Generation of 3D random meso-structure of soil-rock mixture and its meso-structural mechanics based on numerical tests

The mesoscopic failure mechanism and the macro-mechanical characteristics of soil-rock mixture(S-RM) under external load are largely controlled by S-RM’s meso-structural features. The objective of this work is to improve the three-dimensional technology for the generation of the random meso-structural models of S-RM, for randomly generating irregular rock blocks in S-RM with different shapes, sizes, and distributions according to the characteristics of the rock blocks’ size distribution. Based on the new improved technology, a software system named as R-SRM3 D for generation and visualization of S-RM is developed. Using R-SRM3 D, a three-dimensional meso-structural model of S-RM is generated and used to study the meso-mechanical behavior through a series of true-triaxial numerical tests. From the numerical tests, the following conclusions are obtained. The meso-stress field of S-RM is influenced by the distribution of the internal rock blocks, and the macro-mechanical characteristics of S-RM are anisotropic in 3D; the intermediate principal stress and the soil-rock interface properties have significant influence on the macro strength of S-RM.     

再生混凝土配合比设计的试验研究

设计10个混凝土配合比试验,研究了再生骨料吸水率、水灰比、再生骨料取代率对再生混凝土工作性能及强度的影响。通过与普通混凝土试验对比分析认为:符合现行规范要求的再生粗骨料用于配制混凝土是可行的;再生骨料的吸水性能对再生混凝土拌和物的工作性能影响很大,因此,再生混凝土配合比设计时应考虑应用的实际情况等,选用合适的再生骨料掺量,以便获得相应的强度。     

基于傅里叶近似法的S-RM细观损伤过程研究

为了明确土石混合体（S-RM）的细观损伤演化过程,基于现场水平推剪试验,采用离散元数值模拟方法,开展S-RM水平推剪数值实验研究,分析S-RM的力学特性和细观损伤演化特征. 基于傅里叶近似法,提出微裂纹各向异性定量评价方法. 根据S-RM变形破坏过程中微裂纹各向异性演化特征,划分了S-RM水平推剪细观损伤阶段,通过分析各细观损伤阶段的裂纹扩展特征及发展规律,揭示了S-RM剪切滑动面形成机理. 试验结果表明,微裂纹各向异性程度随着剪切位移的增加而增强,当主裂纹形成后不再有明显变化,微裂纹主要分布在0°~45°与135°~180°;微裂纹的产生主要由于颗粒间的拉应力导致,拉裂纹的各向异性程度明显大于剪切裂纹;土体中微裂纹的贯通导致多条宏观裂纹的形成,由于块石的翻转宏观裂纹逐渐扩展形成一条绕石宏观主裂纹,S-RM沿着主裂纹滑移形成绕石剪切滑动面;滑动面的倾角为34°,与主裂纹倾角和微裂纹在0°~90°的平均角度一致.     

土石混合体边坡稳定性的三维颗粒离散元分析

为探究土石混合体边坡的稳定性和破坏机理,基于土工离心模型试验基本原理,结合已开发的不规则块石和土石混合体三维离散元建模方法建立土石混合体边坡细观结构的三维离散元模型.引入颗粒流强度折减法并提出基于能量演化的方法来判别边坡失稳破坏.利用提出的土石混合体边坡三维离散元建模方法和稳定性分析方法,分析不同块石含量、块石形状、空间结构、空间形态等因素对土石混合体边坡稳定性和破坏模式的影响,并揭示这些因素影响的细观机理.结果表明:随含石量增加,土石混合体边坡的安全系数逐渐增大;土石混合体边坡中呈现出多滑动面现象,且滑面较为曲折,具有明显的绕石特征,坡脚部位的部分大块石使得剪出口的位置发生明显的改变;随块石形状由球体、卵石到碎石,土石混合体边坡的安全系数逐渐增大;上覆堆积体相对较厚且坡度不是很大的二元结构边坡或一元结构边坡的破坏模式主要是堆积体内部发生的弧形滑动破坏,上覆堆积体厚度不大且基岩面相对平整的二元结构边坡的破坏模式主要是沿基-覆界面的整体平移滑动破坏;随土石混合体边坡空间形态由条带型、敞口型到锁口型,其安全系数逐渐提高,其中锁口型边坡具有显著的支撑拱效应,且含石量越大这种效应越明显.     

