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PFC^3D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。     

固体颗粒破碎的分维演化规律

固体颗粒破碎后的粒径分布符合分形模型,颗粒破碎程度采用粒径分布的分维表示。本文采用垃圾炉渣的颗粒破碎试验,统计计算炉渣颗粒破碎的分维。收集总结了岩石颗粒破碎分维随破碎应力和破碎能量的变化规律,颗粒破碎的分维是变化的,随着破碎应力和破碎能量增加而增加,颗粒完全破碎后的粒径分布的分维趋于定值,为2.6左右。将颗粒破碎过程中变化的分维称为颗粒破碎的“似分维”,简称分维;分维的极限值称为“真分维”。结合颗粒破碎概率的Weibull统计理论,建立了颗粒破碎“似分维”与破碎应力和破碎能量的相关关系。     

不同粒径黄砂岩微观−宏观裂纹演化机制研究

为了探讨粒径对黄砂岩微观-宏观裂纹演化机制的影响,系统地开展了不同粒径黄砂岩单轴压缩声发射试验。基于声发射监测技术以及震源机制反演方法,对岩石变形破坏过程中微裂纹演化机制进行了研究,同时利用电镜扫描技术与几何分形理论,对破坏后的砂岩表面裂隙宏观形态及试件断口的微观形貌特征进行了分析。试验结果表明：粒径的大小、胶结物类型的不同均可影响岩石强度,通过室内试验得出随着黄砂岩粒径的逐渐增大,其峰值应力呈逐渐下降的变化趋势;对比不同粒径黄砂岩试件变形破坏过程中的声发射改进 b 值（ bI 值）与平均声发射能率,所有试件峰值破坏前平均声发射能率均存在“激增”与“激降”现象,且声发射 bI 值在砂岩试件达到峰值破坏时下降到最小值,该现象可以作为岩石的失稳破坏前兆特征;随着构岩矿物颗粒粒径的增大,岩石内部微裂纹的破坏模式由张拉型为主导向剪切型为主导进行转变;破坏后岩样表面宏观裂隙的分形维数随着岩石粒径的增加呈现下降的变化趋势,即粒径大小对岩石表面宏观裂隙演化过程具有一定控制作用。     

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     

基于线性拟合的颗粒材料破碎状态表征

在荷载等因素作用下发生颗粒破碎是岩土材料的固有属性,选择合适的颗粒破碎状态表征指标是颗粒破碎问题研究中首先要解决的问题。基于颗粒破碎导致细颗粒含量增加,级配曲线抬升并趋向于分形的客观事实,提出了利用级配曲线的拟合直线的斜率和相关系数的变化规律描述颗粒破碎状态及其演化的新方法。在该基础上,提出了表征颗粒破碎状态的破碎分形指数及破碎分形相关性指数的概念,阐述了二者随颗粒破碎的发展规律。与试验结果对比表明,提出的状态指标与试验结果能够很好的吻合,颗粒破碎状态存在明确的对应关系,能够表征颗粒破碎难易程度及其发展趋势,为研究颗粒破碎问题提供了新思路。     

颗粒形状对粒状材料破碎演化规律及强度准则影响

为探讨颗粒形状对粒状材料的颗粒破碎演化规律及强度特征的影响,提出了一个新的粒状材料颗粒形状量化参数,设计了一种考虑三维颗粒形状的人工试样制备方法,随即进行了常规三轴压缩试验,并分析了颗粒破碎和强度特征,最终建立了一个二元介质强度准则,具体的研究成果为：建立颗粒形状量化参数——球形模量GM,在此基础上制备了5种不同形状的可破碎粒状材料三轴试样,并发现球形模量影响着粒状材料的三轴压缩强度特征;通过筛分确定试样的颗粒破碎情况,对试样的颗粒破碎演化规律和临界状态进行探讨,发现颗粒形状通过影响颗粒破碎规律而控制着宏观强度的非线性演化特征;以二元介质理论为基础,建立了考虑颗粒形状的可破碎粒状材料强度准则,并通过试验对其适用性进行了验证。     

砂质泥岩峰后破裂承载特征与块体分布规律研究

岩石峰后阶段的变形承载规律对巷道破碎区围岩的稳定性控制具有重要意义。为研究岩石峰后阶段的破裂演化规律与承载特征,以砂质泥岩为试验对象,开展了控制应变量为峰值应变不同倍数的单轴压缩试验,并应用非线性分形理论阐明了峰后破裂块体的分布规律。基于试验结果,构建了峰后含贯通破裂面岩样的力学分析模型。结果表明：(1)砂质泥岩全应力-应变曲线呈现出单峰状与多峰状两种形态的峰后应力跌落方式;(2)峰后阶段,试样破坏模式由低倍峰值应变下的张性破坏逐渐转变为高倍峰值应变下的剪切滑移破坏;(3)同应变量下试样破裂块体的分形维数内部大于外部,且二者与试样的峰后应变倍数值均具有显著的正相关性;(4)岩石在峰后阶段的持续破坏方式与块体间接触破裂面特性有关,破裂块体仅会在一定的倾角范围内沿破裂面滑动,依据所建立的分析模型可准确解释砂质泥岩峰后阶段破裂承载特性与块体分布规律。     

