三轴应力路径下珊瑚砂的颗粒破碎模型

基于不同轴向应变下平行试样的三轴试验结果,分析了珊瑚砂在三轴排水与不排水条件下颗粒破碎随加载的演化过程,探讨了现有的颗粒破碎能量模型和基于应力的Hardin破碎模型的局限性。为了更好地分析颗粒破碎中间发展过程的特征,将引起颗粒破碎的机制分解为压缩和剪切两部分,并分别建立了与之相对应的破碎模型。压缩机制是指在等应力比条件下有效球应力增大导致的压缩效应,它所引起的颗粒破碎与当前的应力状态有关。剪切机制是指剪应力比变化所导致的剪切效应,它所引起的颗粒破碎与已经累积的颗粒破碎量以及剪应变的大小有关。最后,通过与珊瑚砂三轴试验结果的比对初步验证了压缩和剪切破碎模型的合理性。     

级配对珊瑚砂颗粒破碎与变形特性的影响

珊瑚砂具有典型的颗粒破碎特征，而破碎导致的粒径变化对珊瑚砂力学特性有显著的影响。为探究初始级配和围压对珊瑚砂颗粒破碎及变形特性的影响，选择4种不同初始颗粒级配的试样在4种不同围压下进行了三轴固结排水剪切试验。研究结果表明：在小围压下，剪切过程中不同级配的珊瑚砂试样的应力应变关系均表现出应变软化现象，体变曲线呈现出非常明显的剪胀，而且粒组的颗粒粒径越细，峰值强度越大，体积应变也越大。随着围压的增加，粗颗粒级配砂样表现为应变硬化。研究发现对于某一级配，随着围压的增加加剧了珊瑚砂颗粒破碎的发生，两者之间存在显著的幂函数关系。通过引入级配参数β，建立了颗粒破碎率B_r与级配和围压之间的关系表达式。研究还发现在e-(p’/p_a)^ξ平面内，不同级配的珊瑚砂试样临界状态线为相互平行的直线，其截距eГ与初始孔隙比eic、级配参数β之间存在显著的线性关系，并据此建立了考虑级配影响的珊瑚砂临界状态方程。     

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。     

考虑颗粒破碎的砂土高应力一维压缩特性颗粒流模拟

以Toyoura砂室内高应力一维压缩试验结果为基础,利用二维颗粒流方法中的接触黏结模型生成簇颗粒单元来模拟实际砂土的颗粒破碎特性。高应力一维压缩数值试验中,数值试样由887个簇颗粒单元组成。数值试验与室内试验结果对比表明:数值试验得到的压缩曲线形状及颗粒破碎屈服应力大小均与Toyoura砂室内试验结果一致,说明数值试验能够较好地再现实际砂土在高应力一维压缩条件下的颗粒破碎特性。与室内试验相比,利用数值试验不仅能得到宏观的颗粒破碎现象,而且还能通过分析内部接触力的变化和对黏结破裂位置的追踪来研究颗粒破碎的细观演化规律,从而可进一步探讨颗粒破碎的细观力学机制。最后,就细观参数、加荷速率、簇颗粒数量及试样平均粒径等因素变化对数值试验结果的影响进行了分析。     

染色石膏颗粒一维压缩破碎与粒径迁移

为研究粒状岩土材料粒组层面的破碎与粒径迁移规律,采用人工制备的染色石膏颗粒,进行不同应力和级配的单粒组及多粒组等比例混合试样的一维压缩试验。采用人工识别和图像识别软件相结合的方法进行破碎后的颗粒分离,得到各粒组破碎后的级配,据此分析颗粒破碎过程中的粒径迁移模式、粒组的破碎概率以及破碎重叠效应。分析结果表明,颗粒破碎与粒径迁移模式为分步多次破碎、依粒组次序迁移,因而破碎后粒组的级配是连续不间断的。与单粒组级配试样中颗粒破碎概率随粒径减小而减小不同,多粒组级配试样中颗粒的破碎概率随粒径减小而增大(窄级配试样)或先增后减(宽级配试样),但较单粒组级配试样整体上有所下降。破碎重叠效应表现为各粒组颗粒的绝对破碎量远大于相对破碎量,且随着应力的增加和粒径的减小更加明显。最后基于粒度熵的概念,建立了可以反映破碎重叠效应的绝对破碎率。该试验结果亦可为颗粒破碎的数值模拟提供参考。     

