粗粒料颗粒破碎模型研究

结合三轴试验资料,对粗粒料在不同围压和应力水平下颗粒破碎进行了研究,结果表明,相对颗粒破碎率与围压的关系可以用反双曲函数拟合;一定围压下,相对颗粒破碎率随应力水平的增长呈非线性的指数关系.在试验分析基础上,借鉴湿化变形理论,认为处于某一应力状态下的粗粒料的破碎分别由球应力和偏应力两部分引起,偏应力部分从应力水平的角度加以研究,建立了适合于粗粒料颗粒破碎率的计算模型.探讨了粗粒料颗粒破碎模型参数与围压以及应力水平的关系,建议了相对破碎率计算经验公式,并结合有关试验结果拟合出了粗粒料的颗粒破碎模型参数.对比分析表明,拟合结果与试验成果吻合较好,说明了该模型的合理性.     

基于离散元法的真三轴应力状态下砂土破碎行为研究

基于可破碎三维离散颗粒模型模拟了一系列常规三轴试验与真三轴试验,研究了砂土在真三轴应力状态下的破碎行为。数值调查主要关注试样的应力应变特性、级配及相对破碎率的演化。随着围压增大,颗粒破碎率增大,试样应变软化特性和剪胀性逐渐减弱,而超过临界高围压后,由于固结中颗粒大量破碎,试样剪胀性反而增强。真三轴试验中,试样偏应力比峰值均随中主应力参数b值增大而减小。由于破碎随b值增加而明显增大,试样剪胀性随b值增大而逐渐减弱。试样内摩擦角φ随围压增大而减小,其演化关系基本满足对数关系;内摩擦角随b值增大先增大后减小,Lade-Duncan准则较为适合描述其变化规律。此外,试样相对破碎率增大的速率随围压和轴向应变增大而逐渐降低,暗示试样最优终极级配的存在,且相对破碎率与试验输入能量之间存在唯一的双曲线关系。     

粗粒料三轴湿化颗粒破碎试验研究

颗粒破碎是引起粗粒料湿化变形的重要因素，有必要对其进行深入研究。利用改进的应力控制三轴仪，对坝的粗粒料进行不同围压和湿化应力水平下保持应力水平不变的三轴湿化变形试验，同时对湿化前后的试样进行颗粒分析试验。依据试验结果，分析湿化颗粒破碎的原因，得到湿化变形最及Hardin的颗粒破碎指标表示的颗粒破碎量。对粗粒料湿化变形和湿化颗粒破碎试验结果的分析表明：湿化变形与围压及湿化应力水平有关；湿化引起颗粒破碎，对颗粒级配曲线有较大的影响，湿化前后级配曲线的颗粒累积百分比的差值随粒径呈驼峰状分布，驼峰位于25％含量粒径左右；湿化引起的颗粒破碎使得级配曲线的曲率系数、不均匀系数和60％含量粒径减小；湿化颗粒破碎随着围压和湿化应力水平的增加而增加；湿化变形与湿化颗粒破碎之间有很好的相关性，湿化轴变与湿化颗粒破碎近似成线性关系；湿化变形的基本规律可以根据湿化颗粒破碎规律加以解释。     

海砂力学特性的黏粒效应和围压效应试验分析

利用GDS标准应力路径三轴试验系统,对钦州港海砂开展不同有效围压、黏粒含量下固结排水三轴剪切试验,分析有效围压、黏粒含量对钦州港海砂强度、变形特性的影响。结果表明：同一有效围压下,随着黏粒含量的增加,含黏粒海砂应力-应变曲线由应变软化型曲线向应变硬化型曲线过渡,峰值强度、应力相对软化系数及体积应变不断减小,而峰值应变增加。同一黏粒含量下,试样峰值强度随有效围压的增加逐渐增大,纯砂试样有效围压为300 kPa时的峰值强度相比于有效围压为100 kPa时提高了1.517倍,峰值强度与有效围压之间呈现良好的线性关系;而应力相对软化系数、体积应变则随有效围压的增大而减小。最后,建立了黏粒含量在0%～20%的应力相对软化系数与有效围压、黏粒含量之间的联系。     

不同应力路径下绢云母片岩粗粒料力学特性试验研究

绢云母片岩粗粒料大量用于谷城—竹溪高速公路路基填筑,为研究不同应力路径下绢云母片岩粗粒料的力学特性,采用大型三轴试验机,对绢云母片岩粗粒料分别进行常围压下的固结排水、固结不排水三轴试验以及等p应力路径下的固结排水试验。研究表明,低围压条件下,应力–应变曲线均表现为应变硬化型,但是在高围压条件下,却出现了应变微软化现象。在整个试验过程中,体积应变均以剪缩为主,并没有出现低围压剪胀的现象;并通过分析该粗粒料的破碎特征阐述了出现这种反常现象的原因。另外,通过对不同应力路径下的绢云母片岩粗粒料进行强度分析,验证了Duncan非线性强度准则对绢云母片岩粗粒料具有良好的适用性。     

