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）     

堆石粗粒料颗粒破碎试验研究

利用室内大型三轴试验,对堆石等粗粒料的颗粒破碎进行了分析。结果表明,颗粒破碎率随围压的增加而增加,呈非线性状态,二者之间的关系可以用双曲线表示。颗粒破碎的增加将导致粗粒料的抗剪强度降低,峰值内摩擦角与颗粒破碎率之间呈幂函数关系,不论颗粒的岩性、强度、大小、形状、级配和初始孔隙比等情况如何,试验资料都落在一个狭窄的区域,如果围压和材料的试验参数已知,则可估计颗粒破碎率。     

考虑颗粒破碎的无黏性粗粒料的剪胀模型研究

目前对坝体等粗粒料的强度、变形情况,主要采用Duncan-Chang模型的方法进行预测。但由于粗粒料在高应力作用下会发生较严重的颗粒破碎现象,对其变形和强度特性产生较大影响,使得Duncan-Chang模型预测结果与实际情况存在较大偏差。为此,考虑绢云母片岩粗粒料的特性,结合目前发展的本构理论,建立了一种无黏性粗粒料的弹塑性本构模型。该模型不仅考虑了剪胀性的影响,还通过引入破碎指标反映颗粒破碎对内摩擦角的影响。采用绢云母片岩粗粒料的两种初始干密度下的固结排水试验结果对提出的数学模型加以验证。结果表明,模型计算结果吻合试验曲线,在一定程度上能够反映软岩粗粒料在不同围压下的剪切特性。     

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。     

考虑颗粒破碎的粗粒土剪胀性统一本构模型

粗粒土作为无黏性散粒状材料具有状态依赖特性,土体的剪切特性受密度和应力水平影响。易破碎是粗粒土的另一个特点,颗粒破碎影响粗粒土的剪胀、内摩擦角、峰值强度和渗透系数。为了能够准确地描述粗粒土的应力-应变关系,采用初始状态参量描述粗粒土的内部状态,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推导考虑颗粒破碎的粗粒土剪胀性“统一本构模型”,并建立初始状态参量与模型参数之间的关系。所建立的统一本构模型既考虑了颗粒破碎对剪胀、内摩擦角的影响,又考虑了剪切特性对土体初始状态的依赖。采用变异粒子群算法拟合试验曲线,确定模型参数。模型计算结果能够很好地拟合试验曲线。采用同一组参数对假定的初始状态进行模拟计算,计算结果表明,模型能够模拟不同初始密度和应力水平下粗粒土变形的一般规律。     

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。     

颗粒级配对非饱和粘性土基质吸力的影响规律

颗粒级配是影响非饱和粘性土基质吸力变化规律的主要因素之一。本文在室内实验基础上,根据颗粒级配与非饱和土土水特征曲线基本参数之间的定量关系,探讨了颗粒级配对非饱和土基本特性的影响程度。研究结果表明:颗粒级配对非饱和土残余含水量控制作用明显,后者与粘粒、粉粒含量线性正相关,与角砾含量和粗、细粒含量之比分别线性、非线性负相关;不同粒组中,粉粒含量对土体残余含水量的影响程度最大,角砾含量的影响程度较低。颗粒级配对非饱和土残余基质吸力的影响程度较弱,后者与粘粒含量以及粗、细粒含量之比具有一定的相关性。非饱和土含水量变化幅度以及基质吸力对含量变化的敏感性与颗粒级配相关性最弱。但是,粘粒、粉粒含量以及粗、细粒含量之比对这两个特征值可能具有一定的影响作用。     

3D characterization of coarse aggregates

A new and accurate characterization method for dimensions, shape and roughness of aggregate particles has been developed. The method is based on the 3D-laser scanning technique and evaluation of coarse-grain aggregate-particle images. Parameters are obtained with either analytical Fourier analysis or geometrical analysis. The results from the two methods are compared with each other as well as with manual measurements. Although the Fourier-based analysis gives about 10% smaller size values, the comparison of the results shows, in general, a good agreement between the different techniques. This new method for analysis of coarse-grain aggregates gives reliable results for both the shape and topographical parameters of particles.     

