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。     

考虑间断级配的破碎矸石压实和再破碎研究

级配结构是影响破碎矸石压实和再破碎特征的重要因素,而级配矸石的压实和再破碎特征直接决定了采空区充填质量和效果。首先,采用分级加载方式对连续级配和间断级配的破碎矸石进行侧限单轴压缩试验;基于试验结果,研究轴向应力和级配共同影响下的压实变形参数、再破碎参数的变化规律,分析再破碎后颗粒的粒径分布和分形特征。然后,以级配压实-破碎—分形演化为研究路线,建立分别表征压实和分形特征的压实度增量与分形维数之间的关系式,以及分别表征压实和再破碎特征的应变与分形维数增量之间的关系式,并论证关系式中参数的物理意义,探讨级配矸石压实和再破碎过程之间的内在关系。研究结果表明：根据压缩模量变化规律及其不同阶段的压实变形机理,可将不同级配破碎矸石压实阶段划分为快速压实、缓慢压实和稳定压实3个阶段,颗粒再破碎后的粒径分布特征表明颗粒的再破碎主要发生在缓慢压实阶段;本文提出的关系式较好地描述了级配破碎矸石的压实—再破碎全过程,可反映不同级配矸石在压实和再破碎过程中的稳定性,可为采空区精准充填及其预防提供理论依据。     

承压破碎煤矸石力学性能研究

为了研究煤矸石作为路基填筑材料时的力学性能,进行了标准煤矸石的单轴压缩试验、变角剪切试验和劈裂试验,以及破碎煤矸石的压实试验。测试得到了煤矸石的抗压强度、内聚力、内摩擦角和抗拉强度等基本力学性能指标,还得到了5种Talbol幂指数下,承压破碎煤矸石的应力-应变曲线。研究表明:(1)煤矸石的拉压性能差别较大,抗拉强度是抗压强度的8倍;(2)破碎煤矸石压实过程中,应力呈先缓慢增大后快速增大的变化规律;(3)随着Talbol幂指数的减小,低应力水平时试样的变形量较大,高应力水平时试样的变形量较小。研究结果可为煤矸石作为路基填筑材料的推广应用提供试验依据和理论参考。     

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.     

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。     

粒径对破碎岩石力学性质影响模型试验研究

地下开采诱发顶板冒落的破碎岩石力学性质直接影响上覆岩层的移动规律。针对破碎岩石力学性质的研究,往往采用理论分析结合室内试验的方法,而室内试验的结果往往与真实现象之间往往存在尺寸效应,并不能直接应用到生产指导中去。本文采用模型试验的方法,对冒落带破碎岩石进行缩尺,利用自主设计的破碎岩石压实仪进行破碎岩石力学特性试验,得到4种不同粒径下碎石压实试验的应力-应变关系,分析岩石块径、压实应力对碎石压实力学特性的影响。研究结果表明：极限轴向应变随粒径的增大而增大,并且增长速率逐渐减小;岩样粒径越大应变增长率越大,所有岩样变形初期的应变增长率大于后期应变增长率;初始切线/割线模量随粒径的增大而减小,降低速率也逐渐减小,随着轴向应力的增大,割线/切线模量受粒径变化影响越大;轴向加载应力相同时,粒径越大的岩样压实度变化越明显,随着应力的增大,压实度呈对数增长。     