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。     

粗粒土压实特性及颗粒破碎分形特征试验研究

对多个级配不同含水率的粗粒土进行击实试验,研究粗粒土的压实特性和颗粒破碎分形特征。结果表明,粗粒土最大干密度随级配中粗粒含量的增大而增大,当粗粒含量P5=70%时,最大干密度出现最大值;当P5＞70%时,最大干密度又随粗粒含量的增大而减小,粗粒土击实破碎后的粒径分布具有良好的分形特性,破碎分形维数为2.279 0～2.892 2,均大于击实前粗粒土粒度分形维数;相同级配条件下,粗粒土破碎分形维数随含水率的增大而增大,且粗粒含量P5＞50%时,增幅显著;粗粒土破碎分形维数D与破碎率Bg存在良好的线性关系,且击实前后粗粒土粒度分形维数差值能客观表征颗粒破碎的程度;粗粒含量和含水率是影响颗粒破碎率的两个重要因素,但相对于含水率而言,粗粒含量对破碎率的影响更加显著。     

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。     

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。     

Modeling for critical state line of granular soil with evolution of grain size distribution due to particle breakage

Determination of the critical state line(CSL)is important to characterize engineering properties of granular soils.Grain size distribution(GSD)has a significant influence on the location of CSL.The influence of particle breakage on the CSL is mainly attributed to the change in GSD due to particle breakage.However,GSD has not been properly considered in modeling the CSL with influence of particle breakage.This study aims to propose a quantitative model to determine the CSL considering the effect of GSD.We hypothesize that the change of critical state void ratio with respect to GSD is caused by the same mechanism that influences of the change of minimum void ratio with respect to GSD.Consequently,the particle packing model for minimum void ratio proposed by Chang et al.(2017)is extended to predict critical state void ratio.The developed model is validated by experimental results of CSLs for several types of granular materials.Then the evolution of GSD due to particle breakage is incorporated into the model.The model is further evaluated using the experimental results on rockfill material,which illustrates the applicability of the model in predicting CSL for granular material with particle breakage.     

岩土破损力学的系统论基础

天然岩土材料与其它材料的根本不同点在于它的结构性,而形成结构性的根本原因在于胶结的不均匀性.胶结强的部位形成结构体,胶结弱的部位形成结构面.岩土材料是由结构体和破损带组成的二元介质.本文分析了岩土材料的系统特性,对岩土破损力学进行了介绍,从非线性科学的角度阐述了岩土破损力学的系统论基础.     

易破碎粒状材料本构研究

粒状材料被广泛地应用到土木工程的各个领域。大部分粒状材料在外力作用下较容易产生颗粒破碎,颗粒破碎对材料的力学性能有很大的影响。为了更好地描述易破碎粒状材料的力学特性,基于弹塑性力学和临界状态土力学开发了一种能够考虑颗粒破碎效应的本构模型。此本构模型能够考虑在剪应力和压应力作用下引起的颗粒破碎对粒状材料力学性能的影响。为了考虑颗粒破碎的影响,基于对Cambria 砂的高压试验,得出了临界状态线位置与消耗塑性功之间的关系,并称之为“破碎方程”。此本构模型拥有双屈服面,分别考虑剪切和等向压缩产生的塑性变形。通过试验结果与数值计算结果的对比得出,新的本构模型能较好地描述易破碎粒状材料的力学特性     

Implicit integration of simple breakage constitutive model for crushable granular materials: A numerical test

In the context of the recently developed breakage mechanics that is based on thermodynamics principles, this paper presents a mathematical modelling procedure to implement the simple (i.e., linear elastoplastic) breakage constitutive model using finite element analysis (FEA) with illustrations by engineering applications. More informative mathematical derivation procedures of energy dissipations, plastic potential, yield function and non-associated flow rules are presented. In contrast, the existing relevant publications often lack sufficient elaboration, leaving knowledge gaps in the full understanding the model. This is followed by a series of numerical simulations in ABAQUS to test the model at the constitutive level. Various isotropic and triaxial shear tests in drained or undrained conditions are tested to illustrate the key features of the breakage model, which seem to be overlooked in the literature. Finally, a few numerical results are compared with experimental shear tests to demonstrate the ability of the simple breakage model in reflecting mechanical responses of crushable granular aggregates.     

An enhanced constitutive model for crushable granular materials

Studies in the past have tried to reproduce the mechanical behaviour of granular materials by proposing constitutive relations based on a common assumption that model parameters and parameters describing the properties, including gradation of individual grains are inevitably linked. However successful these models have proved to be, they cannot account for the changes in granular assembly behaviour if the grains start to break during mechanical loading. This paper proposes to analyse the relation between grading change and the mechanical behaviour of granular assembly. A way to model the influence of grain breakage is to use a critical state‐based model. The influence of the amount of grain breakage during loading, depending on the individual grain strength and size distribution, can be introduced into constitutive relations by means of a new parameter that controls the evolution of critical state with changes in grain size distribution. Experimental data from a calcareous sand, a quartz sand, and a rockfill material were compared with numerical results and good‐quality simulations were obtained. The main consequences of grain breakage are increased compressibility and a gradual dilatancy disappearance in the granular material. The critical state concept is also enriched by considering its overall relation to the evolution of the granular material. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

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60mm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。     

DEM investigation of the effect of intermediate principle stress on particle breakage of granular materials

This study investigates the influence of the intermediate principle stress on the particle breakage of granular materials. The crushable agglomerate method is applied to model soil particles and numerical true triaxial tests were carried out. The results show that particle breakage increases with increasing b value, the relationship of which follows an exponential function and agrees well with previous experimental results. More importantly, the study found that the relationship between particle breakage and total energy input is independent of the intermediate principle stress, which provides a good basis for the constitutive modeling of granular materials.