填料粗粒含量对筋土界面拉拔性状的影响

基于可视化拉拔系统及数字照相量测技术,针对5种不同粗粒含量 （粒径>5 mm颗粒的质量百分数）的粗粒土开展拉拔试验,探讨了粗粒含量 对筋土界面强度指标、颗粒位移演化及土工格栅应变等的影响。研究表明：界面黏聚力c与界面摩擦角 随 增加呈不同程度增加; 从20%增长至35%后,土工格栅末段出现应变及拉拔力峰值时所对应的格栅拉拔位移均减少,但各段土工格栅应变量增加;随着 的增加,筋土界面粗粒土颗粒位移矢量方向逐渐趋于水平,其位移量显著减小。同时,筋土界面空洞明显减少; 增加使筋土界面的粗粒土颗粒位移减小,而间接影响区范围扩大,使一定高度范围内的粗粒土颗粒被间接带动,在宏观上使界面似黏聚力增加; 增加后,位于筋土界面V3处的土颗粒最大位移速度减小。位于间接影响区的V1、V2处的土颗粒最大位移速度因受间接影响区范围扩大,颗粒扰动加强而有少量增大。     

Strengthening crushed coarse aggregates using bio-grouting

This paper focuses on using urea hydrolysis as a bio-grouting process to increase the strength of crushed aggregates commonly used in stone columns. Various reagent phases (2, 4, 6 and 12 phases) consisted of alternately percolating solutions containing bacterial suspension and cementation solution through the soil column. In addition, a multi-soil lift strategy with options of up to four soil lifts was undertaken to test the applicability of bio-grout to cement crushed aggregate columns. While the average amount of calcium carbonate precipitation was roughly unchanged in both techniques, the distribution within the crushed aggregate columns was heterogeneous. However, the distribution of the precipitated calcium carbonate is almost uniform in crushed aggregates treated by a two-soil lift strategy and a four-phase treatment strategy. It is also deducted that both techniques can be combined to gain a uniform calcium carbonate and strength along a long sand/stone column. Furthermore, a one-soil lift resulted in higher strength than using multi-soil lifts, and a maximum strength of approximately 2.3 MPa was achieved using 4-reagent phase treatment strategy. Scanning electron microscopy and electron dispersive spectroscopy analysis validate that calcium carbonate was deposited as white crystals on the surface of the crushed aggregate particles.     

粗粒土的破碎耗能计算及影响因素

粗粒土的颗粒破碎直接改变了土体本身结构,对粗粒土的剪胀和内摩擦角都会产生影响。在土体剪切过程中,体积应力和剪切应力在体积应变和剪切应变上做功,这部分能量在剪切过程中转化为颗粒的弹性储能、颗粒间的摩擦耗能、颗粒剪胀时对外做功和颗粒破碎耗能4部分。准确计算剪切过程中粗粒土破碎耗能的目的是：从能量角度分析颗粒破碎对土体本构关系的影响,为建立考虑颗粒破碎的粗粒土本构关系创造条件。通过分析粗粒土的常规三轴试验数据,计算得到了剪切过程中的粗粒土破碎耗能。计算结果表明,常规三轴试验条件下粗粒土破碎耗能主要受固结应力、土体摩擦系数M等因素的影响。     

绢云母片岩粗粒料改性试验研究

绢云母片岩属极软岩,强度低,直接作为路基填料难以压实,易造成路基沉陷、路面开裂等不良工程现象。通过对绢云母片岩及其4种改性方案进行表面振动压实试验、室内重型击实试验、室内CBR试验以及回弹模量试验研究,探讨绢云母片岩经改性后用作高速公路路基填料的适用性。试验表明,绢云母片岩最大干密度采用室内重型击实与表面振动压实试验结果相差较大,采用表面振动压实时为1.92 g/cm3,采用室内重型击实时为2.01 g/cm3。主要原因是由于绢云母片岩颗粒破碎的结果。绢云母片岩及其4种改性粗粒土的在最优含水率附近的较宽范围内的变动对压实效果的影响不大,有利于填料的压实。绢云母片岩的回弹模量E较低,小于32 MPa,经改性后的土料的回弹模量均有显著提高,均达到50 MPa以上。添加20%红砂岩和20%黏性土的试料CBR值均只有3.7,添加3%水泥和5%水泥的试料CBR值上升明显。绢云母片岩经添加3%、5%的水泥化学改性后可用于高速公路上路堤及路床填筑。     

A new approach to the three-dimensional quantification of angularity using image analysis of the size and form of coarse aggregates

This paper describes a system for the acquisition and analysis of 3D data from the surfaces of coarse aggregate particles. The technique uses laser triangulation to acquire data from the upper hemispheres of particles passing along a conveyor belt. Methods of determining particle size and form in three dimensions are described and a new approach to the quantification of angularity is presented. The algorithm uses mathematical morphology to provide a geometrically meaningful interpretation of particle shape. The relative advantages of 2D and 3D analysis of aggregate particles are discussed, and results are presented which demonstrate the validity of this approach.     