不同加载速率下煤岩组合体碎块分形特征与能量传递机制

为了研究不同加载速率下煤岩组合体破坏碎块的分布、分形特征以及失稳破坏机制,对细砂岩煤（FC）、粗砂岩煤（GC）、细砂岩煤粗砂岩（FCG）3种煤岩组合体开展0.001,0.005,0.01,0.05,0.1 mm/s加载速率下的单轴压缩试验,结果表明：1）0.001 mm/s速率下破坏煤块粒径较小,为完全充分破坏,破坏类型属于塑性破坏。0.1 mm/s加载速率下,试件破坏碎块粒径最大,形状不规则,为不完全不充分破坏,破坏类型属于脆性破坏。加载速率对试件破坏的影响主要表现在：裂隙发育程度、破坏块体粒径、破坏块体数目、能量释放速度、破坏形式、失稳机制。2）试件碎块具有明显的分类特征。随着加载速率增大,4.75~<10 mm、10~<20 mm两种粒径等级的碎块数量逐渐减少,试件的破碎程度减小;3种试件的长/厚值随着碎块粒径的减小呈现先增加后减小的趋势;对于相同粒径等级内的碎块,其长/厚值随加载速率增大而增大,增大加载速率会促进薄形态碎块生成。3）5种加载速率下,FC、GC、FCG组合体的粒度数量分形维数分别在1.53~0.55、1.27~0.26、1.45~0.46之间,粒度数量分形维数随着加载速率增大而减小,加载速率越大,分形维数越小;FC、GC、FCG组合体粒度质量分形维数分别在2.35~1.48、2.36~1.34、2.34~1.58之间,粒度质量分形维数均随加载速率增大而减小。4）针对煤岩组合体破坏形态,分析了组合体破坏过程的能量传递机制。组合体不断受载,煤组分最先发生破坏,释放的能量直接传递给岩石组分,若达到岩石组分的储能极限,则导致岩石组分发生破坏。煤岩组合体破坏过程的能量传递机制较好地揭示了岩石组分破坏的滞后现象。     

循环扰动荷载作用下花岗岩损伤及破裂特性研究

岩体的稳定性是深部岩、矿开采过程中重需关注的安全问题,而动力扰动是影响岩体稳定性的重要因素。以双江口水电站深部岩石(花岗岩)为研究对象,对花岗岩进行了室内动静组合加载下的单轴压缩试验,并对岩石破坏后的碎屑粒径、分形维数以及岩石加载过程中的损伤演化进行了分析。得到以下结论:1)随着扰动应力幅值的增大,岩石的碎屑分布越趋于均匀;2)岩石在扰动荷载作用下的碎屑粒径分布满足分形规律,可以用分形维数来表征岩石的破碎程度,且分形维数F与扰动幅值Δσ表现出良好的线性关系,即随着扰动幅值增加,分形维数增大,破碎程度加深;3)扰动荷载作用下,损伤变量呈增大-平稳-增大的变化趋势,且扰动幅值Δσ的大小对岩石平稳区段的循环次数和损伤变化速率存在显著影响。     

超细煤粉粒度分布的分形描述

为进一步描述超细粉煤体的粒度分布特征，利用超细煤粉的粒度分布特性和分形特征的数学模型，分析了矿物破碎后块度分布的分形性质。分析结果表明：矿物颗粒从微观损伤发展到宏观粉碎的过程是能量耗散过程，并具有分形性质；各超细煤粉样品的粒度分布的分形维数接近于2.00，说明超细煤粉的表面形状趋近于平面结构。分形维数可以作为确定超细煤粉粒度分布的一个参数．     

考虑级配影响的堆石料力学特性研究

基于分形理论,分别进行了8组级配堆石料的相对密度试验及室内大型三轴压缩试验,试验之后对部分级配进行筛分处理,分析了堆石料不同级配制样分形维数与试样干密度、破碎率、强度特性、破坏比、初始切线模量参数以及体积模量参数之间的规律,建立了堆石料邓肯E-B模型参数与制样分形维数之间的函数关系式,并选用一组级配的三轴试验结果验证函数关系合理性.结果表明:级配是影响堆石料力学特性的重要因素,不同级配本构模型参数的拟合曲线相关性较好,制样分形维数的函数式可以较好地反应级配对堆石料物理力学性质的影响.     

