新疆某工程粗粒料颗粒破碎大型三轴试验数值模拟

以新疆某工程为研究背景,依据该工程的相关资料,应用三维颗粒流数值仿真技术对筑坝材料 在一定围压下的破碎情况进行模拟。将数值模拟结果与室内实验结果进行比对分析,发现模拟实验与 室内实验结果数据基本一致,说明应用三维颗粒流仿真技术可以很好的再现粗粒料的破碎特性。结果 表明:在荷载加载初期,轴向应变较小时颗粒破碎量较小,加载后期剪切带形成后,破碎颗粒增多,且由 剪切带处逐渐向两极扩展;破碎率与围压呈线性关系,随着围压的增加,颗粒破碎率有所提高;分析在加 载过程中,簇颗粒内异性黏结键变化得知颗粒破碎以剪切破坏为主。     

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。     

运行期高面板坝挤压边墙的破碎机理试验研究

通过组合模型试件(尺寸φ150 mm×H450 mm)的三轴试验,模拟运行期面板自重及其上游水压力等荷载对挤压边墙混凝土(extruded curb concrete,ECC)产生的顺坡向及法向荷载作用,从而研究围压、面板厚度以及水胶比对ECC破碎机理及裂缝发展规律的影响。试验结果表明:应力-应变曲线经历了3个阶段,第1阶段表明各组件"石膏-面板-ECC-垫层料-石膏"之间空隙已被压实,第2阶段主要是垫层料的压实,第3阶段主要是ECC裂缝发展及破碎过程,材料近似表现为线弹性特性;初始裂缝发生在ECC之间的搭接部位,而不是ECC与垫层料接触的齿状部位,随着荷载逐渐增大,最终ECC完全被压碎成为垫层料的一部分; ECC在"初始裂缝-裂缝增多-最终破碎"的发展过程中,破碎率从15%增加到50%再到100%,偏应力增加了1.5～2.0 MPa;相对面板厚度,ECC的应力-应变对围压及水胶比更敏感。     

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,偏应力与平均正应力的应力比逐渐趋向于临界应力比,软化型试验应力比曲线呈单驼峰型形态,硬化型试验应力比曲线呈爬升型形态;临界孔隙比随临界平均正应力的增大而减小,随初始孔隙比的增大基本呈线性增大。研究成果可为特征状态参数研究和临界状态本构模型的建立提供依据。     

饱和黄河岸滩粉土循环荷载后的变形强度特性

对黄河岸滩饱和粉土在固结不排水条件下进行了一系列单调加载、循环荷载后单调加载的三轴试验,研究了动应力幅值、围压及动孔压比对循环荷载后力学特性的影响,提出了可考虑围压及动孔压比影响的粉土循环荷载后单调加载应力应变关系的变形模式。试验结果表明:循环荷载作用完全液化时,动应力幅值变化对液化后力学特性的影响很小;循环荷载后单调加载的有效应力临界状态线与单调加载时相同,不受循环荷载作用历史的影响。与单调加载时相比,循环荷载后的不排水强度及初始切线模量皆产生衰化,衰化程度随动孔压比的增大而增大,初始切线模量的衰化程度更明显;不同围压下循环荷载后的不排水强度比、初始切线模量比及破坏比,皆与动孔压比之间有良好的归一化关系;粉土循环荷载后的应力应变关系可以用双曲线模型来描述,模型计算值与试验实测值基本吻合。     

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。     

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。     

循环荷载后围压水对混凝土力学特性影响

对不同围压(0, 2, 5, 10 MPa)下的水饱和混凝土试件,历经25次循环荷载作用后(荷载下限140 kN,上限260 kN,频率0.1 Hz),进行了不同加载速率(地震荷载作用下的混凝土应变速率响应范围10-5/s~10-2/s)下的静动态常三轴抗压性能试验。分析了混凝土峰值应力、峰值应变以及损伤特性。结果表明:历经循环荷载后,随着加载速率的增加,混凝土峰值应力增大,峰值应变整体上逐渐增大,损伤变量D增长速度减缓;随着围压增加,混凝土峰值应力和峰值应变逐渐增大,损伤变量D增长速度降低,但损伤极限差值越来越大。基于上述试验结果,得到了历经荷载循环后混凝土动态峰值应力与围压、加载速率有关的经验计算式及历经荷载循环后混凝土动态峰值应变与围压、加载速率有关的经验式。     

