软弱破碎围岩分次压实力学特性试验分析

由于煤矿再生岩体围岩结构和成分进行了重组,其力学特性将发生本质变化。根据再生岩体压实成岩过程中破碎岩体多次受压的实际情况,采用广西州景煤矿再生顶板破碎围岩进行有侧限条件的分次压实试验。结果表明:分次压缩过程可分为压实破碎、压实应力记忆和压密固结3个阶段。在第1次压缩时,压实特性曲线呈线性变化,后续压实特性曲线逐渐向指数形式转变,而"压实应力记忆"阶段表现为多项式变化。在侧限压缩条件下,提出以最小势能原理作为判定不规则岩样挤压破碎判据。破碎岩样压缩特性受压实次数和装岩高度的影响,破碎岩样分次压实次数越多,累积压缩应变越大,后续压缩时的应力增量越大。装岩高度越大,压缩至相同压应力时,累积总应变越大。压实应力达到一定程度,不同粗粒径破碎岩样的粒径分布规律趋于一致,据此建立了破碎岩样粒径分布与工程中破碎岩体压实程度之间的相关关系。     

不同渗透力的类充填体力学特性及损伤软化本构模型研究

通过离心试验产生的渗透压力对试样进行模拟,开展单轴压缩力学试验来研究渗透力对充填体力学特性的影响,且对充填体试样的变形特性随渗透压力变化的规律进行讨论。研究结果表明,随着渗透力增大,试样应力-应变曲线压密阶段的区间先减小后增大,弹性阶段的区间缩小,屈服阶段不明显。试验过程从低渗透压力到高渗透压力,试样的破坏模式依次表现为拉伸破坏、剪切破坏,且产生的裂纹数目增多,形态趋于复杂。在力学试验的基础上,考虑到试样压密阶段的应力-应变关系,建立不同渗透力的充填体试样损伤软化本构模型。验证结果显示,理论曲线和试验曲线高度吻合,该本构模型适用于分析不同渗透力的充填体单轴压缩力学问题。该研究为超重力离心模拟和地下渗流试验开展提供参考。     

深埋沉管隧道基础碎石垫层变形特性试验研究

沉管隧道基础往往采用条带垄沟状先铺碎石垫层,该碎石垫层作为桩基与沉管结构传力构造的工程经验极少,为了解碎石垫层在工程荷载下的变形特性、传力机制及垄沟尺寸,及结构水平移动、回淤、垄沟偏位、桩顶倾斜等工程因素对其的影响等方面进行了物理模型试验研究。研究表明：（1）碎石级配的选择应同时考虑压缩模量、孔隙率、粒径等多种因素,过小粒径级配不适宜用于基础垫层;（2）垄沟的存在会大幅降低碎石垫层的压缩模量,压缩主要是由压密变形和垄沟导致的碎石颗粒侧向“挤出”造成;（3）支撑桩段碎石垫层的极限承载能力约为480 kPa,碎石垫层作为桩顶传力构造,受力变形机制复杂,个别影响因子十分敏感,需采取措施控制桩顶应力水平在碎石垫层极限承载能力范围内。     

基于颗粒流程序的真三轴应力状态下堆石体的变形和强度特性研究

采用三维颗粒流程序,模拟了堆石体的真三轴试验,不仅研究了堆石体在三维应力条件下的宏观应力变形特点,而且将细观与宏观参数联系起来,进一步完善了对堆石体的研究。试验过程采用等中主应力比路径加载。通过比较堆石体真三轴颗粒流模型试验和室内真三轴试验结果,表明颗粒流程序能较好地模拟堆石体的力学特性。颗粒流数值试验结果表明,中主应力对堆石体在三向应力状态下的强度和变形特性均有显著的影响。应力比参数b从0～1变化过程中,中主应力面先压缩后膨胀,小主应力面一直处于压缩状态;中主应力对内摩擦角、弹性模量和泊松比也均有影响。从细观上看,围压越高,b值越大,颗粒配位数越大,孔隙率越小,故从细观角度解释了堆石体的宏观应力变形现象。     

