粗粒土级配及颗粒破碎分形特性

验证颗粒质量-粒径分布分形模型用于表示粗粒土级配的适用性,研究粗粒土在不同缩尺粒径的情况下,采用不同缩尺方法缩尺后土体分形维数的变化规律;基于分形维数建立缩尺级配与原始级配之间的联系,分析不同母岩材料、级配和颗粒形状粗粒土三轴试验资料,推算粗粒土的相对破碎率,并探讨分形维数与相对破碎率的关系。研究结果表明:分形维数能定量描述粗粒土的原始级配和缩尺级配,不同缩尺方法得到的粒度分形曲线形态有较大差别,与原始级配的粒度分形曲线有不同程度的偏离,缩尺粒径越小偏离程度越大。在所研究的4种缩尺方法中,分形维数与缩尺粒径的对数呈较好的线性关系;围压越大,破碎分形维数和相对破碎率越大,试验前粗粒土的分形维数越大,剪切试验后相对颗粒破碎率越小。不同母岩、级配和颗粒形状的破碎分形维数与相对破碎率呈幂函数关系,通过分形维数和拟合参数可估算不同围压下的相对破碎率。     

一种基于概率密度函数的DEM 试样生成法

离散元模拟颗粒材料力学性能时,为保证生成数值试样级配曲线的连续性以及与所需级配曲线的吻合性,基于概率密度函数法,提出一种用于制备颗粒流离散单元法数值试样的新方法。定义了级配的不匹配度参数,用来定量描述生成试样的级配曲线与原型级配曲线的偏差。对比了该方法和现有试样制备法,并讨论生成颗粒数目对生成试样级配曲线的影响。结果表明,该试样生成法能够模拟任意级配曲线的试样,且生成的数值试样级配曲线具有良好的连续性和光滑性。随着生成颗粒数目的增大,该试样生成法生成的试样级配曲线收敛于原型试样级配曲线。     

粗粒土类别的分形图解

基于分形理论,同时考虑粗粒土的随机性、非规则性,应用随机模糊方法研究了粗粒土的粒度分布分维,讨论了粒度分布分维与粗粒土的均一性、粗度和级配的相互关系。研究发现粗粒土是分形粒子,具有分形效应,细粒土是以分形分布的方式充填到粗粒土之间的,粗粒土组成的结构为分形结构,据此给出了5种粗粒土的典型分形图形并揭示了其特有的性质。结果表明,粒度分布分维是刻画粗粒土特征的有效参数,应用该参数可以控制集料颗粒粒径,达到优化级配、增大集料密度的目的。最后给出了应用粒度分布分维控制颗粒粒径的理想分形级配图形。     

基于级配方程的粗粒料级配演化预测模型

为了揭示粗粒料级配随应力应变演化的规律,建立粗粒料"应力应变→破碎指标→级配分布"的数学模型(SBG模型)。首先,引入1个适用性良好的级配方程来描述土体的级配,其级配参数为b和m;同时,定义1个新的破碎指标BW,并将BW和破碎指标Bg建议为该模型所需的2个破碎指标。其次,推导并且验证BW和Bg与级配参数b和m的数学关系,实现"破碎指标→级配分布"这一目标。根据粗粒料的三轴试验结果总结三轴试样破坏时BW和Bg与围压σ3之间的关系、三轴试样在剪切过程中BW和Bg与平均正应力p和广义剪应变εs之间的关系,实现"应力应变→破碎指标"这一目标。将以上2个部分联合,即可得到"应力应变→破碎指标→级配分布"的数学模型(SBG模型)。研究结果表明:本文提出的模型可以用来描述三轴应力状态下粗粒料级配随应力应变演化的规律。     

粗颗粒土静力压实特性的试验研究

研究粗颗粒土的压实特性随级配和含水率的变化规律,对工程实践具有重要的指导意义.以大石峡土石坝的筑坝料为研究对象,借助分形级配方程,分别进行了不同级配粗颗粒土的相对密度试验和不同级配不同含水率粗颗粒土的静力压实试验,研究了级配和含水率对试验土料压实特性的影响规律.结果表明,当含水率达到最佳时,粗颗粒土达到最大干密度,超过最佳含水率时反而不利于粗颗粒土的压实;由静力作用得到的干密度和动力作用得到的最大干密度随分形维数的增加呈现相同的变化趋势,均在分形维数为2.62时出现极值点,对应的级配为最优级配.将最优分形维数取为2.60,并通过一些工程堆石料的级配曲线验证了其合理性.研究结论可为填方工程中填筑料的加水量控制和级配设计提供可靠的理论依据.     

