岩石颗粒破碎的尺寸效应

固体颗粒破碎强度的尺寸效应是一种普遍存在的现象,冰块、岩石颗粒、陶瓷和混凝土块等的破碎强度都表现出随颗粒直径增加而减小的现象,分形模型为解释固体颗粒破碎强度的尺寸效应提供了可行的方法。本文采用Steacy和Sammis分形模型模拟了岩石颗粒压碎特征,分析岩石颗粒破碎后的颗粒分布规律,给出颗粒破碎分维的确定方法,建立颗粒压碎强度与粒径的理论关系,颗粒破碎强度与颗粒粒径的关系用分维D表示为fdD-3。已有的颗粒破碎分布的数据表明,岩石颗粒破碎的分维大约为2.50～2.60,颗粒破碎强度符合用分维表示的尺寸效应。     

基于PFC2D岩石颗粒破碎强度和能量的分形模型

颗粒的破碎强度随着粒径的增大而减小,即颗粒破碎的尺寸效应,分形模型为解释固体颗粒破碎的尺寸效应提供了可行的方法。根据岩石颗粒破碎时的分形特征,采用Sammis破碎准则,通过模拟分析得出岩石颗粒破碎能量和强度的分形模型,建立和验证用分维D来表示岩石颗粒破碎的能量和强度准则,得出并验证了岩石颗粒破碎分维的确定方法。利用离散元软件PFC2D的黏结颗粒模型BPM（Bonded Particle Model）模拟了小孔隙率n=0.12和大孔隙率n=0.3,即密实和松散两种情况。其中小孔隙率采用在模型上添加小颗粒的新方法,分别做了400组粒径不等的数值模拟试验,从粒径与破碎强度、破碎能量之间的关系和应力-应变曲线3个方面进行了统计,验证了岩石颗粒破碎强度与分维D的理论关系为σ_f∝dD-3,并得出颗粒破碎时的能量和与分维D之间的关系为E_f∝dD-1。验证了分形理论在分析颗粒破碎的尺寸效应中的较好应用,为确定岩石颗粒的破碎强度和岩石堆砌体剪切强度提供新的方法和参考意见。     

岩石单颗粒压缩破碎的数值模拟分析

岩石颗粒破碎是影响粒状材料剪切强度和变形的最主要因素, 岩石颗粒破碎并不是想象的那么难, 像花岗岩颗粒有时在很小的压应力作用下就可以破碎。岩石单颗粒破碎的物理试验结果常常很离散, 完成大量单颗粒破碎的物理试验费时费力不现实, 采用离散单元法(Discrete element method, DEM)PFC软件模拟单颗粒压缩破碎试验, 既能克服单颗粒破碎物理试验的缺陷, 又能解决单颗粒破碎物理试验工作量大的难题, 是研究单颗粒破碎的理想选择。基于DEM的软件PFC2D, 将粒径为0.075～0.1245mm的基本粒子捆绑成不同粒径的单颗粒, 模拟岩石单颗粒压缩破碎试验, 观察颗粒破碎演化过程, 统计单颗粒破碎强度。计算单颗粒压缩破碎后颗粒分布的分维, 验证单颗粒破碎强度的分形模型和单颗粒破碎强度的尺寸效应。文中引用玄武岩单颗粒破碎试验结果, 与单颗粒破碎的离散单元模拟结果进行比较, 验证单颗粒破碎强度的尺寸效应和修正的Weibull理论的离散单元模拟结果。     

pH值对红土粒度成分影响的分形几何研究

红土是一种特殊土,其成分和结构决定了红土本身具有不同于一般粘性土的工程地质性质。红土中游离氧化铁的存在使土颗粒之间产生胶结,是土具有“假粉性”和“假砂性”特征的主要原因。研究发现,游离氧化铁含量和形态的改变,将直接影响红土颗粒的粒度分布。通过对不同pH值红土试样的颗粒成分进行测试,借助分形理论得到不同pH值红土粒度成分分维值。计算发现,不管是否在测试过程中采用分散剂,土粒度分维曲线上都存在两个无标度区。pH值的改变引起了土粒度分维的变化,随pH值的增大,土粒度分维值也变大,反应出土的细颗粒含量增加,土颗粒所形成的集合体越分散。土pH值的大小与粒度成分分维、游离氧化铁含量之间的内在联系,揭示出了红土中游离氧化铁对土颗粒胶结的本质。     

四川兴文二叠纪风暴稳流场颗粒运动的分形研究

颗粒是一种分形介质,其尺寸大到若干米,小到若干埃。通过颗粒系统各种密度函数的研究,可以得到微观方面—分形颗粒的粒径分布分维对系统的影响,对表征颗粒流动性具有重要意义。根据分形介质DLK反映模型的一级反映扩散方程,把布朗颗粒的运动及热力学理论推广到风暴流场,得到Γ(t)-D模型,此模型把颗粒径的分布分维和颗粒的空间坐标(或位移)、密度(或浓度)等总体微观统计特征,及经过空间某一位置的速度、粒径随时间的动态变化行为和颗粒流动的不均匀空间分布结构特征等丰富的信息为作我们研究颗粒运动提供重要的理论依据。     