粗集料针片状含量对沥青混合料结构影响

为研究引起沥青混合料内部结构差异的因素,提出并测定了不同针片状颗粒含量的沥青混合料结构参数和体积指标.运用工业CT断层成像技术和图像处理技术,采用颜色标尺标注空隙结构,以及Image-Pro Plus 6.0图像处理软件提取计算沥青混合料的空隙率,并测量沥青混合料断面粗集料颗粒的形貌参数,采用面积、纵横比AR_1和AR_2、主轴偏角均值、颗粒趋向参数Δ和棱角性等参数评价沥青混合料的结构特征.结果表明:针片状颗粒的增加使得沥青混合料毛体积密度减小,空隙率增大,且通过工业CT计算得到的空隙率大于实测空隙率;大孔隙结构主要分布于试件的中下部位,试件顶端空隙较小;随着针片状颗粒的增加,颗粒纵横比期望AR_1和AR_2线性增加,横断面粗集料颗粒面积和减小,棱角性期望增大,但是对偏角均值和Δ影响不够明显.     

Numerical analysis of soil-rock mixture's meso-mechanics based on biaxial test

Soil-rock mixture(S-RM)is a widely distributed geotechnical medium composed of "soil" and "rock block" different both in size and strength. Internal rock blocks form special and variable meso-structural characteristics of S-RM. The objective of this work was to study the control mechanism of meso-structural characteristics on mechanical properties of S-RM. For S-RM containing randomly generated polygonal rock blocks, a series of biaxial tests based on DEM were conducted. On the basis of research on the effects of rock blocks' breakability and sample lateral boundary type(rigid, flexible) on macroscopic mechanical behavior of S-RM, an expanded Mohr-Coulomb criterion in power function form was proposed to represent the strength envelop. At the mesoscopic level, the variations of meso-structure such as rotation of rock block, and the formation mechanism and evolution process of the shear band during tests were investigated. The results show that for S-RM with a high content of rock block, translation, rotating and breakage of rock blocks have crucial effects on mechanical behavior of S-RM. The formation and location of the shear band inside S-RM sample are also controlled by breakability and arrangement of rock blocks.     

软岩土石混合体的击实特性与细观机理研究

以富宁换流站地基工程为背景,采用室内大型击实试验与数值模拟相结合的方法,探讨不同块石质量分数及不同块石形状的软岩土石混合体的击实特性及其细观机理.结果表明,软岩土石混合体的击实过程可以分为初始压密阶段、快速压密阶段和稳定阶段,且块石的破碎主要发生在初始压密阶段;随着块石质量分数的增加,软岩土石混合体的最大干密度先增大后减小,当块石质量分数为60%时达到最大值;击实后软岩土石混合体内部接触力分布服从接触力分布概率密度函数,且随着块石质量分数的增加,高于平均值的接触力的概率密度增大.块石的形状因子越大,块石的破碎率越高,击实后软岩土石混合体的最大干密度随块石的形状因子的增大先增大后减小.     