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。     

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。     

三轴循环荷载下大理岩阻尼参数的试验研究

在MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统上对大理岩在4级不同围压下进行试验,每级围压下分3级动应力进行循环加卸载,得到三轴应力状态下大理岩阻尼比和阻尼系数与不同应力状态之间的变化规律。通过试验发现：在同一级应力状态下岩石塑性变形随着加载次数的增加逐渐增大,每次动循环岩石的能量耗散随着σ_max/σ_c 和围压σ₃ 的增大而增大;同一级围压下,阻尼比和阻尼系数随着动应力振幅增大而递增,且随着围压的增大,递增的速率呈现出变快的趋势;在相同的σ_max/σ_c 下,阻尼比和阻尼系数随着围压的增大而递增,且随着σ_max/σ_c 的增大,递增的速率呈现出变快的趋势。岩石在高应力条件的循环荷载下,内部微裂纹扩展程度和新裂纹产生的数量和规模以及不可逆塑性变形更大,高应力水平下的每次循环荷载能量耗散也相应增加。     

压-剪复合应力下非球形颗粒材料空心圆柱剪切试验的离散元模拟

采用离散元模拟平台PFC3D构建空心圆柱型数值试样,分析了压-剪复合应力条件下非球形颗粒材料数值试样的宏细观力学响应,重点探讨了颗粒形状和围压对数值试样初始变形模量、抗剪强度、剪切带倾角和组构各向异性演化的影响。结果表明:在保持大主应力方向角α=30°不变的单调剪切条件下,数值试样的初始变形模量能够反映实际砂土的压硬性规律,也即初始变形模量随着围压的增大而增大。数值试样的峰值内摩擦角随着颗粒长短轴比Se的增大而增大,且随着围压的增大而减小。数值试样的剪切带倾角在16°～25°范围内,且随着Se的增大,剪切带倾角越大。无论接触法向初始各向异性分布如何,随着剪切荷载的施加,接触法向各向异性的主方向均逐渐接近大主应力方向,也即试样发现明显的应力诱发各向异性,且在低围压下这一规律更为显著。     

人工模拟堆石料颗粒破碎的分形特性

人工制备等粒径、不同强度的水泥球颗粒模拟堆石料,进行室内三轴加载试验。依据试验前后颗粒破碎后的粒径分布,采用Tyler等建立的分形模型,研究堆石料颗粒破碎的分形特性,并与Hardin相对颗粒破碎率进行对比分析,探究分形维数表征颗粒破碎程度的可行性。结果表明:排水和不排水条件下得到的结果相似,试验采用的4种水泥含量的试样颗粒在颗粒破碎后的分布特征具有良好的分形特性。同一水泥含量下,随着围压的升高,堆石料分形维数逐渐增大;高围压下,颗粒破碎严重,中间粒径和细粒含量较多,级配更均匀,分形模拟结果与试验结果较低围压下具有更好的线性关系。相同围压下,随着颗粒强度的增大,颗粒破碎程度减小,分形维数随之逐渐减小。通过与Hardin相对颗粒破碎率进行对比可知,分形维数可以很好地表征试样的级配情况,其值越大,级配越良好,粒径分布情况越均匀,颗粒破碎越严重。     

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。     

堆石料的临界状态探讨

高应力水平时堆石料的颗粒破碎对其强度和变形机理有重要影响。为此,本文对堆石料进行了固结应力从400kPa到4MPa的18组固结排水和固结不排水常规三轴压缩试验,及6组等向压缩试验。结果表明:(1)围压低时颗粒破碎轻微,固结排水时试样剪胀,固结不排水时孔压先增加后稍有降低;围压高时颗粒破碎严重,固结排水时试样剪缩,固结不排水时孔压也是先增加后降低;等向压缩时随着平均有效应力增加颗粒逐渐破碎,但不明显;(2)不同的固结应力时,在排水条件和不排水条件下试样都趋于临界状态;(3)堆石料的临界状态在q-p′平面和e-lgp′平面均为非线性变化。最后提出了堆石料的临界状态的数学描述并较好地验证了试验结果。     

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。     

动荷载作用下饱和粉土动力特性研究

为了分析不同动强度影响因素的动荷载作用下黄河冲洪积粉质土的动应力—动应变发展规律,模拟了一定振动频率的循环荷载的动三轴试验。试验选用郑州市东北部分布广泛的粉土,分析了动应力幅值、循环振动次数、固结围压、固结比等对粉土动力特性的影响,从动应力—动应变关系研究了动荷载作用下粉土的动力特性。试验结果表明:饱和粉土的动应力—动应变的发展与土样的动强度影响因素有关;在循环荷载作用下,因动荷载与围压比值的不同,试样呈现出三种形态;随动荷载作用次数的增加,在同等动应力幅值作用下,试样抵抗外力引起变形的能力越来越差,其弹性模量随振动次数增加而减小、随围压的增加而增大。     

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。