矿物粒径对花岗岩单轴压缩特性影响的试验与模拟研究

高放废物深部地质处置目前受到世界各国的高度重视。花岗岩是我国高放废物地质处置工程的候选围岩,深入了解处置库花岗岩的强度及破坏特性对于处置系统的设计及性能评价具有十分重要的意义。作为矿物颗粒的集合体,花岗岩是一种由石英、长石和黑云母等矿物组成的非均质岩石,矿物粒径对其宏观力学特性影响明显。以我国高放地质处置库预选区阿拉善花岗岩为例,选取矿物粒径差异明显的似斑状花岗岩和中粒花岗岩两类岩石,采用单轴压缩试验与数值模拟相结合的方式研究了矿物粒径对岩石力学特性的影响。单轴压缩试验在MTS815岩石力学试验系统进行,数值模拟采用基于离散元的颗粒流程序PFC2D完成。数值模拟过程中,以试件表面图像为基础,采用数字图像处理技术获取岩石内部矿物组分的实际空间分布,从而建立了精确反映花岗岩内部矿物种类及其空间位置的数值模型。利用该模型对花岗岩的单轴压缩试验进行了数值模拟,并与试验结果对比,论证了模型的可靠性。试验及模拟结果表明,阿拉善花岗岩破坏形式为脆性张拉破坏,裂纹大多平行于轴压方向,数字图像数值分析方法可真实地反映材料细观结构。矿物粒径对材料力学特性的影响主要表现为:细粒、等粒结构的岩石强度高,粗粒、不等粒结构的岩石强度低。研究成果可为掌握矿物粒径对岩石强度及变形特性的影响提供依据。     

不同级配陷落柱充填体力学特征实验研究

为研究不同颗粒级配陷落柱充填物在不同固结荷载下的力学特性,基于土工固结试验制备不同状态下的相似模拟充填体试样,通过充填体在不同状态下的三轴加载实验、压汞及扫描电镜实验,研究了陷落柱充填体三轴应力状态下的力学特征及微观结构演化机制。结果表明：充填体具有明显的塑形特征,其应力-应变曲线可以划分为4个阶段：孔隙压密段、稳定变形段、变形破坏段和类蠕变阶段。充填体偏应力随Talbol指数n呈先增加后减小的趋势,充填体三轴抗压强度与Talbol指数之间符合二次多项式关系,均满足较高的拟合度并且偏应力强度达到最优的Talbol指数分别为0.71、0.65和0.64;偏应力随着固结荷载的增加而线性增加,增长率随着固结荷载和Talbol指数的增加呈逐渐减小的趋势。结合压汞和扫描电镜测试结果,固结荷载和Talbol指数的变化改变了颗粒间的接触状态,影响着岩土体试样的偏应力强度;随着Talbol指数的增加,充填体内颗粒间的相互作用增强,初始承受的外荷载比例增大,骨架结构效应更加显著,偏应力则主要来自岩土颗粒的接触应力集中。通过力学强度和微观结构特征研究在宏观和微观尺度上解释了充填体的颗粒级配效应提供参考。     

控制应力路径散体材料真三轴试验强度特征的离散元模拟与细观机制分析

通过一系列真三轴离散元数值试验,模拟了不同应力路径下的等b试验中散体材料的强度特征。根据模拟结果详细地分析了三维应力条件下中主应力和应力路径对散体材料峰值强度的影响,研究了峰值摩擦角、峰值应力比的变化规律,并根据真应力的概念和组构张量的演化结果分析了散体材料的强度成因。研究表明,在不同类型的数值试验中峰值偏应力随b参数的变化规律不同,但采用初始围压归一化后的应力-应变曲线规律一致。峰值强度线的斜率只与b值有关而与应力路径无关,且随着b值的增加,峰值应力比qf /pf逐渐减小,数值模拟结果与室内试验结果吻合较好;随着应变的发展,数值试样的组构也随之发生变化,产生了明显的应力诱发各向异性;散体的强度为颗粒摩擦及材料各向异性共同作用的结果;理论上,组构比-应力比坐标系中破坏点位置仅取决于颗粒摩擦角 ,而数值模拟结果与理论值的差异源于颗粒间咬合和滚动摩擦的影响,其影响与颗粒表面摩擦系数有关,也受空间应力状态的影响。     