循环荷载作用下堆石料颗粒破碎特性试验研究

利用大型动三轴试验设备,针对3种堆石料进行了考虑周围压力、固结比以及动应力幅值影响的排水动三轴压缩试验,探讨了动力荷载作用下筑坝堆石料的颗粒破碎特性。研究表明:在循环荷载作用下,堆石料颗粒破碎率随母岩强度的提高而降低,随围压、固结比及动应力幅值的增加而增加;根据动三轴试验过程,在进行颗粒破碎分析时应将堆石料颗粒破碎的产生分为4个阶段予以分别考虑;堆石料在动荷载施加前的已有颗粒破碎状态及应力水平对其后续的颗粒破碎特性具有一定的影响,动力加载过程中试样的体积收缩能够在一定程度上反映这一过程中颗粒破碎率的变化。     

堆石料颗粒破碎的分形特性

对伊江上游其培水电站大坝垫层料进行4组高围压大型三轴试验,依据试验前后粒径分布资料,通过建立分形模型,研究堆石料的破碎分形特性.结果表明,试验所用的2种堆石料在颗粒破碎后的粒径分布均有良好的分形特性,破碎分形维数为2.612 7～2.723 2,垫层料下包线的破碎分形维数明显小于垫层料平均线.相同的密度下,随着围压的增加,堆石料破碎分形维数增大,且增大的趋势具有阶段性:当围压较低时,破碎分形维数变化较小;围压升高时,颗粒破碎率增加,破碎分形维数上升的幅度加大.在相同的围压下,破碎分形维数随着密度的增加而增大.破碎分形维数反映了颗粒破碎后粒径的大小,分布的均匀程度,分形维数越大,破碎量越大,并与Marsal颗粒破碎率存在较为显著的线性回归关系.     

堆石混合料临界状态与颗粒破碎特性

文章开展了5组不同混合比的堆石料的大型三轴固结排水剪切试验,研究了随混合比变化堆石混合料颗粒破碎率与临界状态应力比的变化规律。试验结果表明：(1)随弱风化料占比增加,堆石料的峰值强度及临界状态强度均提高,剪胀程度增大。(2)Hardin相对破碎率较好地描述了堆石混合料的颗粒破碎规律,破碎率越大,p′-q平面上临界状态线表现出越明显的下弯。(3)峰值状态内摩擦角随Hardin相对破碎率的增加总体呈线性减小;临界内摩擦角随Hardin相对破碎率Br的增加开始缓慢减小,而后快速减小,最后趋于平稳。     

干湿循环对云南饱和重塑红土固结不排水剪切特性的影响

以云南红土为研究对象,以反复的低温脱湿、浸泡增湿为干湿循环控制条件,考虑干湿循环次数、干密度和围压等影响因素,利用TSZ-2型全自动三轴仪,开展干湿循环作用下饱和重塑红土的固结不排水剪切试验,研究不同影响因素对干湿循环饱和重塑红土三轴剪切特性的影响。试验结果表明:固结不排水条件下,饱和重塑红土的应力-应变关系表现出应变软化的特征,孔压曲线呈S形变化。随着干湿循环次数的增多,饱和重塑红土的峰值应力、峰值应变、峰值孔压均出现减小,固结排水量、残余应力变化量、残余应变变化量均出现增大;随着干密度的增大,峰值应力、残余应力增大,饱和重塑红土的固结排水量、峰值应变、残余应变、峰值孔压减小;随围压的增大,饱和重塑红土的固结排水量、峰值应力、峰值应变、残余应力、残余应变、峰值孔压均出现增大。饱和重塑红土的总应力强度指标和有效应力强度指标随干湿循环次数的增多呈波动减小的变化趋势。反复的干湿循环对饱和重塑红土的微结构产生了损伤,影响了固结过程中的排水情况和试样的密实状态,相应地改变了剪切过程中的受力特性。     

尾矿料的动强度和残余应变特性试验研究

通过对某铜矿尾矿料进行动三轴试验,分析和研究了该尾矿料的动强度和残余应变特性。其试验结果表明:固结应力比相同,围压越大,动强度越大;围压和振次一定时,动强度随固结应力比的增大而增大;不同围压下,动剪应力比和振次关系曲线具有较好的归一性。无论是等压固结还是偏压固结,在动剪应力比相同时,残余轴应变随围压的增大而增大,而这种趋势在偏压固结情况下表现更为明显。残余轴应变和动剪应力比的关系曲线在双对数坐标中呈线性,其关系可以用幂函数形式近似表达。     

常压至高压下砂土强度、变形特性试验研究

 砂土材料常压至高压下的强度、变形特性是构建砂土模型的首要问题。开展3种粒组砂土8 MPa围压范围内的等向压缩试验以及0.2～6.4 MPa围压范围内的三轴剪切试验,将砂土常压至高压范围内的力学特性进行系统分析,以获得能够将常压至高压范围内的强度、变形特性进行统一描述的力学参数。通过研究发现：(1) 砂土在高压下出现一定量的颗粒破碎,改变了砂土的剪切耗能机制,使得砂土三轴压缩剪切由剪胀软化特征向剪缩硬化特征转变;(2) 砂土材料的三轴压缩剪切峰值应力比受砂土粒径、围压共同影响,M-C强度准则在高压条件下不再适用;而残余应力比则基本不受粒径、围压的影响,是典型的无黏性摩擦型岩土力学参数,应作为砂土基本力学特性指标;(3) 砂土材料在常压至高压范围内的剪切过程中存在较明显的临界状态现象,临界状态曲线与等向压缩曲线形态相同均呈指数衰减型并在高压条件下产生交叉,两者共同构成砂土材料的状态区间能够体现常压至高压范围内的剪胀与剪缩特征。     

