煤矸石集料性质对混凝土力学性能影响的试验研究

主要研究煤矸石集料的基本性质:矸石种类、颗粒级配、集料的预处理方式等对混凝土7,28,90d抗压强度及弹性模量的影响规律,为煤矸石集料混凝土的优化配合比设计提供依据。试验结果表明:矸石集料自身的强度极大地影响混凝土的强度,在不同强度的水泥基体下,当水泥基体强度与集料强度相协调时,其混凝土的强度才能达到最大,但是在低强的水泥基体下,提高矸石集料的粒径尺寸及比例,并不能提高混凝土的强度;自燃矸石集料经过预湿处理,能够提高混凝土的力学性能,但非自燃矸石集料经预湿处理后,并不能提高其混凝土的力学性能。     

煤矸石集料性质对混凝土力学性能影响的试验研究

主要研究煤矸石集料的基本性质:矸石种类、颗粒级配、集料的预处理方式等对混凝土7,28,90d抗压强度及弹性模量的影响规律,为煤矸石集料混凝土的优化配合比设计提供依据。试验结果表明:矸石集料自身的强度极大地影响混凝土的强度,在不同强度的水泥基体下,当水泥基体强度与集料强度相协调时,其混凝土的强度才能达到最大,但是在低强的水泥基体下,提高矸石集料的粒径尺寸及比例,并不能提高混凝土的强度;自燃矸石集料经过预湿处理,能够提高混凝土的力学性能,但非自燃矸石集料经预湿处理后,并不能提高其混凝土的力学性能。     

粒径级配对矸石压实变形特性影响研究

为研究矸石粒径级配对充填工作面充填体压实度的影响,以焦作九里山矿煤层顶板矸石,利用自制的矸石充填压缩模具进行不同粒径级配矸石压实试验,得到10种粒径级配的矸石应力-应变关系曲线,分析矸石粒径级配、轴向应力、含水率对矸石压实度的影响。结果表明:压缩矸石的应力-应变关系呈指数函数特征,矸石压缩过程分为三个阶段:速压密阶段、稳压密阶段、准压密阶段;矸石粒径对压实度影响较为明显,矸石的压实度与轴向应力呈对数函数关系;矸石的压实度与压缩率具有较好的相关性,采用泰波理论选取的最优方案压缩率比其他低,矸石的压实度相反;含水率为5.6%~5.8%时矸石压实度最优。     

煤矸石抗剪强度特性试验对比研究

为了分析不同时期排弃的煤矸石力学特性的差异性,以现场固结煤矸石样本筛分级配为试验级配进行不同试样含水率条件下固结煤矸石与新排弃煤矸石的室内对比直剪试验。试验结果表明,与新排弃煤矸石试验曲线均呈应力硬化现象不同,固结煤矸石在试样含水率较小时试验剪应力–剪位移曲线存在相对突出的峰值,呈明显应变软化现象。而随着试样含水率增大,固结煤矸石的黏结性特性得到呈现,应力–应变关系也渐变为应变硬化。试样干密度与试样含水率对固结煤矸石和新排弃煤矸石抗剪强度参数的影响不同,干密度对固结煤矸石黏聚力以及新排弃煤矸石内摩擦角的影响更为显著。而相对于新排弃煤矸石,固结煤矸石内摩擦角对试样含水率更为敏感,至饱和含水率时固结煤矸石抗剪强度主要由黏聚力提供,而新排矸石内摩擦角值降低的幅度则不到15%。试样含水率对固结煤矸石及新排弃煤矸石抗剪强度影响的差异与矸石组成中细颗粒组成成分相关。试验成果可为煤矸石山的稳定性计算提供依据。     