珊瑚砂土在加载过程中颗粒滑移与孔隙分维变化特征

采用自行研制的加载装置,配装在光学体视显微镜下,观测了珊瑚砂土在加载过程中微结构的变化及颗粒滑移的全过程。通过图像处理分析仪对其孔隙变化进行了几何分维数的统计计算,得到砂土在加载过程中颗粒滑移与孔隙分维的变化特征。     

泥石流堆积物的粒度分布及其分形结构

泥石流堆积物主要由砾石、砂砾、粉粒和粘粒组成,组成泥石流堆积物的颗粒级配变幅很大,从直径大于数十米的巨砾到肉眼难以看见的几微米的胶体微粒均有分布,大小颗粒粒径之比可达106—107。泥石流堆积物颗粒具有明显的自相似性和无标度区间。本文以小江流域多处泥石流堆积物为研究对象,采用图解法全面分析了泥石流堆积物的粒度组成特征,根据分形理论计算了泥石流堆积物颗粒的分维值,对泥石流堆积物的分形特征进行探讨,并与泥石流堆积物粒度特征相联系,发现分维很好的反映了泥石流堆积物颗粒组成及其粒度分布特征。将泥石流堆积物颗粒分维与泥石流的粘性、形成年代等性质相联系,以找出它们彼此之间的关系。     

大位移剪切下钙质砂破碎演化特性

为了揭示钙质砂在大位移剪切作用下的破碎及形状演化规律,对南海钙质砂进行了系列不同剪切位移下的环剪试验。首先,利用筛分和激光粒度分析获取试验后的颗粒粒径分布,分析颗粒分布变化情况;其次,通过粒径分布对破碎进行定量分析;最后,运用图像处理技术计算颗粒圆度和扁平度,分析了颗粒形状的变化情况。试验结果表明,在不同的竖向压力下,颗粒会达到不同的稳定级配,但达到稳定所需的剪切位移相同;经历大位移剪切后,出现粒径为0.01～0.075 mm钙质砂破碎严重的现象;随剪切位移的增加,颗粒的圆度和扁平度减小。针对细小颗粒破碎严重的现象,修正了相对破碎率;修正后的相对破碎率能考虑粒径为0.01～0.075 mm颗粒发生的破碎。剪切后的钙质砂颗粒更为规则,整体轮廓趋于圆形、表面更光滑。     

用土的分形结构确定土的水份特征曲线

运用筛析法和比重计法，分析了宁夏膨胀土的颗粒分布，发现粒径介于0．002～0．1mm的粒度分布是分形的，分维介于2．46～2．67；运用上孔隙分布的分维确定水份特征曲线，得到了很好的结果。此外，还探讨了粒度分形分布的机制。     

基于染色标定与图像颗粒分割的钙质砂颗粒破碎特性研究

针对混合粒径钙质砂中不同粒径颗粒绝对破碎量无法获得和现有破碎率难以考虑破碎重叠掩盖破碎量这两个问题开展研究。设计了粗砂、中砂、细砂颗粒集中分布的3种级配钙质砂试样,进行侧限压缩试验。对不同粒径区间钙质砂分别染成不同颜色,拍照获取各粒径区间钙质砂破碎信息;采用Image J软件进行彩色图像颗粒分割、二值化处理、统计各颜色颗粒面积,换算得各颜色颗粒破碎后含量;并提出考虑破碎重叠掩盖的试样累积破碎率指标B_a。结果表明,随压力增大及颗粒分布集中,试样的重叠掩盖破碎量增大。混合粒径钙质砂中的中间粒径(0.25~1.00mm)颗粒易于破碎,各粒径颗粒破坏模式以颗粒边角破碎为主;累积破碎率B_a值较相对破碎率B_r较大,与垂向压力对数值间满足线性关系,为颗粒破碎研究提供了新的思路。     

煤中断裂分布的分形特征

运用分形理论对平顶山高庄矿戊8煤中断裂分布的分形特征进行了研究,结果表明,煤中断裂分布具有良好的统计自相似性,可以用分维描述。分维等值线图能有效地反映煤中断裂分布的复杂程度、分布范围和展布方向。分维是煤中断裂分布长度、条数和分布均匀程度等参数的综合指标,该指标随以上参数的变化而变化。      

碎屑岩储层渗透率分布分维计算及其意义

碎屑岩储层渗透率分布非均性是直接影响油气开采效果的客观因素。笔者认为储层渗透率分布具有分形特征，其分维值介于２与３之间，实例研究表明，分维能描述透率分布的非均匀性，其值随非均匀程度增加而增加。分维还能反映沉积能量分布和成岩作用对渗透率分布的影响。分维将是一个研究碎屑岩层渗透率分布的数学和成因特征的重要参数。研究分维与石油工程参数的关系具有现实意义。     