压实花岗岩风化土物理力学性状试验研究

吕梁山脉东麓花岗岩风化土的工程类型与我国南方以及日本、韩国等地的花岗岩风化土有较大差别。为了对吕梁山压实花岗岩风化土的物理力学性状有较全面认识,通过常规土工试验、X射线衍射试验、大固结试验、大三轴试验等方法,对其击实特性、承载特性、变形特性、剪胀特性、强度特性等进行了分析。结果表明：黏土掺量对花岗岩风化土的击实特性和承载特性影响较大,存在两个不同的黏土掺量界限值（约8%和4%）,分别使得试样密实状态和承载能力处于最优;试样不存在膨胀潜势,无膨胀性,为低压缩性材料;压实花岗岩风化土颗粒破碎的特点导致试样二次加载→卸载压缩曲线存在两次明显塑性变形增大的现象;剪切时由于试样内部颗粒历经压密→错动→翻越→破碎的过程,导致不同围压下试样表现出不同的剪胀性;剪切过程中由于颗粒破碎的存在,使得试样表现出强度非线性特点。     

炭质页岩的颗粒破碎及其路用性能试验研究

为综合评估炭质页岩的路用性能,充分认识炭质页岩的颗粒破碎行为,测试了炭质页岩块在循环压实过程中各粒组含量的演化规律,结合室内击实试验阐述了颗粒破碎对炭质页岩击实性能的影响,确定了最佳填筑级配,并依据最佳级配进行三轴湿化变形试验,从颗粒破碎角度分析了炭质页岩填料湿化变形的变化规律,最后对炭质页岩现场填筑效果进行了验证。结果表明：炭质页岩压实过程经历结构调整、颗粒破碎、压缩变形3个阶段,形成的相对稳定级配结构为其用作路堤填料提供了基础;填料最大干密度形成机制受颗粒破碎过程中粒径为20～40 mm与粒径小于2 mm颗粒含量变化的影响较大,随粗料含量增加,试样相对破碎率线性增大,最大干密度呈先增大后减小变化,最优粗料含量约为70%;湿化变形是混合料颗粒破碎的外在表现,浸水湿化后混合料强度降低约40%,可采用相对破碎率 B_r 预估混合料遇水产生的湿化变形量,并建立了相对破碎率与围压、应力水平间的数学关系式;现场填筑过程中路堤压实度检测与沉降观测表明,炭质页岩路堤的最佳铺松厚度约为40 cm。     

堆石颗粒压缩破碎强度的尺寸效应

目前在颗粒材料的尺寸效应研究中,极少考虑颗粒的复杂形状和内部结构非均匀性。采用随机散粒体不连续变形分析方法(SGDD),引入无厚度界面单元和凝聚力模型模拟颗粒破碎,对5组不同粒径的堆石颗粒进行单颗粒压缩试验的数值模拟,分析了颗粒内界面单元强度对颗粒破碎的影响,并采用Weibull分布模型分析颗粒破碎强度的尺寸效应。通过与室内单颗粒压缩试验对比,试验的数值模拟能真实地再现单颗粒压缩下的破碎过程,不同颗粒的压缩曲线规律相似,达到峰值荷载前,承载力曲线急剧上升,随后颗粒发生致命破碎,承载能力骤降。不同粒径组的单颗粒破碎强度均服从Weibull分布,平均Weibull模数为2.48。不同粒径组的颗粒特征强度存在明显的尺寸效应,特征强度随着颗粒尺寸的增大而减小,与颗粒尺寸呈幂指数关系,但小于Weibull模型的预测值。     

粗粒土渗透损伤特性试验研究

为深入认识渗透变形对粗粒土渗透性及压缩性的影响,利用自主研发的加载式大型渗透变形仪对不同级配的粗粒土试样进行渗透变形全过程试验及侧限压缩对比试验,获得了不同试件产生渗透变形的临界水力梯度、渗透系数演化规律及损伤变化特性。研究成果表明：渗透变形过程中渗流路径中下游部位产生了渗透挤密效应,引起局部渗透性降低;在后期增加的水头作用下,先前产生渗透挤密部位的渗透性逐渐增大。试样产生渗透变形后,压缩模量减小;颗粒级配不同,渗透破坏引起的压缩损伤程度亦不相同。试件产生渗透变形后,在重力和渗透力作用下,试件结构将产生重构现象。     