考虑颗粒破碎的钙质砂边界面循环本构模型

钙质砂作为一种海洋生物成因的易破碎材料,由其构成的地基在海洋环境下长期受到动荷载的作用,故模拟钙质砂在循环荷载作用下的颗粒破碎及其对应力应变行为的影响具有重要意义。将引起塑性应变和颗粒破碎的机制分解为两种:有效球应力增加引起的压缩机制和剪应力比变化引起的剪切机制。压缩机制引起的颗粒破碎可由Hardin公式模拟,为适应复杂应力路径,在Hardin公式的基础上建立了增量型的压缩破碎模型。剪切机制引起的颗粒破碎满足两个"递减率":(1)在每一个单向剪切过程中,颗粒破碎的累积速率总是在单向剪切起始处最大,并随着单向剪应变的增加而减小;(2)在总的剪切过程中,颗粒破碎的累积速率随颗粒破碎量的增大而逐渐减小。在边界面本构模型框架中引入所建立的压缩和剪切破碎模型,通过随颗粒破碎量移动的临界状态线反映颗粒破碎对模量、强度和剪胀等应力应变行为的影响,建立了一个考虑颗粒破碎的循环本构模型。通过对钙质砂的单调和循环三轴试验结果的模拟初步验证了所提出本构模型的合理性。     

侧限条件下高压对钙质砂颗粒破碎影响研究

高应力环境中钙质砂的颗粒破碎会影响其工程稳定性,利用液压万能试验机在侧限条件下对0.25mm~0.5mm、1mm~2mm、2mm~5mm粒径和混合粒组钙质砂进行高压加载,研究终止压力、平均粒径、干密度等因素对其颗粒破碎影响。试验结果表明:终止压力P值对钙质砂颗粒相对破碎率Br值影响显著,用Slogistic函数拟合后相关性良好,根据拟合曲线可将破碎分为渐增和缓增阶段;同时相对破碎率Br与试样平均粒径d50呈线性负相关;控制变形速率和终止压力相同,干密度大的试样加荷速率更快,相对破碎率Br比干密度低的试样略大;同等终止压力水平下混合粒组钙质砂相对破碎率Br远小于单粒组;高压加载导致级配和粒组百分含量变化十分显著,工程中应充分考虑其对钙质砂工程性质的影响。试验结论对海相钙质砂区域工程建设具有参考意义。     

长期循环荷载下珊瑚砂累积变形特性试验研究

对取自南海的珊瑚砂进行等向和K_0固结的三轴排水剪切试验,发现固结路径对珊瑚砂的剪切行为有显著影响。在此基础上,采用K_0固结条件,设计一系列不同围压和循环动应力比的长期排水循环加载三轴试验,研究得到珊瑚砂具有门槛颗粒破碎循环动应力比,安定性理论可用于解释不同动应力比长期循环加载下珊瑚砂的累积变形发展模式。基于静力和动力试验结果,引入相对偏应力水平,建立能反映初始固结状态和循环动应力比的珊瑚砂排水循环加载轴向残余累积应变显式计算模型,对预测循环荷载下珊瑚砂地基长期沉降有积极意义。     

三轴排水剪切下钙质砂的颗粒破碎特性

颗粒破碎是影响粒状土的变形和强度机理的重要因素。为了研究钙质砂在剪切过程中的颗粒破碎特性及其对变形和强度性质的影响,对3种不同初始分布的钙质砂进行了不同围压下的三轴排水剪切试验。结果显示:初始分形的粒径分布在三轴剪切过程中始终保持着较为严格的分形特性,该现象与各粒组中的破碎颗粒主要向相邻的下一级粒组中迁移的机制有关。钙质砂的应力–应变特性与围压大小和初始粒径分布有关,围压越低,初始粒径分布越不均匀,钙质砂的剪胀效应越显著。随着围压的增大,钙质砂的剪胀倾向减少,并逐渐过渡到剪缩状态。钙质砂的破碎率随剪切过程中的应力和应变的增长而增大,其峰值内摩擦角随着破碎率的增大而降低,最后趋于定值。用非线性的指数函数来描述峰值内摩擦角与破碎率的相关关系,揭示了颗粒破碎对钙质砂抗剪强度的影响规律。     

基于SEM图片的钙质砂连通孔隙分析

钙质砂是一种以碳酸钙为主要成分的特殊砂土,由于在形成过程中保留了原生物的骨架,故钙质砂颗粒不仅形状各异而且富含孔隙。颗粒孔隙的存在对钙质砂的压缩、剪切、强度和破碎性等力学性质有很大影响。针对这一问题,取南海一处岛礁建设地基的钙质砂试样,根据粒径大小将其分为6个不同的粒组,在每个粒组中选出不同形状的代表性颗粒,对其进行电镜扫描试验。借助MATLAB图像处理程序,选取合适的阈值对扫描试验得到的图片进行二值化处理,对钙质砂的连通孔隙进行了分析,系统的研究了不同粒径和粒形钙质砂颗粒的表观孔隙率的分布规律。结果表明:对于粒径小于1 mm的颗粒,面孔隙度随着粒径的增大而增大,不同形状颗粒面孔隙度差别不大;粒径超过1 mm后,面孔隙度随着粒径的增大而减小;条状颗粒面孔隙度最大而片状颗粒的面孔隙度最小。     