合肥地区膨胀土颗粒粒径的分形分维研究

简要介绍了分形几何的相关理论 ,通过推求膨胀土颗粒粒径的质量分形特征函数得出了膨胀土颗粒粒径的分形分维简易、方便的计算公式。用筛选法和比重计 (相对密度计 )法对合肥地区有代表性的膨胀土试样进行分析、整理 ,给出了该地区的膨胀土颗粒粒径的分形分维值大致范围 ,为进一步深入研究该地区膨胀土性质和结构奠定了基础     

饱和软土微结构分形特征的试验研究

分形几何学是研究具有自相似性的不规则曲线、具有自反演性的不规则图形、具有自平方性的分形变换以及具有自仿射的分形集等内容的一种理论,是岩土微观结构力学研究和应用的新的生长点。将分形几何学的理论运用于饱和软土微结构研究,关键是获得微结构的参数。利用液氮真空冷冻制样技术、扫描电子显微镜技术和计算机图像处理技术,对广东科学中心饱和软土颗粒分布分维值和孔隙分布分维值等微结构分形参数进行了提取,采用回归分析的方法,对颗粒分布分维值、孔隙分布分维值和孔隙度的关系进行了分析,明确了颗粒分布分维、孔隙分布分维等微结构参数的分形特征的宏观本质。     

散粒体斜坡运动堆积特征试验研究

散粒体斜坡俗称“溜砂坡”,对其运动和堆积特征的研究是溜砂坡防治的关键.在斜坡模型架上模拟碎块石的运动过程和堆积过程,探索其颗粒大小、形态与斜坡角的关系.通过堆积体纵剖面取样发现,溜砂坡堆积呈现分形结构,其颗粒质量粒径分布分维数随黏粒含量的增大而增大.     

岩石破裂带的分维及变化特征

用盒维数方法估计了受压岩石表面断裂带的分维值,研究了分维值随载荷、结构(平板伏试件合圆孔或与加载方向成不同角度的割缝)、岩性(大理岩、灰岩、砂岩)和粒度的变化特征,分析了统计自相似性成立的范围与岩性和粒度的关系。研究结果表明。在微裂纹发育未连通为宏观断裂带阶段,分维值随载荷上升而上升,当宏观断裂带形成之后,分维值保持为常数,且随岩性不同而不同。对于所测三种岩石,自相似性成立的尺度范围的上限为颗粒尺寸的Zyljlo倍。最后,结合岩石破裂过程的能量耗散机理,讨论了岩石分维断裂的物理意义。     

钙质砂砾剪切强度及变形的粒径效应试验研究

颗粒形态不规则、颗粒级配不均匀的钙质砂砾在施加荷载后具有明显的粒径效应。通过对不同粒径、干湿条件下的钙质砂砾进行剪切试验,分析不同剪切方式下钙质砂砾的剪切应力-位移关系特点,研究钙质砂的剪切强度及变形的粒径效应。结果表明：粒径从0.075 mm增至60 mm时,钙质砂砾的峰值强度呈现出先增后减再增的特点;粒径为0.25～0.5 mm是峰值强度变化的拐点,此粒径下钙质砂颗粒产生更多的破碎;由于拐点粒径的影响,内摩擦角随粒径增加呈现出先增再减的规律,似黏聚力则随粒径增加呈现出先增后减再增的规律;由于水膜效应的存在,一定含水条件下的钙质砂抗剪强度比风干条件下低;由于不同剪切方式下的有效应力路径及剪胀角存在差异,直剪试验获得的似黏聚力参数较单剪试验偏大,且随着粒径的增加,偏差越大。     

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。     

钙质粗粒料颗粒强度和压缩特性的试验研究

目前对钙质土压缩特性的研究主要集中在钙质细砂,而实际工程中广泛存在钙质粗粒料,因此对钙质粗粒料压缩特性开展研究具有重要意义。通过颗粒强度测定仪和全自动大型固结仪对钙质土进行了单颗粒破碎试验和一维压缩试验,研究了颗粒粒径和相对密度对钙质粗粒料的颗粒强度和压缩特性的影响。单颗粒试验结果表明,钙质砂单颗粒的特征应力随着颗粒相对密度的增大而增大;单颗粒的破碎强度具有明显的尺寸效应,可利用单颗粒的特征应力进行标准化,且服从Weibull分布。压缩试验结果表明,单一粒径试样破碎后的分形维数随颗粒粒径的增大而增大;试样的Hardin破碎率与塑性功的关系为幂函数关系;在本次试验条件下,单一粒径试样的屈服应力与单颗粒的特征应力存在近似线性关系。     

大理岩冲击加载试验碎块的分形特征分析

应用分形几何的方法对冲击加载试验中大理岩破碎块度分布进行统计分析。结果表明,大理岩的冲击破碎块度分布具有分形特征,采用破碎分形维数对岩石破碎过程进行定量描述,可以合理地反映大理岩冲击破碎的程度;大理岩的平均破碎块度与冲击加载速率有着较强的相关性,随着加载速率的提高迅速减小;建立了能量吸收与破碎分维的关系,从能量吸收的角度可以较好地解释破碎分维的变化规律。破碎分维是评价岩石冲击破碎块度分布的理想指标,可较为全面地反映岩石冲击破碎的全过程。