煤矸石粒径分布及休止角的分形评价模型

根据合山市三大矿区煤矸石堆现场筛分试验,将分形理论引入煤矸石颗粒级配评价中,提出一种煤矸石级配定量评价的分形模型,并推导出分形维数D。同时,试验得到不同级配条件下煤矸石堆天然休止角的大小。研究表明:分形方法可以应用于矸石等散体材料级配合理性定量评价中,且可避免计算Cu、Cc时对于d10、d30、d60的估计误差;煤矸石休止角受矸石中粗细颗粒相对含量影响较大,且不同粗颗粒含量下矸石休止角与分形维数有明显相关关系,研究成果为煤矸石广泛利用和综合治理提供参考。     

散体矸石的承载性能试验研究

为了研究散体矸石的承载、变形规律,通过对不同级配、增强措施及尺寸效应下的矸石体进行压缩试验,获得了其承载变形规律,并建立了散体矸石承载力学模型。研究结果表明:1)矸石处于不同压缩时期具有不同的变形、破坏特征,大致可分为如下阶段:第一阶段,以颗粒间相互错动为主的自组织平衡段;第二阶段,以矸石破碎、空隙率降低为主的破碎压密段;第三阶段,以不同粒径颗粒固结并稳定增阻为主的固结增阻段;2)对于单一级配矸石来说,粒径越大,前期能够承受的载荷越大,但随着变形的增加,压缩量-载荷曲线越平缓;3)散体矸石的级配曲线越接近泰勒曲线,其承载性能越优,且对矸石体用钢筋和金属网增强后,承载性能明显提升;4)矸石体不同位置处的压缩量由不同步趋于同步,最终形成类圆台承载体,该体表面松散,内部紧密。     

煤矸石颗粒破碎及其对工程力学特性影响研究

对徐州北部地区路用煤矸石的基本粒度特性及其颗粒破碎细化规律进行了试验研究,并综合分析了其对各种工程力学特性的影响,主要是压实、渗透、水稳、压缩、承载、变形与强度特性等。在此基础上,提出了适合于煤矸石的强度与变形本构模型。     

新型充填材料颗粒级配试验研究

以煤矸石为主要充填材料,以粉煤灰为主要胶凝材料,采用复合激发剂对其活性进行激发,配制应用于煤矿的新型充填材料;在充填胶凝材料试验方案确定的条件下,采用均匀设计试验方法,研究不同粒径范围颗粒的分计筛余百分含量对充填材料强度及工作性能的影响,从而确定煤矸石的最优颗粒级配,并经SEM分析验证了较优颗粒级配对充填材料界面过渡区的优化作用。     

砂土力学指标的统计分析研究

砂土的强度值具有很大的不确定性,确定其概率分布规律对于施工设计选取安全值和土的本构模型研究都有着重要意义。通过对不同颗粒级配的土进行的单轴压缩试验得到大量实测强度值,统计其测得的强度值并对其进行分析,得出了粗颗粒含量较低的土的强度分布规律比符合为布尔分布,而粗颗粒含量较高的土则比较符合正态分布的结论。由其分布规律,解决了根据工程结构不同的重要性以及不同的经济性选取不同的强度值的问题。     

基于Flat-Joint接触模型的软化本构开发及其参数影响分析

为研究黏结键软化效应在岩石破坏离散元模拟过程中的影响,将黏结裂缝模型的软化关系引入到Flat-Joint本构模型中,使颗粒间发生黏结破坏时考虑软化效应,并通过C++语言生成供颗粒流程序(PFD2D)调用的离散元本构子程序(DLL)。模拟岩石单轴压缩过程,根据其应力–应变曲线、软化黏结键数量和断裂黏结键数量变化曲线将破坏过程划分为以下5个阶段:线性上升段、非线性上升段、非线性下降段、脆性下降段和残余应力段,且黏结键软化主要发生在非线性段;并采用水平直线软化曲线详细分析软化强度和软化应变对单轴压缩峰值强度、非线性区宽度、软化黏结键数量和泊松比等宏观参数的影响;最后对复合破坏准则下黏结键的断裂能进行初步分析,完善分析岩石类材料破坏问题的颗粒离散元方法。     