压实对土体空间结构影响的分形描述

为了准确地模拟土体颗粒在压实过程中空间结构的变化,计算土体压实所能达到的最终状密实态,文章采用分形几何原理,建立了土粒径分布、颗粒空间结构与土体变形参数之间的函数关系,提出了土体空间结构分形维数计算公式,计算分析了土体孔隙通道分形维数值;分析表明,随着压实进行孔隙通道的曲折程度增大,孔隙通道的长度变短,土体密实增加;通过Gaudin-Schuhmann粒度分布方程可以定量地由粒径的分布来判断压实所能达到的终极状态,从而更清晰地分析土体微观结构与压实性能之间关系.     

不同应力比下砂岩时滞变形破坏特征研究

高地应力环境下地下洞室中的硬质围岩在开挖过程中极易发生时滞型岩爆.针对地下洞室开挖后围压的实际应力状态,以细砂岩为研究对象开展不同应力水平下的时滞变形破坏试验,并基于分形理论定量描述了破坏后宏观碎屑和破坏断面微观结构的分形特征.研究结果表明：在高应力水平下砂岩表现出显著的时滞变形特征,时滞变形段持续时间随应力比增加呈下降趋势,两者间呈指数函数关系;基于分形理论,通过粒度-数量、质量-粒度、几何参数-数量、盒数维数法等方法计算宏微观分形维数可知,时滞变形破坏程度与分形特征相关性显著,宏微观分形维数随破坏程度增大呈线性增加.研究结果可为阐明岩体时滞变形破坏机理提供一定参考价值.     

煤岩破裂过程CT图像的分形描述

为实时观测煤岩细观破坏过程,采用中国矿业大学(北京)国家重点实验室工业CT检测系统,对煤岩单轴压缩破坏过程进行了CT扫描试验.利用分形理论对煤岩破坏过程CT图像进行分析,得到煤岩试样CT图像裂纹损伤扩展破裂过程的分形维数,计算结果显示CT图像计盒维数随应力的变化趋势与煤岩单轴压缩试件应力-应变曲线趋势吻合.研究结果表明,用半型高斯函数能够较好地描述煤岩试样在单轴压缩荷载作用下计盒维数随荷载的变化规律.     

微结构分维与孔隙率及抗压强度的关系

以交河故城崖体土为研究对象,借助扫描电镜(SEM)手段和分形几何方法,研究了土的微结构分形(包括平面分形和粒度分形).研究表明:崖体土的平面分形维数为1.592～1.793,平均值为1.731;粒度分形维数为1.915～2.655,平均值为2.340.根据最小二乘法,研究了分形维数与土的孔隙率及抗压强度之间的关系.结果表明:交河崖体土的平面分彤维数与其孔隙率及抗压强度呈线性相关,而粒度分形维数与孔隙率及抗压强度旱幂指数关系.该研究成果为通过微结构分形表征土的孔隙性及抗压强度提供了依据.     

红层填料分数维与水理特性相关性研究

红层填料的现场耙压施工中的重复"压碎-翻松"过程具有自相似特征,因此所得破碎产物的粒度特征可用分数维描述.基于填料破碎的分形机理,构造了利用室内试验设备模拟现场耙压工艺破碎填料方法,进而研究了重复"压碎-翻松"过程中不断破碎的红层填料分数维变化规律.在此基础上,制备不同分数维填料,用于研究粒度特征对填料压实效果和水理性质的影响.研究结果表明,在相同的压实参数下,填料分数维越大越容易压实;具有相同压实度的填料,其分数维越大,浸水膨胀量越小,压缩性能越低.基于填料崩解性和分形理论,分析了其中机理.成果在一定程度上揭示了粒度特征对红层填料水理性质影响的规律.     