最大理论密度线邻近级配沥青混合料的VMA变化分析

为研究沥青混合料的级配曲线改变后矿料间隙率(VMA)的变化规律,以Superpave最大理论密度线级配为基准级配,在此基础上设计了三种级配曲线变化方式,并应用Hudson法分析了各变化级配矿料间隙率的变化规律.三种级配曲线变化形式分别为平行变化级配、绕起点旋转级配和绕最大理论密度线上4.75 mm粒径通过率点旋转级配.分析发现最大理论密度线级配曲线按不同方式改变后,其矿料间隙率的变化有不同的特点.     

水工沥青混凝土骨料级配选择

骨料级配选择是水工沥青混凝土配合比设计的一个重要问题。骨料级配曲线可用三个参数表征:骨料最大粒径、级配指数和填料用量。本文讨论了这三个参数对骨料连续级配的影响,建立了新的级配公式,并成功地用于配合比设计。     

基于剪切波速的粗粒土填料压实密度控制理论

为了提出基于剪切波速的粗粒土压实度便捷测试方法,首先,基于弹性动力学与颗粒细观接触理论,建立了粗粒土的剪切波速与压实密度的理论方程;其次,建立数值模型,验证理论方程的合理性;最后,提出基于粗粒土的剪切波速的压实度测试方法,开展室内粗粒土剪切波速试验,验证理论方程的适用性。研究结果表明：通过弹性动力学与颗粒接触理论,引入粗粒土颗粒细观特性,如刚度、配位数和孔隙率,推导得出了粗粒土剪切波速与压实密度的理论方程;在理论方程中,颗粒的泊松比对剪切波速的影响不大,而颗粒弹性模量对剪切波速的影响较大;基于周期理论,建立剪切波速的Comsol数值模型,数值结果与理论方程计算结果趋势相同,且相对误差均在8%以内;普遍适用的激发频率范围为5～10 kHz,不论何种激发波,接收波形均为正弦波,且剪切波速随压实密度增加而增加,试验结果进一步验证了剪切波速-压实密度方程的适用性。在实际应用中,求出粗粒土填料参数M,就可通过测量压实填料的剪切波速快速得到其压实密度。     

基于数字图像处理技术的沥青混合料级配检测方法

沥青混合料中级配对路用性能有着很大的影响,应用数字图像处理技术,对沥青混合料级配检测方法进行了改进研究。运用CT扫描技术扫描沥青混合料马歇尔试件的内部结构,获取数字图像,对获取的图像进行去噪、增强和分割等处理,在此基础上对图像进行伪三维级配识别。识别结果表明,对于直径大于2.36 mm以上的集料,通过误差修正可以使检测出的级配曲线和设计级配曲线更加接近,有效提高其识别精度。应用CT技术获取沥青混合料图像的方法,可以对其内部细观结构进行观测,并且避免了对试件造成破坏,从而可以对其宏观性能进行研究。     

沥青混合料矿料特征图像表征参数选取

为准确表达沥青混合料矿料尺寸特征,真实反映沥青混合料级配组成,采集了3种典型级配沥青混合料的切割断面、芯样曲面图像,针对传统等效法表征矿料尺寸存在的缺点,基于矿料形态特征提取了4种特征参数,并对绘制的级配曲线进行了对比分析.结果表明:相同获取方式下得到的试件图像数据分析结果具有很好的相关性;由于曲面图像在处理过程中存在颗粒被拉长现象,使所得结果准确性降低,而平断面图像所得结果则更接近设计级配曲线;与等效圆直径相比,以平均直径为特征参数的级配曲线更接近设计级配曲线,对2.36mm粒径的颗粒作适当系数修正,即可得到与设计级配较为接近的结果.因此,平断面图像的平均直径级配曲线可作为沥青混合料级配检验的优化方法.     

粗粒土静止侧压力系数试验

对某土石坝地基覆盖层2种级配的砂卵砾石料进行大型单向压缩试验,试验中,土压力盒基于标定方法提供的参数得到试样内的水平应力和垂直应力,进而计算其静止侧压力系数K_0。研究水标法和砂标法对粗粒土的适用程度,探讨K_0试验结果的可靠性;分别对2种级配土料进行中三轴CD试验,测定土料的有效内摩擦角,然后依据相关经验公式计算K_0,验证经验公式的有效性。结果表明:砂标法对于粗粒土来说是一种较可靠的标定方法;在竖向应力足够大时,K_0试验误差可以忽略不计,所测定的K_0接近实际值;Federico基于Terzaghi的已激发有效摩擦角概念而推导出的有效内摩擦角与静止侧压力系数之间的关系式较适合粗粒土。     