循环剪切作用下砾石–格栅界面颗粒破碎特性研究

为了研究循环剪切条件下砾石–格栅界面剪切破碎特性,分别在不同循环剪切位移幅值、竖向应力、剪切频率和循环次数等条件下进行筋土界面循环直剪试验。通过分析循环剪切前后颗粒级配变化,并采用相对破碎率量化颗粒破碎程度。试验结果表明:各剪切位移幅值下滞回圈峰值剪切应力随着循环次数增加逐渐增大,剪应力会受到颗粒破碎影响产生波动;颗粒破碎主要是由于循环剪切作用,剪切位移幅值的增大促进颗粒相对破碎率的增加,并且两者符合双曲线函数关系;竖向应力、剪切频率与相对破碎率之间的关系均可用对数函数描述,最大相对破碎率分别为13.54%和11.22%;循环次数对颗粒相对破碎率影响较大,循环次数越多,颗粒破碎率越大;在不同试验条件下,通过双曲线函数拟合颗粒相对破碎率与输入塑性功之间相互关系效果良好,两者呈非线性正相关关系。     

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。     

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。     

珊瑚砂接触面剪切颗粒破碎特性研究

珊瑚砂与结构物的相互作用广泛存在于岛礁工程中，由于珊瑚砂强度低、易破碎，在受到荷载作用时，容易发生颗粒破碎致使接触面力学特性更复杂。通过珊瑚砂-钢板接触面环剪试验，并使用石英砂进行对比，揭示了珊瑚砂接触面剪切后颗粒破碎演化及颗粒形貌变化规律。结果表明：在相同的条件下，珊瑚砂产生小颗粒的含量明显高于石英砂，0.5～1 mm和1～2 mm粒径的珊瑚砂分别存在300 kPa和200 kPa的临界竖向压力，当竖向压力高于临界压力时，竖向压力对PSD曲线的影响明显降低。珊瑚砂与石英砂破碎率均随竖向压力增大而增加，且分别与竖向压力呈指数函数关系和线性关系。剪切后颗粒形貌由不规则向圆形发展，且竖向压力较大时，珊瑚砂与石英砂整体上颗粒形貌比较接近，都更趋于圆形。     

荷载历史对砂土最大剪切模量影响的共振柱试验研究

 利用共振柱的非共振模式对干砂试样施加先期动荷载,系统研究先期循环次数、预荷载频率、动预应力比、密实度、制样方法、先期剪切模式及围压静置时间等因素对砂土最大剪切模量的影响。试验结果表明：当先期循环次数小于某一阈值时,最大剪切模量随循环次数的增大而衰减;当达该阈值时,模量衰减率可达20%以上;之后,随循环次数增大而增长。最大剪切模量随循环次数的衰减程度随预荷载频率、动预应力比及砂土密实度的增大而减小,但其定性规律不受制样方法及先期剪切模式的影响。经历先期动荷载后,砂土最大剪切模量随围压固结时间的增长率仍很小,但较新鲜试样略大。砂土最大剪切模量随先期循环次数的变化关系是砂土结构密实化、土粒磨损作用、颗粒再定向或颗粒配位数定向共同影响的结果。     

中国南海吹填岛礁原状钙质砂蠕变特征初探

南海岛礁吹填工程是我国的战略性工程,岛礁顶部的吹填陆域主要由珊瑚钙质砂组成。已有的研究表明,珊瑚钙质砂在恒定荷载长期作用下会产生蠕变变形。作为各种岛礁结构物的地基材料的钙质砂,其长期蠕变行为会对岛礁结构物的长期沉降变形产生影响。因此,研究南海岛礁珊瑚钙质砂的长期蠕变特征具有重要的工程意义。对取自我国南海某岛礁的原状级配珊瑚钙质砂开展了室内饱和三轴排水蠕变试验(围压100 kPa),研究其长期蠕变特征。试验结果表明,珊瑚钙质砂的蠕变为衰减型稳态蠕变,不同应力条件下的蠕变–时间曲线在双对数坐标中均为直线,可以采用幂函数进行描述;且同一密实程度的钙质砂在不同偏应力作用下蠕变直线族基本平行,直线斜率与偏应力量级无明显关系。钙质砂蠕变阶段的体积变化趋势受蠕变之前试样的体积收缩是否充分完成控制。研究发现Mesri蠕变数学模型可以很好地描述珊瑚钙质砂的应力–应变–时间关系,最终的蠕变变形和应力水平q/(σ1-σ3)f呈现出高度线性正相关关系。试验前后颗粒筛分发现,低围压下钙质砂蠕变过程中颗粒破碎极不明显,表明珊瑚钙质砂在低围压条件下其蠕变变形主要是由颗粒间滑移、错动、重排列引起。     