基于颗粒破碎特性的堆石材料级配演化模型

颗粒破碎会改变土体级配,进而影响其应力应变等力学行为。针对现有技术手段难以实时确定加载过程中颗粒破碎与级配变化的现状,依据天然岩石颗粒的破碎特性,建立了一个基于颗粒强度的级配演化模型。模型中应力参数采用增量加载法,可预测加载过程中的级配演化。由单粒强度试验确定颗粒破碎特性和模型参数,试验结果表明颗粒强度服从Weibull分布。筛分颗粒破碎后的碎片发现,粒径累计分布可用正态曲线拟合,且不同粒组的粒径累计分布相似。最后,模型计算结果与三轴试验数据的对比分析表明,模型可以较好地预测试样在加载过程中的级配变化。     

堆石体的填筑标准与级配优化研究

基于分形理论,进行了大量堆石料室内相对密度试验、压缩试验以及三轴试验,对堆石料级配与干密度、压缩模量、破坏强度、颗粒破碎等工程特性之间的关系进行了深入研究。结果表明:(1)级配对堆石料的物理力学性质影响明显,且随着试验应力的增加,其差异性越来越大。如粒度分形维数D在2.22~2.63的良好级配范围内,制样相对密度取1.0时,堆石料干密度在2.026~2.311 g/cm~3之间,相差14%;在3.2~6.4 MPa压力范围内的压缩模量相差2.47倍;制样相对密度取0.8时,在1.6 MPa围压时的三轴试验破坏剪应力相差23%。(2)相同相对密度条件下,随着粒度分形维数的增加,堆石料的极值干密度或孔隙率、压缩模量、破坏应力均表现为先增大、后减小的规律,在D=2.56~2.62附近均存在极值点,对应P5含量在35%左右,细粒含量过多时的"砂化"现象,导致颗粒骨架效应减弱,堆石的工程性质劣化,极值点对应的临界分形维数控制堆石料的工程性质。(3)堆石料的粒度分形维数与颗粒破碎之间存在良好的规律,即粒度分形维数越高,颗粒破碎越小,可通过级配优化设计控制堆石料的颗粒破碎。(4)基于堆石体的孔隙率可描述为粒度分形维数和相对密度的函数,首次提出了基于变形控制的孔隙率和相对密度双控指标,作为高坝堆石体的填筑标准,并结合如美300 m级堆石坝,提出了堆石料级配优化确定的方法。     

三峡花岗岩峰后力学特性及应变软化模型研究 张 帆，盛 谦，朱泽奇，张勇慧

 通过对三峡花岗岩进行常规三轴压缩试验,得到不同围压下的应力–应变全过程曲线。基于弹塑性理论,通过试验数据拟合屈服面,分析研究花岗岩强度参数与峰后应变软化参量的关系,得出在花岗岩的应变软化过程中,黏聚力c随应变软化参量的增大而快速减小,而内摩擦角j在应变软化的过程中几乎保持不变的结论。在此基础上建立花岗岩峰后应变软化模型,利用FLAC3D程序对花岗岩三轴压缩试验进行了数值模拟,其结果与试验数据比较吻合。     

基于 DEM 的颗粒级配对粗颗粒土三轴试验影响分析

通过建立DEM离散元模型,分析不同颗粒组成的土颗粒三轴试验中的应力应变及强度特性。为充分描绘不同颗粒级配对应力应变特性的影响,在采用传统应力应变曲线基础上,对颗粒三轴试验中颗粒位移场的变化进行了分析。结果表明,随着围压的增加,颗粒位移场变得均匀,粗粒土更容易发生体缩变形,向更密实的挤压状态转变,强度增高。曲率系数与不均匀系数对土的强度及变形性能影响较大,在级配曲线连续的条件下,有效粒径与中值粒径或限制粒径相差较大时,粗骨料之间接触形成骨架结构,其内摩擦角增大,强度及抗变形性能提高。     