不同中主应力条件下粗粒土应力变形特性试验研究

采用长江科学院大型真三轴仪,对粗粒土进行了一系列不同中主应力系数条件下的真三轴试验和平面应变试验,研究了中主应力对粗粒土的应力变形的影响规律。试验结果表明,中主应力比b一定时,应力–应变关系曲线的斜率和峰值强度随着固结压力的增大而增加,在低围压条件下,体变关系曲线在加载过程中表现为先剪缩后剪胀的特性,而在高围压下,整个加载过程中表现剪缩的特性;固结压力一定时,随着b值的增大,应力在峰值后的软化现象愈加明显,体变全过程曲线表现出剪胀特征对应的固结压力越来越低,小主应变–大主应变关系曲线的斜率绝对值增大。研究成果可为进一步研究粗粒土的本构模型奠定基础。     

Particle breakage in triaxial shear of a coral sand

This paper presents a laboratory experimental study to comprehensively investigate the characteristics of particle breakage using numerous triaxial tests on a coral sand. Coral is a highly crushable granular material which fills the gaps between more crushable and less crushable granular materials. The monotonic tests and cyclic tests were terminated at the designated axial strains and the designated cyclic numbers, respectively. The grain size distributions were measured by sieve analyses of the specimens after the triaxial tests were performed. The relative breakage and relative fractal dimension were used to quantify the particle breakage. The cause of particle breakage that increased with increasing isotropic consolidation stress was shown to be isotropic stress. An almost linear increase in particle breakage in relative breakage was found as axial strain increased, whereas the increase in particle breakage in relative fractal dimension showed upward convexity. More particle breakage occurred in denser samples. During consolidation to the identical mean effective stress, the anisotropic stress state played a bigger role in particle breakage than the isotropic stress state, but during shearing particle breakage occurred more sharply in the triaxial tests with the isotropic consolidation to the higher confining pressure. In the cyclic shearing, the particle breakage in relative breakage and relative fractal dimension increased in upward convexity as the cyclic number increased, but in upward concavity with increasing axial strain. A hyperbolic model was proposed to correlate the relative fractal dimension with the relative breakage for use with both monotonic and cyclic tests. In the monotonic tests, a hyperbolic model was proposed to correlate the particle breakage in relative breakage and relative fractal dimension with the plastic work per unit volume. It is proposed that the loading-mode-induced (i.e., monotonic loading and cyclic loading) different mechanism of particle breakage meant that this model could not be applicable in the cyclic tests. The results suggested that the hyperbolic correlation of the particle breakage in relative fractal dimension and the plastic work per unit volume is the most reliable method of interpreting the energy consumption characteristics of particle breakage. This approach takes the fractal nature of soil into consideration. A microscopic view of particle breakage is also effective for observing the evolution of particle breakage.     

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。     

循环三轴应力路径下钙质砂颗粒破碎演化规律

钙质砂广泛分布于中国南海区域,是吹填造陆的重要材料。钙质砂颗粒容易破碎,使得其力学特性相比于普通的陆源硅质砂有显著差异。对取自中国南海西沙群岛某岛礁的钙质砂开展了三轴排水循环剪切试验,研究了围压、循环应力比、循环振次对钙质砂颗粒破碎发展过程的影响。在试验所采用的围压范围内,钙质砂在固结过程中产生的颗粒破碎较少,但是在随后的循环剪切过程中产生了显著的颗粒破碎。在循环剪切作用下,钙质砂的颗粒破碎形式主要是尖角的磨损,剪切后试样的颗粒中出现了一些碎屑和微细颗粒,大颗粒的棱角有一定程度的磨圆,但粒径无明显减小。在常围压下的等幅循环剪切中,颗粒破碎程度随着循环剪切次数的增大而增加,增长速率逐渐降低,可以采用对数曲线来描述相对破碎指数的发展过程。再考虑围压和循环应力比的影响规律,初步建立了一个描述颗粒破碎演化过程的数学模型。     

钙质砂剪切特性试验研究

 对取自南沙群岛永暑礁附近海域的钙质砂进行了不同围压下的三轴排水剪切试验,试验结果表明,钙质砂在三轴剪切试验中的应力–应变关系随围压而发生变化,在低压时与普通陆源砂相近,而在中、高围压时表现出陆源砂高围压时的力学性质。在剪切过程中由于颗粒破碎导致封闭的内孔隙释放,体积应变要比石英砂大得多,剪切过程中发生的变形几乎全为不可恢复的塑性变形,其剪胀性与峰值应力比与围压密切相关,峰值应力比与剪胀性随着围压的升高而下降。