土石混合料的结构分类

采用与振动压路机具有相关性的上置式表面振动器的成型法,探讨了振动三参数：离心力、激振频率和名义振幅对土石混合料振动压料效果的影响,提出了两种对比工艺。并根据土石混合料在同一振动工艺下的压实特性,指出土石混合料具有三种结构类型,以最大干密度为判据,含石量为指标进行了结构分类,给出了分类区间,并用体积法和沃尔克－霍尔兹公式进行了验证。     

不同含石量下泥岩土石混合体剪切特性及细观破坏机制

为探究含石量对泥岩土石混合体剪切特性及细观破坏机制的影响,设计了含石量20%~80%共4组试样,分别在0.2、0.4、0.6、0.8 MPa这4种不同围压下进行室内大型三轴剪切试验,研究不同含石量试样的偏应力、体积应变及抗剪强度参数的变化规律;基于数字图像处理技术生成PFC^2D颗粒流数值模型进行一系列数值分析。结果表明：试样抗剪强度随含石量增大而不断增大。与其他类型的土石混合体不同的是,泥岩土石混合体在低围压下呈先剪缩后剪胀的变化规律,且含石量越高,最终剪胀效果越明显;在高围压下始终表现为剪缩,且含石量越低,剪缩效果越强。内摩擦角随含石量增大呈慢快慢的“S”型增长趋势,且在20%~80%含石量内增长较快;黏聚力随含石量增大不断降低,但下降速率逐渐减小。数值试验表明：土石混合体在剪切过程中存在拉剪混合破坏;随含石量增加,土石混合体骨架结构效应越来越显著,剪切带绕过块石,形成多个形状不规则的小剪切带。     

Degradation behavior of aggregate skeleton in stone matrix asphalt mixture

The degradation behavior of aggregate skeleton in stone matrix asphalt mixture was investigated based on theoretical analysis, laboratory test and field materials evaluation. A stress-transfer model was established to provide the fundamental understanding of the stress distribution and degradation mechanism of stone matrix asphalt (SMA) aggregate skeleton. Based on the theoretical analysis, crushing test and superpave gyratory compactor (SGC) test were used to evaluate the degradation behavior of aggregate skeleton of SMA. To verify the laboratory test results, gradation analysis was also conducted for the field materials extracted from SMA pavements after long-time service. The results indicate that the degradation of SMA aggregate skeleton is not random but has fixed internal trend and mechanism. Special rule is found for the graded fine aggregates generated from coarse aggregate breakdown and the variation of 4.75 mm aggregate is found to play a key role in the graded aggregates to form well-balanced skeleton to bear external loading. The variation of 4.75 mm aggregate together with the breakdown ratio of aggregate gradation can be used to characterize the degradation behavior of aggregate skeleton. The crushing test and SGC test are proved to be promising in estimating the degradation behavior of SMA skeleton.     

Fracture evolution analysis of soil-rock mixture in contrast with soil by CT scanning under uniaxial compressive conditions

Science China Technological Sciences - Soil-rock mixture (SRM), as a type of extremely heterogeneous geomaterial, is very common in nature and engineering. The fracture and damage of SRM often...     

全级配混凝土随机骨料二维模型生成的块体切割方法

混凝土细观力学数值模拟分析所得到的结果与混凝土实际力学性能之间的差异大小,在很大程度上取决于所采用的混凝土骨料模型是否合理.目前,混凝土随机骨料的二维模型生成算法以生长法为主,所生成的骨料几何形态具有较大的局限性,且不便于推广应用至三维问题.研究并提出了一种新的随机骨料二维模型生成方法——块体切割法.首先,引入一组随机平面,并假定其方向及位置符合某种概率分布;然后,基于瓦拉文公式推导出随机平面的相关参数的概率密度函数;最后,通过随机平面切割初始块体,得到不同料径和形状的随机骨料.算例分析结果表明,本方法能够生成符合级配要求的随机骨料,可进一步推广至三维问题.     

混合料配合比矿料组成设计的改进正规方程法

为解决正规方程法进行混合料配合比组成设计时出现负数解及混合料级配超出理论界限范围的问题，采用迭代算法.先按普通正规方程法计算矿料组成比例系数，将得到的混合料级配作为目标级配初始值，当矿料组成比例系数为负数时则取消对应的矿料，对超出理论级配范围上限或下限的目标级配值则强制调整为相应的界限值，根据修正后的目标级配再利用普通正规方程法计算新的矿料组成比例系数，将得到的新混合料级配作为新的目标级配，通过迭代计算最终得出完全满足理论设计级配范围要求的解，其结果与采用二次规划法的计算结果完全相同.改进后的正规方程法算法简单明了、应用方便；计算结果收敛、稳定，具有良好的工程实用性.     