基于粒度熵概念的贝壳砂颗粒破碎特性描述

对取自福建莆田湄洲湾海域的贝壳砂进行了不同围压、不同相对密度下的三轴排水剪切试验,同时考虑了尺寸效应的影响。依据试样试验前后粒径分布资料,在统计熵概念基础上提出颗粒破碎粒度熵模型对其破碎率进行了度量,并与Hardin颗粒破碎模型进行了比较,结果表明：贝壳砂颗粒破碎率与围压、相对密度及试样尺寸均有关系,在相同试验条件下,贝壳砂颗粒破碎程度随着试样尺寸的增加而增大,随着围压的增加而增大;当相对密度较低时,颗粒破碎率呈增大趋势;相对密度增加到较高值时,颗粒破碎程度减弱;贝壳砂三轴压缩前后的级配曲线均可以通过粒度熵模型参数表征,其中相对基础熵参数（NB）较好地反映了颗粒破碎程度大小,破碎率愈高,NB值愈小,NB与Hardin破碎率存在显着的线性关系。贝壳砂颗粒破碎粒度熵参数能较好地描述其颗粒破碎行为,为岩土介质材料的颗粒破碎分析提供了一个新的量化指标。     

考虑破碎的堆石料二维颗粒流数值模拟

堆石料在外力作用下极易发生破碎,基于单颗粒破碎机制,依靠生成的颗粒簇单元克服刚性圆形颗粒模拟堆石料颗粒不能破碎的缺陷,采用线性接触模型建立堆石料颗粒破碎的数值模型。模拟室内平面应变试验,分析堆石料在整个加载过程中内部接触力、微裂纹和各种能量的变化,探讨堆石料颗粒破碎的内在机制。研究表明:颗粒簇生成的数值试样通过内部黏结力断裂更能真实反映堆石料颗粒破碎;堆石料颗粒破碎首先发生在大粒径和接触力较大的颗粒,并逐步向最大压应力方向发展,最终试件内部产生剪切破裂滑动面;在整个加载过程中,堆石料的剪切微裂纹数大于拉伸微裂纹数,颗粒破碎主要以剪切破坏为主,峰值点附件产生大量颗粒破碎;小变形情况下,总输入能以弹性应变能的形式储存在颗粒簇内部颗粒间接触,大变形情况下,弹性应变能以储存-释放的形式转换其他形式耗能,并导致其他形式耗能增加。研究成果可为研究堆石坝体变形提供参考。     

饱和破碎岩石压实变形特性的试验研究

破碎岩石的变形性质是影响采空区覆岩垮落与地表沉陷的重要因素。利用一种专门的破碎岩石压实试验装置,在MTS815.02岩石力学试验系统上完成了饱和破碎岩石压实过程中的变形特性测定,得到了煤、页岩和砂岩3种岩样压实过程中的应力–应变关系,分析了粒径和强度对破碎岩石应力–应变特性的影响。研究结果表明:破碎岩石在压实过程中应力与应变之间近似呈指数关系;在相同的应力状态下,岩块强度越高试样应变越小;大粒径试样在加载初期应变增长率小于小粒径试样的应变增长率,随着应力的增加,大粒径试样的应变增长率大于小粒径岩样的应变增长率;饱和破碎岩石在相同的应力状态下的应变明显比在自然含水状态下大。     

干湿循环效应下裂隙性黄土单轴压缩力学特性

通过系统开展干湿循环效应下裂隙性黄土的单轴压缩试验,对干湿循环效应下裂隙性黄土的裂隙演化规律与单轴压缩力学特性进行了深入探讨。结果表明:不同倾角试样表面裂隙率R_sc与分形维数D_f均随干湿循环次数增加逐渐增大,但增速逐渐减缓;干湿循环效应对裂隙性黄土单轴压缩应力 应变曲线的类型及特征无显著影响;应力 应变曲线的初始斜率随干湿循环次数增加逐渐降低;不同倾角试样单轴压缩应力-应变曲线均表现为软化型,其中45°倾角试样的应力 应变曲线表现出“双峰”变化规律;不同倾角试样单轴抗压强度均随干湿循环次数增大表现出减速衰减特征;不同干湿循环次数下裂隙性黄土单轴抗压强度与裂隙倾角关系曲线均呈现出“双V”变化特征。