回填块石土强夯施工工艺的确定及设计优化

以华能莱芜电厂百万机组“上大压小”扩建工程填方区回填块石土强夯地基处理试夯试验为例,比对2个试夯分区采用不同施工工艺施工的质量差别及处理效果,据此查明强夯法的施工质量,确定强夯有效加固深度、土的密实度、变形参数和地基承载力等。根据场地夯填厚度,选取合适的虚填厚度及相应的施工工艺,确定最终施工方案,进一步提高强夯地基处理效果,为最终确定大面积施工所采用的施工工艺提供依据。     

布筋尾砂胶结充填体顶板力学性状试验研究

胶结充填体顶板的稳定性是决定下向分层胶结充填回采断面尺寸的主要因素,结合武山铜矿工程实际,采用相似模拟与现场监测手段,研究了下向分层胶结充填法充填体顶板的破坏模式、变形特征、充填体内钢筋受力特征等。相似模拟试验结果表明,钢筋布置方式不影响顶板的最终破坏形式,竖直布置钢筋与水平布置钢筋相比,更有利于提高顶板整体稳定性。应变监测结果表明,充填体顶板应变状态十分复杂,与通常将下向胶结充填体顶板简化为梁的计算结果有较大不同,垂直方向上应变表现为拉伸应变,而沿分条和垂直分条方向应变均呈现拉、压交错变化。在竖直布置的8根钢筋上布置了24个钢筋测力计,得到了钢筋受力与开采时间的关系曲线,据此将钢筋受力划分为4个阶段,即起始受拉阶段、相对稳定阶段、拉压变化阶段、承载阶段,其中承载阶段钢筋首先承受最大压力,充填体暴露为顶板后,钢筋由受压状态变为受拉状态,并急剧上升到最大拉力,即表现出悬吊作用,并且,进路与分条连接处钢筋承受拉力最大。     

饱和级配破碎泥岩压实与粒度分布分形特征试验研究

通过饱和级配破碎泥岩的压实试验,得到了不同级配下试样轴向位移和粒度分布分形维数随轴向应力变化曲线,分析了Talbol幂指数对饱和破碎泥岩压实变形与粒度分布的影响规律,建立了一种饱和破碎泥岩压缩模量与轴向应力的关系式。试验结果表明,饱和破碎泥岩的压实过程可分为2个阶段,即0~4 MPa的快速变形阶段和4 MPa后的缓慢变形阶段。其中,约80%的变形发生在快速变形阶段。轴向位移、压缩模量与粒度分布分形维数均可用轴向应力的指数函数拟合。相同轴向应力下,Talbol幂指数越大,试样轴向位移越大,粒度分布分形维数越小。轴向应力大于8 MPa后,各级配试样的粒度分布分形维数相差很小,且随着轴向应力的进一步增大,各级配试样的分形维数差异将继续减小,最终,分形维数将趋于一致。在加载初期,试样压实变形主要以岩石颗粒移位为主;而在加载后期,试样的压实变形则以颗粒破碎为主。     

基于分形理论的堆石料级配优化研究

建立颗粒粒径的质量分布分形模型,收集不同堆石坝工程32条堆石料级配曲线,统计分形维数D的分布特性。各堆石坝工程堆石料级配具有良好的分形特性,可考虑将D作为反映和描述堆石料级配特性的新指标,D在2.348～2.699之间,大多数堆石料的分形维数在2.6左右。以古水垫层料为研究对象,设计了6组不同分形维数的级配曲线,采用随机颗粒不连续变形方法（SGDD）研究不同分形维数对堆石料压实性能和宏细观力学特性的影响。分形维数从2.0到2.8,孔隙比呈先减后增趋势,在D =2.7时压实性能最优,而力链的非均匀程度随分形维数的增大而增大。综合考虑试样压实性和力链的非均匀程度,确定D =2.7时的级配为优化级配。     