构造煤组合体单轴加载下裂隙演化及分形规律

为研究不同占比的构造煤-原生质煤组合体压裂后的裂隙演化规律及分形特征,运用单轴加载试验手段,得到了5种不同占比构造煤组合体的裂隙长度、角度及分形维数演化规律。结果表明,随构造煤占比的增大,组合体抗压强度、弹性模量均呈减小的趋势,而峰值应力应变呈增大的趋势,组合体整体特性向构造煤的脆性特性靠近,破坏形式从剪切破坏逐渐过渡到拉伸破坏。随构造煤占比的增大,主裂隙扩展时间占比由14%增大至59%,主裂隙平均扩展速率由0.76 mm/s增长至2.34 mm/s,主裂隙角度平均变化速率由3.07°/s减小至0.70°/s,煤体交界处的主裂隙角度和主裂隙角度平均变化速率均逐渐减小。随着不断的加载,组合体分形维数逐渐增大,各峰值应力处分形维数普遍分布在0.99～1.31。随着主裂隙角度的变化,全原生质煤试件主裂隙不同角度的分形维数逐渐减小,全构造煤试件主裂隙不同角度的分形维数逐渐增大,其他占比的构造煤组合体不同角度的主裂隙分形维数均先增加后减少,且其变化均发生在各自的煤体交界处。揭示了不同占比的构造煤组合体在加载过程中的裂隙扩展与角度的有关变化规律,为煤矿安全开采提供理论依据。     

高应力条件下南京砂破碎特性的试验

对南京砂进行了不同终止压力下的侧限压缩试验,研究其高应力下的破碎特性.对试验前后的试样进行颗粒分析,并运用修正后的Hardin模型对其破碎进行了度量,分析了试样的粒径及级配与破碎率之间的关系.结果表明:当应力从20MPa增加到120MPa时,不同粒径土样发生了不同程度的破碎;粒径为0.5～1mm的颗粒在相同的应力下相对破碎Br明显小于粒径为2～5mm的颗粒;2种不同级配的颗粒,级配良好的试样在应力为120MPa时Br为16%,而级配不良的试样在相同应力下Br为26%.因此,颗粒破碎程度随所受压力和颗粒粒径增加而增大,且颗粒级配越差颗粒破碎率越高.     

液化气扩散火焰的分形结构特征

基于图像处理方法和分型理论研究了液化气扩散火焰边缘分形结构特征。沿火焰轴向将火焰均分为5个区域,研究火焰边缘分形维数沿火焰轴向的变化,通过改变中心通道氧气速度,研究火焰长度、分形维数与过氧系数的关系。研究结果表明:随着过氧系数的增大,火焰长度逐渐缩短;火焰波动范围也减小,从喷嘴到火焰末端分形维数先减小后增大,并且变化范围不大。     

不同级配填土压实及渗透特性试验研究

针对不同级配的粉土、黏土,进行了粉土、黏土的击实特性试验和渗透特性试验研究,绘制了不同击实功作用下和不同级配粉土、黏土的干密度曲线,得到了不同击实功作用和不同级配的粉土、黏土干密度变化规律,探讨了不同压实度的粉土、黏土的渗透特性。试验结果表明:不同级配的粉土、黏土中存在一个最佳击实功,并且在该击实功下,可获得其最大干密度;与此同时,黏土可以通过掺入粗颗粒改变其压实特性,而对于粉土,通过掺入粗颗粒改变级配,并不能有效地改变其压实特性;填土的渗透特性随着压实度的增大而呈现非线性变化。     

固阀塔板上密集鼓泡区气泡的运动行为特征

利用双头电导探针测定了固阀塔板上密集鼓泡区气泡的运动速度,考察了密集鼓泡区不同轴向高度的气泡速度分布规律及其分形特征,分析了塔板上密集鼓泡区的气泡运动行为。研究结果表明:不同轴向高度处气泡速度沿同方向的分布具有相似性,近塔中心区域气泡速度变化平缓,呈弱双峰分布;塔板上气泡速度分布具有分形特征,分形维数为1.04~1.25,且随轴向高度的增加均先减小后增大;深层鼓泡区内气泡速度分布的分形维数可以较好地表征气泡运动的湍动强度,两者之间存在线性关系,气泡流湍动强度及分形维数与泡沫层高度间存在指数函数关系。