考虑级配影响的粗粒料压缩破碎特性试验

采用分形维数和级配宽度作为级配的量化指标,通过粗粒料的侧限压缩试验,研究级配对密实粗粒料的堆积、变形以及破碎特性的影响规律。试验结果表明,粗粒料的最大干密度和低应力下的压缩模量均随着分形维数的增大先增大后减小,在分形维数为2.2附近存在极大值;同时,两者均随着级配宽度增大而增大。粗粒料的破碎强度可通过双对数坐标下的拐点表征,破碎强度随着分形维数与级配宽度的增大而增大;破碎强度越高,颗粒破碎率越小;不同级配的粗粒料充分破碎后的最终级配都收敛于唯一的分形分布。     

压实土体崩解特性试验研究

基于传统崩解试验方法精度较低的问题,研制了一套压实土体崩解试验系统。查明了压实土体试验中崩解时间和崩解量的变化规律,利用自主研制的试验装置,开展了崩解试验研究。分析了含水率、密实度、颗粒级配、颗粒种类等因素对压实土体崩解时间和崩解量的影响。试验结果表明:对于砂岩颗粒土料,含水率对崩解量和崩解时间的影响较大;而相对密实度对崩解量和崩解时间影响较小。对于泥岩颗粒土料,含水率对试样的崩解量和崩解时间影响不显著;而相对密实度对崩解量和崩解时间影响较大。对于不同级配的砂岩、泥岩颗粒土料,细颗粒含量越多,抗崩解性也随之增强,崩解时间越短崩解量越大。     

粗粒土剪胀特性研究现状与趋势

从粗粒土剪胀性的影响因素、剪胀机理、剪胀方程与本构模型等几个方面的研究进展进行了总结,并就其中存在的问题进行了探讨,指出了今后的研究方向：研究粗粒土临界状态存在性、定量描述;在考虑颗粒破碎等因素对粗粒土剪胀性影响的基础上,深入研究粗粒土剪胀性的状态相关性质,确定合理的状态参量,建立适用于粗粒土的剪胀方程;基于粗粒土剪胀方程,建立有效可靠的粗粒土本构模型．     

一个基于砾质土的改进椭圆-抛物双屈服面模型

针对椭圆-抛物双屈服面模型,对其屈服面的硬化准则及其对砾质土的适用性进行分析和讨论,在此基础上,对椭圆-抛物双屈服面模型进行改进,采用幂函数关系式反映椭圆屈服面的硬化准则,并对抛物屈服面的屈服方程进行修改.采用改进的双屈服面模型对砾质土三轴试验的应力应变曲线进行模拟验证,模拟表明,改进的椭圆-抛物双屈服面模型更好地反映了砾质土的应力应变特性.     

粗粒土大型单剪颗粒破碎试验研究

使用新研制的大型单剪仪,对粗粒土的颗粒破碎及粗粒土一结构接触面进行了系统的试验研究,分析了试验中影响颗粒破碎的主要因素及颗粒破碎对粗粒土一结构接触面应力应变特性的影响.试验结果表明,颗粒破碎率随着法向应力的增大而增大,颗粒破碎受剪应力大小的影响程度随着法向应力的增大而减小.     

粗粒土压实特性与高填体沉降规律研究

为研究某中西部地区机场粗粒土的压实特性及其高填体的沉降规律,开展了粗粒土的颗粒分析、重型击实、最大干密度、压缩模量试验,测试和验证了粗粒土的不均匀系数、击实参数等,发现了压实度与压缩模量的良好相关性,建立了此粗粒土压缩模量的预估方程。采用室内试验数据建立了高填体的有限元模型,与实测沉降数据进行对比,分析了多种压实度、填筑高度下高填体的沉降。结果表明,填筑体的沉降与填筑高度为指数幂关系,填筑高度越高,土体压实度对沉降的影响越显著。基于有限元模型的沉降数据,明确了压实度-填筑高度-填筑体沉降的关系,建立了高填体沉降的多元回归方程,为高填方工程现场提供了快捷的沉降计算方法。     

骨架密实型水泥稳定碎石级配设计方法

为研究水泥稳定碎石的级配优化设计问题,针对未加水泥的级配矿料,构建矿料间隙率的物理模型,给出骨架密实型级配矿料粗细分界筛孔通过率的计算公式,建立骨架密实型级配设计理论.在考虑细料对粗料排列的干涉作用后,通过试验获得实际意义上的骨架密实型水泥稳定碎石,形成该类材料的级配优化设计方法.结果表明:未加水泥的级配矿料击实试验所得的最大干密度或间隙率可作为判断水泥稳定碎石骨架密实性的简便指标;通过建立的理论模型与优化设计方法,可成功地设计出水泥剂量较低、强度较高的骨架密实型水泥稳定碎石.