粗集料级配对SMA混合料的影响

通过对沥青玛蹄脂碎石混合料SMA中的粗集料各粒径含量的调整,进行了一系列的室内试验。试验结果表明,粗集料中各粒径含量的变动对沥青混合料体积参数以及高温稳定性有重要影响,充分验证了粗集料含量对SMA骨架密实结构的显著作用,同时也验证了规范的合理性。     

多质点隔震结构数值分析和试验研究

论文首先通过试验研究,证明了隔震结构的基本工作原理,然后介绍隔震结构的精确解和近似解法,并运用数值分析的方法,对隔震和非隔震的周期、频率进行对比,指出近似解也有很高的精确度,不仅在数值上能够满足一定的精度范围,而且计算简单方便,可以用于对结构周期进行预估,从而对实际工程有很重要的指导意义。     

Fractal dimension analysis of the fine aggregate gradation of interlocking skeleton asphalt mixture

By analyzing the fine aggregate gradation scales from standards,fine aggregate in the asphalt mixture is regarded as a whole research object and fractal dimensions X of the samples were obtained by linear regression and(AC-13)is 2.43-2.56,Sup-13 is 2.28-2.54,SMA-13 is 2.66-2.88 and SAC-13 is 2.54-2.73.In the dense gradation mixture,there are little different between fractal dimensions of coarse and fine aggregates but it makes sense for skeleton asphalt mixture.For a given coarse aggregate gradation and the...     

钢管混凝土构件受力性能数值研究

分别以钢管混凝土三维有限元法和纤维单元法的应力-应变关系推导出了适于梁单元的应力-应变关系。以这两种方法得到钢管混凝土应力-应变关系,应用于梁单元法进行数值计算,分别对工程中最常出现的钢管混凝土轴压构件及偏压构件进行了计算,并将计算结果与已有的试验结果进行了比较。结果表明:以纤维单元法得到梁单元应力-应变关系在进行钢管混凝土构件数值分析时能取得理想的结果;以三维有限元法得到梁单元应力-应变关系,应用于方截面钢管混凝土构件时计算结果理想,而应用于圆截面钢管混凝土构件时与实验结果相比偏差较大。     

地下冷冻墙形成过程数值模拟

采用数值计算方法,模拟地下冷冻墙形成过程。以含水的油页岩为研究对象,建立热传导过程的能量守恒方程,该方程包含水结冰时的热量传递过程。设计了冷冻墙施工方案,计算了冷冻井周围的岩石和水的温度下降过程,得到冷冻井周围的温度分布,地下油页岩温度随制冷时间的变化。计算结果表明,制冷时间180d时,可形成最小厚度为1.0m的冷冻墙。     

随机群聚手征球归一化散射截面的推导

在建立随机群聚复合手征球平面电磁波散射型的基础上,利用边值技术给出了远区散射场同时边界条件解的矩阵表示,推导了归一化散射截面的计算公式,这对研究手征媒质与电磁波相互作用、各种参数对雷达散射截面的影响以及ＲＣＳ测量均提供了重要的理论依据。     

石粉含量对机制砂性能影响的试验研究

为了更好地研究机制砂对混凝土性能的影响,以福刚石灰岩机制砂和石粉为例,系统地研究了石粉含量对机制砂级配、细度模数、堆积密度(空隙率)的影响.试验结果表明,石粉含量对0.15 mm档的累计筛余和细度模数的影响呈线性关系;石粉含量对机制砂空隙率的影响则可用非均一球形颗粒的填充理论来解释.这不仅有助于更好地研究机制砂对混凝土性能的影响,而且还有助于指导机制砂的生产.