基于对数几率回归模型的粗颗粒土颗粒破碎过程演化研究

掌握粗颗粒土颗粒破碎过程演化具有重要的现实意义,但已有研究未能对颗粒级配的演化中间过程进行预测。为弥补粗颗粒土颗粒破碎演化中间过程预测研究的不足,引入存活概率与破碎概率比值,采用对数几率回归方法,建立了基于对数几率回归的颗粒级配曲线演化模型,分析了模型参数的敏感性。基于所建立的演化模型,推导了相对颗粒破碎指标的数学计算公式,并讨论了土体颗粒破碎的有界性。最后,基于已有试验数据进行了模型的应用分析。应用结果显示:模型预测值与实测值吻合,论证了基于对数几率回归预测模型与相对破碎率预测值公式的合理性。该研究成果将有助于对粗颗粒土材料颗粒破碎演化中间过程的理解。     

基于对数几率回归模型的粗颗粒土颗粒破碎过程演化研究

掌握粗颗粒土颗粒破碎过程演化具有重要的现实意义,但已有研究未能对颗粒级配的演化中间过程进行预测。为弥补粗颗粒土颗粒破碎演化中间过程预测研究的不足,引入存活概率与破碎概率比值,采用对数几率回归方法,建立了基于对数几率回归的颗粒级配曲线演化模型,分析了模型参数的敏感性。基于所建立的演化模型,推导了相对颗粒破碎指标的数学计算公式,并讨论了土体颗粒破碎的有界性。最后,基于已有试验数据进行了模型的应用分析。应用结果显示:模型预测值与实测值吻合,论证了基于对数几率回归预测模型与相对破碎率预测值公式的合理性。本文研究成果将有助于对粗颗粒土材料颗粒破碎演化中间过程的理解。     

基于Weibull分布的红砂岩颗粒崩解破碎演化规律

红砂岩在我国分布广泛,由于含水量的变化使其崩解破碎十分显著。采用湖南株洲地区的红砂岩样,进行室内静态与扰动崩解试验。基于Weibull分布建立了红砂岩颗粒崩解破碎级配曲线演化模型,分析了模型参数λ与k的意义,分析表明,Weibull分布参数λ与k的大小及变化速率体现了红砂岩颗粒崩解破碎的演化过程。在建立模型的基础上,求得了相对崩解比的计算公式,并验证了计算公式的正确性。依据试验结果与模型计算值,讨论了耐崩解性指数与崩解比的异同及所采用试验方法的不同对试验结果造成的影响。在已有成果的基础上,验证了Weibull分布模型应用于岩石颗粒崩解破碎演化过程的可行性。     

基于Weibull分布的红砂岩颗粒崩解破碎演化规律

红砂岩在我国分布广泛，由于含水率的变化使其崩解破碎十分显著。采用湖南株洲地区的红砂岩样，进行室内静态与扰动崩解试验。基于Weibull分布建立了红砂岩颗粒崩解破碎级配曲线演化模型，分析了模型参数λ与k的意义。分析表明，Weibull分布参数λ与k的大小及变化速率体现了红砂岩颗粒崩解破碎的演化过程。在建立模型的基础上，求得了相对崩解比的计算公式，并验证了计算公式的正确性。依据试验结果与模型计算值，讨论了耐崩解性指数与崩解比的异同及所采用试验方法的不同对试验结果造成的影响。在已有成果的基础上，验证了Weibull分布模型应用于岩石颗粒崩解破碎演化过程的可行性。     

粗颗粒土的静止土压力系数非线性分析与计算方法

确定静止土压力系数在土压力计算中非常重要,但是粗颗粒土的静止土压力系数非线性特征长期被忽视,专门研究其非线性特征具有重要现实意义。为弥补粗粒土K0非线性研究的不足,分析了粗颗粒土的静止土压力系数非线性特征。基于邓肯?张模型的应力?应变增量关系,引入邓肯?张模型参数,建立了静止土压力系数数学公式。同时,提出了粗颗粒土静止土压力系数非线性计算方法,并对公式参数敏感性进行了分析。基于K0试验数据和数值试验结果,对粗颗粒土静止土压力系数非线性计算方法进行了应用分析。应用结果表明：K0预测值与K0实测值吻合,所提出的非线性K0计算方法可用于粗颗粒土K0计算。通过与Jaky公式的结果的对比分析,讨论了初始应力条件对粗颗粒土静止土压力系数非线性计算结果的影响。该研究成果有助于加深对土体静止土压力系数非线性的理解,并为粗颗粒土静止土压力系数计算提供参考。     