颗粒材料剪胀性的微观力学分析

剪胀性是颗粒材料在加载过程中表现出来的重要变形特性。以孔隙胞元描述颗粒材料内部结构的最小单元,通过对单个孔隙胞元进行剪切受力分析,探讨了剪切过程中颗粒材料体积的改变对应力比和单个孔隙胞元形状的依赖关系,解释了排列密实的颗粒材料在剪切过程中先压缩后剪胀的微观机制。用离散元数值模拟得到了在双轴剪切过程中单个孔隙胞元形状以及孔隙胞元体积变形的演化过程。离散元数值结果表明,加载过程中孔隙胞元形状由初始各向同性到沿大主应力方向变大变长、体积变形先压缩后膨胀,并且体积变形在加载过程中存在局部化现象,体积变化大的孔隙胞元在较大变形时,排列成倾斜的窄带。综合孔隙胞元的受力分析和离散元数值结果表明,致密排列颗粒材料的剪胀性与微观尺度上孔隙胞元的几何结构及其内部的力链传递方式密切相关。     

TBM隧道回填层-管片受力特征模型试验研究

回填层作为围岩和管片之间的连接部分,起到稳定衬砌、传递荷载、吸收变形等作用。护盾式TBM隧道施工过程中,回填层存在未注浆松散、注浆固结两个主要状态。回填层状态不同,回填层作用及管片受力特点也不同。研究采用相似模型试验分析不同状态下的回填层作用机制,通过研究得到了以下结论：回填层未注浆松散状态下,由于碎石的径向压缩与环向移动,围岩传递到管片上的荷载量值降低且分布较为均匀,此时回填层作为“可压缩层”,具有让压和均匀荷载的作用,能明显降低管片的受力和变形;回填层注浆固结后,回填层虽然能够承担少量的荷载与变形,但承载能力有限,主要作为围岩与管片之间的“传递层”,传递荷载与变形;对于挤压性围岩护盾式TBM隧道施工可适当应用回填层未注浆时的“可压缩性”,减小施工过程中管片受力与变形;对于浅埋及地铁隧道则应尽早注浆,使衬砌与围岩形成稳定的受力体系;回填层弹性模量的增加可提高回填层-管片组合体系支护刚度,但增加效果不明显。     

Micromechanical Modelling of Granular Materials: Effect of Particle Size and Gradation

In this paper the effects of maximum particle size, particle gradation/sorting and fabric on bulk mechanical behaviour of granular materials such as coarse grained soils and rockfills are investigated" from micromechanical considerations starting from the grain scale level, using numerical" simulations based on Discrete Element Modelling (DEM). Hydrostatic compaction and biaxial tests on 2-dimensional assemblies of discs with varying particle sizes and gradations were modelled using DEM. An examination of the constitutive behaviour of granular media considering" the particulate nature of the medium has been attempted to explain the effect of particle size and gradation. Simulation results on perfectly parallel graded assemblies indicate that with increase in the size of the particles, a marginal increase (or no increase) in the angle of internal friction is observed during biaxial loading conditions. A change to a wider gradation (keeping the minimum grain size the same) results in a decrease in the angle of internal friction and an increase in volumetric strain to a considerable extent. Based on micromechanical force and fabric parameters, the basis for the physical behaviour was established. This helps in understanding the physics of parallel gradation techniques.     

Role of particle crushing on particle kinematics and shear banding in granular materials

The paper provides an in-depth exploration of the role of particle crushing on particle kinematics and shear banding in sheared granular materials. As a two-dimensional approximation, a crushable granular material may be represented by an assembly of irregularly shaped polygons to include shape diversity of realistic granular materials. Particle assemblies are subjected to biaxial shearing under flexible boundary conditions. With increasing percentage of crushed particles, mesoscale deformation becomes increasingly unstable. Fragmented deformation patterns within the granular assemblies are unable to form stable and distinct shear bands. This is confirmed by the sparsity of large fluctuating velocities in highly crushable assemblies. Without generating distinct shear bands, deformation patterns and failure modes of a highly crushable assembly are similar to those of loose particle assemblies, which are regarded as diffuse deformation. High degrees of spatial association amongst the kinematical quantities confirm the key role that non-affine deformation and particle rotation play in the generation of shear bands. Therefore, particle kinematical quantities can be used to predict the onset and subsequent development of shear zones, which are generally marked by increased particle kinematic activity, such as intense particle rotation and high granular temperature. Our results indicate that shear band thickness increases, and its speed of development slows down, with increasing percentage of crushed particles. As particles crush, spatial force correlation becomes weaker, indicating a more diffuse nature of force transmission across particle contacts.