颗粒级配与形状对钙质砂渗透性的影响

钙质砂是富存于热带海洋环境（包括中国南海海域）中的一种特殊岩土介质,具有不同于陆源砂的水理性质。采用传统常水头渗流试验,首先探究了不同不均匀系数和曲率系数条件下级配对钙质砂渗透性的影响。针对钙质砂的颗粒形状特性,采用扫描电镜（SEM）与图像处理技术,引入球度 和圆度X的比值 从三维空间角度上对颗粒形状进行了定量描述。并在粒径区间、相对密实度相同的条件下,通过与福建标准砂、玻璃珠进行对比试验来考察钙质砂渗透特性,从而进一步探究颗粒形状对钙质砂渗透性的影响。试验结果表明,钙质砂渗透性随着颗粒粒径不均匀系数和曲率系数的增大而增大,符合级配对一般砂土渗透性的影响规律;钙质砂颗粒形状具有较强的结构性和不均匀性,同等密实度下钙质砂的渗透性小于陆源的石英砂。本研究获得的钙质砂渗透规律对今后南海岛礁填筑和海上平台基础工程设计具有一定的指导意义。     

Variation in particle size distribution over a small dune

The variation in particle size distribution for a sequence of sand samples, collected from the surface of a small barchanoid dune along a sampling line parallel to the windflow, is studied by means of the hyperbolic distribution. The modal (or typical) value of the log size increases linearly with distance from the windward foot to the crest of the dune, and falls off steeply on the lee side. The spread of the log-size distribution, locally near the modal value, is roughly constant on the windward side but decreases significantly down the slip face. Two other parameters of the four-parameter hyperbolic distribution can be considered largely constant. A comparison of the log size distributions for heavy and light mineral grains, based on a selected set of the samples, showed that heavy and light minerals follow different hyperbolic patterns. However, the difference in modal size of the distributions for the two types of minerals was virtually constant among the samples.     

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。     

颗粒级配及初始干密度对路基翻浆冒泥特性的影响

重载铁路路基翻浆冒泥病害广泛存在且危害性极大,严重影响了轨道的稳定性和列车运行的安全性。铁路路基土体性质,如颗粒级配、孔隙比等对列车荷载作用下路基翻浆冒泥特性有显著的影响。利用自主研发的试验模型对粉质黏土与不同含量高岭土重塑试样进行翻浆冒泥试验,研究了不同颗粒级配（高岭土含量）、不同初始干密度（孔隙比）对循环荷载作用下试样的轴向应变、超孔隙水压力以及细颗粒迁移特性的影响。研究结果表明：随着高岭土含量以及初始干密度的增加,动荷载作用下试样产生的轴向应变、超孔隙水压力均减小,细颗粒迁移的平均高度降低,路基翻浆冒泥的程度减轻。通过试验发现,动荷载作用下试样内部的超孔隙水压力梯度是驱动路基土体细颗粒迁移的主导因素,试样产生的夹层对路基翻浆冒泥病害的发展具有一定的促进作用。     

Effect of particle characteristics on the evolution of particle size,particle morphology,and fabric of sands loaded under uniaxial compression

Acta Geotechnica - This paper presents the results and analyses of uniaxial compression experiments performed on three silica sands. The sands have comparable particle-size distributions, but their...     

考虑薄膜水的利用介质粒度分布获取水土特征曲线的方法

利用介质粒度分布间接获取水土特征曲线（SWCC）是一种快速、经济的方法。由于该方法的传统模型（HP模型和MV模型）忽略了薄膜水,获得的SWCC在低含水率段存在显著误差。提出了一种考虑介质表面薄膜水的含水率估算方法,与HP模型和MV模型的吸力计算方法结合预测SWCC,选用土壤水力性质数据库UNSODA的17种土壤样品对两种修正模型的预测效果进行了验证。结果表明,采用薄膜水修正后的HP模型和MV模型可以显著改善传统模型中SWCC低含水率段含水率的低估,并能有效地预测砂土等粗粒介质的SWCC。另外,含水率估算中引入参数β后,修正的MV模型也可用于壤土和黏土等细粒介质的SWCC的预测。