粗颗粒土的应力应变特性及其数学描述研究

大型三轴试验研究了粗颗粒土的应力应变特性及邓肯-张模型的适用性。试验结果表明粗颗粒土表现出明显的低围压下体胀高围压下体缩的体变性质,邓肯-张模型在描述粗颗粒土的体变特性方面存在不足。基于试验结果提出了新的体变描述公式,在未增加模型参数的条件下提出了邓肯-张模型的改进模型。采用改进模型对多种粗颗粒土三轴试验结果进行了预测,结果初步表明改进模型能够更好地模拟粗粒土的体变特性。     

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。     

考虑颗粒破碎引起级配演变的道砟边界面本构模型

道砟即使在低围压下也会产生颗粒破碎,从而改变其原始级配。级配作为道砟的一个重要物理特性,显著地影响着道砟本身物理、力学特性。建立可以反映颗粒破碎引起级配演变的本构模型至关重要。基于Einav的分形破碎指标和土体边界面塑性理论,通过分析道砟三轴试验结果,尝试建立了低围压下可以反映颗粒破碎引起级配演变的道砟边界面本构模型。与试验结果对比发现:模型可以较好地反映道砟在低围压下的应力-应变特性;同时,可以对加载过程中颗粒破碎引起的级配演变进行合理的预测。     

考虑颗粒破碎引起级配演变的粗粒料屈服函数研究

级配作为粗粒料的重要物理特性,显著影响着粗粒料本身的力学性质。准确预测土体在加载过程中的级配演变,是有效分析土体结构全寿命周期强度和变形特性的基础。引入Einav的分形破碎理论,认为土体在加载过程中的颗粒破碎耗能增量正比于颗粒分形破碎率增量,结合考虑颗粒破碎的能量平衡方程,选取已有文献中的试验数据,对粗粒料加载过程中的级配演变进行了研究,提出了一种预测试样加载过程中级配演变的方法。在此基础上,建立了一个可以反映粗粒料级配演变的屈服函数,对该屈服面函数进行了初步探讨。每一个屈服面对应土体的一个级配演化曲线;屈服面是土体剪切应变的等值面,屈服面的轨迹和剪应变大小密切相关。     

多尺度内聚颗粒模型破碎过程研究

岩石破碎过程涉及到多个变量（应力、应变和孔隙率等）变化和裂纹的产生、拓展和聚集,是研究岩石破碎机制的重要途径。为了克服现有研究中岩石颗粒模型未考虑岩石内部特征问题,针对岩石内部颗粒非均匀分布、聚集的特点,开展了岩石轴压破碎试验和岩石岩相分析试验,并在此基础上,构建符合真实岩石内部特征的多尺度内聚颗粒模型。根据离散元的颗粒黏结模型（BPM）理论,求解了多尺度内聚颗粒模型不同粒级颗粒间黏结键的力学关系,发现与二级颗粒形成的黏结键断裂判据为 ≥ 2 GPa,三级颗粒之间形成的黏结键断裂判据为 ≥ 6 GPa,并基于该判据建立了用于模拟颗粒模型破碎的演化模型。通过模拟轴压破碎试验,破碎演化模型可以从细观角度得到颗粒模型各颗粒间黏结键承受力的实时变化和岩石破碎过程中黏结键从外而内的断裂顺序;从宏观角度得到岩石内部裂纹呈V形从上表面两端延伸并相交于岩石中部。通过与岩石轴压破碎试验结果对比发现,模拟试验得到的岩石裂纹特征与岩石轴压破碎试验结果相似,验证模型的可靠性,实现了从细观和宏观角度分析岩石破碎过程。     

