碎自组织对级配演化以及材料的宏细观力学特性等的影响。结果表明:颗粒级配曲线的分形维数和颗粒间的平均应力随破碎自组织中颗粒数目增多而下降,而相对破碎率B_r和材料的压缩性随自组织中颗粒数目增多而增大。加载过程中的法向接触和接触力玫瑰图表明,自组织中颗粒数目愈多,材料的各向异性程度愈低,颗粒法向接触数目愈多,而法向接触力愈小。另外,配位数及接触力的概率密度也与破碎自组织存在密切联系。     

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。     

基于颗粒物质热动力学理论的非饱和土热水力耦合模型研究

基于颗粒物质热动力学理论和混合物理论,结合改进的土水特征曲线(SWCC)模型,考虑温度和饱和度变化引发的颗粒层次能量耗散,提出了一个非饱和土的热水力耦合模型。该模型引入颗粒熵和颗粒温度的概念,通过构建热力学恒等式得出非饱和土非弹性变形的本构关系,并通过迁移系数和能量函数模型将非饱和土体的耗散机制与宏观的物理力学行为建立联系。基于该理论模型,研究了非饱和土的热水力耦合问题,通过模拟结果与试验数据的对比,证实了模型的有效性。模拟结果表明,模型具有描述非饱和土在不同温度和吸力下的固结和剪切特性以及非等温条件下的热体应变特性的能力。     

基于数字图像的粒状材料细观组构特征分析技术

针对由特殊截面形状的金属棒所组成的理想二维粒状材料,基于数字图像技术,提出了一种细观组构特征分析方法,并编制了程序IPFA,实现了颗粒识别、接触搜索与组构分析等功能。该方法首先对粒状材料试样的原始数字图像进行增强,以消除噪声干扰。在此基础上采用模板匹配技术进行颗粒识别,并将识别结果用于颗粒间的接触搜索,最后给出试样内颗粒长轴方向与接触法线方向等组构特征的统计分析结果。该方法特别适用于由规则颗粒组成的二维粒状材料,识别精度与效率均较高,可作为粒状材料的细观组构特征及其演化规律分析的有效工具。     

基于数字图像技术的砂土模型试验细观结构参数测量

基于数字图像处理与分析技术,在砂土模型试验中利用模型箱表面拍取的照片获取砂土细观结构参数。首先对试验操作提出了一系列要求,使得可以通过对图像灰度值设立一个适当的阀值来粗略区分砂颗粒与孔隙。然后利用形态学分水岭分割技术,结合图像平滑、区域标记、区域融合等图像预处理与后处理步骤,获取边缘图像,从中提取砂颗粒边缘坐标值及其它相关信息,进而提出一个求解砂土细观结构参数的基本框架,在这个框架下,砂颗粒大小形状的参数、孔隙大小形状的参数,以及砂粒间接触关系的参数都是可求解的。最后对试验条件的局限性进行了讨论,并利用自行开发的软件展示了一个简单的实例。     

珊瑚礁砂砾料力学行为与颗粒破碎的试验研究

珊瑚礁砂砾石是中国南海岛礁建设的主要填料,因为特殊的生物成因和多孔隙的颗粒结构,极易产生颗粒破碎。对取自南海某岛礁的珊瑚礁砂砾石填料开展了大型压缩试验、三轴排水剪切试验和三轴不排水剪切试验,研究了压缩指数、杨氏模量、剪胀和强度等基本工程力学指标与颗粒破碎的变化规律。在相同的压缩作用下,疏松试样比密实试样的颗粒破碎程度更大。颗粒破碎程度随着压力的增大而显著增大,导致珊瑚礁砂砾料的压缩模量和杨氏模量随压力的增大增幅不明显,峰值摩擦角和临界状态摩擦角随压力的增高而显著降低。颗粒破碎过程具有明显的应力路径和应力历史依赖性,有无预压作用的相同密度的试样表现出显著不同的压缩特性,相同密度和初始压力的试样在排水和不排水剪切下也表现出明显不同的剪胀和强度特性。峰值摩擦角依赖于应力路径和颗粒破碎的演化过程;临界状态摩擦角与最终的颗粒破碎指标值有较好的相关性,与颗粒破碎的产生过程无关。     

基于颗粒破碎耗能的粗粒料剪胀方程研究

粗粒料颗粒破碎和应力变形的内在联系可以用颗粒破碎耗能反映.研究了三轴试验过程中粗粒料的颗粒破碎变化规律,根据此规律对Ueng等提出的考虑颗粒破碎的能量平衡方程中的摩擦系数M进行了修正,以此解决依据该能量平衡方程计算出的颗粒破碎耗能违反热力学定律的问题.在此基础上,发展了一个形式简单且适用于粗粒料的剪胀方程.主要结论如下...