粗粒土强度和变形的级配影响试验研究

开展了不同细粒含量的无黏性和含黏粒粗粒土的共8组大型三轴排水剪切试验,研究了级配对粗粒土强度、变形、剪胀特性和颗粒破碎的影响。试验结果表明细颗粒含量的大小、是否含泥是粗粒土力学特性的重要影响因素;分析了无黏性粗粒土的颗粒破碎率随围压大小、级配的变化;研究了剪切峰值随围压、细颗粒含量的变化规律,讨论了不同围压、不同级配特征情况下粗粒土的剪胀特性。根据含黏粒粗颗粒土的试验结果,分析了含泥量对强度和变形特性的影响,并从机理上分析了细粒含量对无黏性和含黏粒粗粒土的力学特性影响的差异性。试验结果表明对于土石坝工程良好的坝体填筑料级配、严格控制小于0.075 mm颗粒含量,有利于提高坝体的稳定性和减小坝体沉降。     

堆石料的颗粒破碎规律研究

粗颗粒土剪切过程中的颗粒破碎现象已被广泛认识,并且在试验和理论方面进行了大量研究。利用大型三轴仪开展了一系列不同级配、不同密度、不同围压条件下堆石料的排水剪切试验,并对试验前后的试样分别进行了颗粒分析,以探讨堆石料的颗粒破碎规律及其影响因素。试验结果表明:密度对颗粒破碎影响较小,而级配和围压的影响较大,围压越高则颗粒破碎越严重。对比试验前后的粒径分布曲线发现,颗粒破碎主要集中在粒径20 mm以上的颗粒范围内,粒径变化幅度随粒径的减小呈减小趋势。基于分形理论,建立了颗粒破碎分形维数与围压和颗粒级配之间的关系表达式,为进一步研究堆石料的强度、变形及剪胀特性提供依据。     

基于分形级配方程的堆石料颗粒破碎SBG模型

准确预测堆石料在受剪过程中颗粒的破碎率以及相应的级配变化,是揭示堆石料在复杂应力状态下强度、渗透、变形等特性的基础。基于分形级配方程,建立了一个实现"应力应变—破碎指标—级配分布(SBG)"转换的模型。引入Einav破碎指标BE作为衡量颗粒破碎率的指标,对分形级配方程进行变形和积分,推导了颗粒破碎率B_E和分形维数D的数学转换,即"破碎指标—级配分布"的转换。对已有的三轴剪切试验数据进行分析,提出一个可以定量表示颗粒破碎率随剪应变和平均正应力变化的数学模型,模型共有3个参数a,b,c,参数b与土体的临界状态有关,根据临界剪应变可以直接确定。对两组不同的试验数据进行拟合,发现模型预测值与试验值具有较高的吻合度,实现"应力应变—破碎指标"的转换。将以上两种转变联立,成功预测了不同剪应变及平均正应力下堆石料的级配变化。     

尾矿库筑坝土石料大型三轴试验与力学模型研究

针对沙溪铜矿龙王顶尾矿库工程初设土石坝建设方案,配置了3种含石量(5%、15%和30%)的筑坝土石料,开展了常围压条件下的大三轴压缩试验。试验表明,在低围压下土石料表现出明显的剪胀变形,在高围压条件下其变形以剪缩为主。随试样含石量从5%增加至30%,土石料的应力应变曲线形态相似,但强度和剪胀效应均明显增大。基于试验成果分析,构造适用于描述土石料剪缩/剪胀变形规律的塑性加载和流动方向矢量。在广义塑性本构模型框架内,建立了一个适用于土石料的弹塑性力学模型,阐述了模型参数的确定方法。将此力学模型应用于土石料的大型三轴试验模拟,发现该力学模型能较好地模拟土石料的剪缩/剪胀变形规律。