颗粒破碎的三维离散元模拟研究

采用PFC等离散元方法研究岩土材料的颗粒破碎已经成为热点。采用考虑局部应力集中的点荷载破碎准则,利用阿波罗填充和膨胀法保证破碎前、后颗粒之间的种群平衡,并引入尺寸因子来表征不同粒径的颗粒强度。在此基础上,开展了石英砂、钙质砂和萨克拉门托河砂3种不同破碎难易程度材料的数值试验,并与室内试验结果进行对比。结果表明:建立的三维颗粒破碎模型能够很好地描述破碎难易程度不同的颗粒材料的压缩特性;考虑应力集中效应的点荷载破碎准则比基于平均应力Mohr-Coulomb理论的颗粒破碎准则更能真实地反应颗粒材料的破碎现象。同时,所建立的模型能够揭示破碎对颗粒材料各向异性消散和级配曲线演化的影响规律。     

粗粒料颗粒破碎数值模拟研究

粗粒料在外力作用下存在明显的颗粒破碎特性,研究颗粒破碎过程是当前研究的热点问题之一。基于粗粒料单颗粒破碎机制,考虑单颗粒破碎强度与直径的变化规律,采用非线性接触H-Z模型和密度控制法建立了粗粒料颗粒破碎数值模型。开展粗粒料双轴剪切试验数值模拟研究,并与室内试验结果进行对比分析。研究表明：建立的粗粒料颗粒破碎数值模型能够较好地模拟粗粒料偏应力与轴向应变和体积应变与轴向应变的关系;数值模拟获得的粗粒料颗粒破碎率与室内试验结果基本一致;去除试样制备过程和固结过程引起的颗粒破碎,不同围压条件下的颗粒破碎率归一化后基本重合,且可以近似地采用双曲线函数进行拟合。颗粒破碎率随着围压的增大,逐渐增大,试验级配趋于Einav提出的颗粒破碎的最终级配（分维数等于2.6）     

考虑颗粒强度尺寸效应的原型堆石料破碎特性研究

高土石坝中,堆石体颗粒破碎是导致坝体变形的主要因素之一。但是由于原型坝料的颗粒尺寸较大,其破碎程度难以直接通过室内试验度量,因此通常要将原型级配缩尺为60 mm以下的小粒径级配堆石料,然后才能进行室内试验。而由于原型和试验级配差异较大,导致试验测得的参数往往和原型坝料实际参数有较大差异,因而影响了原型坝料力学特性的深入研究。这里提出了一种新的实时预测原型坝料破碎的方法。首先在颗粒尺度上,基于单粒强度的Weibull分布理论和颗粒分形破碎理论,阐述了原型堆石料级配演化的推求过程;然后通过单粒强度试验测得了相关参数,并与三轴试验测得的试样级配曲线对比,验证了参数选取的合理性;之后分析了颗粒强度离散程度对于原型坝料级配曲线形状的影响;最后,讨论了加载过程中原型级配和试验级配堆石体的相对破碎参量和受力状态的关系。     

基于尺寸效应的粗粒土单颗粒破碎试验及数值模拟

在外荷载等因素作用下,粗粒土易发生颗粒破碎。对泥岩和砂岩颗粒进行了一系列的单颗粒破碎试验,基于尺寸效应和颗粒破碎分形模型,研究了单颗粒破碎强度、破碎能量及Weibull模量等与分形维数间的关系。利用PFC3D对单颗粒破碎过程进行分析,并与试验数据对比,验证了数值程序的可靠性;随后扩展到大颗粒粒径,分析了其单破碎强度及破碎能量。结果表明：在同类试验条件下,不同材料所得的分形维数是不同的;不同粒径砂岩的破碎程度均大于泥岩;单颗粒破碎强度具有明显的尺寸效应;单颗粒破碎强度与破碎能量均可通过分形维数与颗粒粒径预测得出;修正后的Weibull模量也可通过分形维数得出;数值模拟结果与试验结果及预测结果基本一致;大颗粒粒径单颗粒破碎强度模拟结果与预测结果基本一致,破碎能量稍有差异,需进一步试验验证。研究成果可为获取大粒径粗粒土的单颗粒强度与变形特性提供参考。     

单一粒径组颗粒材料破碎规律及破碎极限研究

岩土材料颗粒破碎演化规律是颗粒破碎过程复杂性的集中体现,对单一粒径组颗粒材料破碎规律的研究是进行多粒径组颗粒材料破碎规律的基础。从概率统计角度入手,先对前期研究中所提出的描述单一粒径组颗粒材料破碎规律的3个参数-破碎概率p、破碎状态参数a、b的演化规律进行了研究。通过对3组不同类型（不同试验材料、试验类型）的试验数据的研究,发现随着破碎的发展3个参数趋于定值,表明破碎极限的存在。基于上述研究,最后提出了计算单一粒径组颗粒材料破碎极限的方法,分别得到了3组试样的最终分形维数分别为2.3、2.34、2.28。     

考虑破碎的堆石料颗粒流数值模拟

以双江口300 m级高土石坝为工程背景,根据有关资料的试验数据,利用二维颗粒流计算机仿真技术对堆石料在一定围压下的颗粒破碎情况进行了数值模拟,数值试样由2 574个簇颗粒单元组成。数值模拟与室内平面应变试验结果对比表明,用选定的细观参数进行数值模拟与平面应变试验结果基本一致,说明用颗粒流方法进行数值模拟能够较好的再现堆石料的颗粒破碎特性。与室内试验相比,数值仿真模拟还能得到颗粒破碎的细观演化规律和破碎带的分布范围,从而为进一步建立考虑颗粒破碎的堆石坝本构模型,研究大坝填筑、水库蓄水过程以及地震情况下的颗粒破碎过程以及颗粒破碎所引起的坝体变形提供了一条途径。     

考虑颗粒破碎影响的粗粒土本构模型

颗粒破碎直接改变了粗粒土本身结构,对粗粒土的剪胀、内摩擦角、峰值强度、渗透系数都会产生影响。为了能够准确地描述粗粒土的应力-应变关系,特别是高应力条件下出现显著颗粒破碎时的应力-应变关系,亟待建立考虑颗粒破碎的粗粒土本构模型。根据三轴试验数据,建立考虑颗粒破碎耗能的应力-应变关系,采用相关联流动法则导出考虑颗粒破碎的粗粒土本构模型。所建立的本构模型考虑了颗粒破碎对粗粒土剪胀、内摩擦角的影响。通过变异粒子群优化算法确定模型参数,拟合试验曲线。模型计算结果与试验曲线拟合较好,能够很好地描述粗粒土在不同围压下的体积剪胀、剪缩和应力硬化、软化现象。     

考虑颗粒破碎影响的粗粒土本构关系

粗粒土在较大的应力条件下容易产生颗粒破碎现象,而现有的大多数模型都没有考虑剪切过程中的颗粒破碎。模型将塑性功引入土体受力变形过程的能量方程中,推导得到土体流动法则。采用直线型屈服轨迹和非相关联流动法则,利用不排水应力路径计算得到硬化函数,建立了一个考虑颗粒破碎的粗粒土本构模型。对比分析表明：该模型对粗粒土在各种围压下的应力-应变和体应变计算结果与试验曲线吻合较好。     

基于土颗粒级配预测非饱和渗透系数函数的物理方法

针对非饱和渗透系数函数研究中引入未知经验参数会降低预测可靠度的问题,对土样颗粒级配曲线上划分的粒组分别构建形如立方体的天然土颗粒集合体与理想球体颗粒集合体。通过分析两者的几何特征和物理性质,提出计算土孔隙半径的理论表达式;将每个粒组对应的孔隙简化为理想圆柱形孔隙,基于天然土孔隙与理想孔隙内水分流量的相似关系,结合Hagen-Poiseuille公式,构建预测非饱和渗透系数函数的物理方法。依据非饱和土水力特性数据库UNSODA中8个典型土样的持水试验结果验证了孔隙半径表达式在表征土孔径分布时的合理性。结合该数据库及已有文献中26个土样的非饱和渗透试验结果对物理方法进行了验证,通过计算非饱和渗透系数预测值与其实测值之间的相关系数发现其在0.703～0.999范围内变化,并对土样非饱和渗透系数与体积含水率关系的形态和吻合度描述较好,为研究土的非饱和渗透特性提供了一种无需引入未知经验参数的新方法。     

粒状材料的强度与变形

颗粒破碎的特征表明,颗粒破碎具有分形特征,是影响粒状材料变形与强度的主要因素,根据颗粒破碎的分形模型可以建立粒状材料的变形与强度理论。假定粒状材料是均匀的D维分形体,由此导出粒状材料的抗张强度公式,并用来估算颗粒在给定压力下的破碎几率。颗粒破碎增加了单位体积颗粒的表面积,即颗粒的比表面能量增加,根据颗粒破碎过程中的能量守恒导出粒状材料一维压缩变形的表达式。