玻璃球模拟堆石料强度和变形特性试验研究

堆石料具有显著的颗粒破碎和三维形状特性,该特性对材料的整体强度和变形特性的影响不容忽视。为剥离颗粒破碎和三维形状特性对堆石料强度和变形特性的影响,采用玻璃球来近似模拟堆石料,基于中型三轴仪器分析了颗粒组构对强度和变形特性的影响。结果表明:在颗粒破碎不明显的工况下,玻璃球能够近似模拟堆石料的强度和变形特征,颗粒破碎对试样的强度影响要低于其对体积应变的影响;材料的峰值强度随着颗粒直径的增大而增大,体积应变随着颗粒直径的增大而减小;在孔隙比相近的情况下,颗粒级配的变化对材料的强度影响较小,对体积应变影响较大,小颗粒掺入有助于改善级配和控制剪胀变形。     

玻璃球动弹性模量特性试验和数值模拟研究

堆石料颗粒形状较为复杂,且存在明显的颗粒破碎特征。为剔除颗粒形状对堆石料动力特性的影响,在不考虑颗粒破碎的情况下,采用玻璃球模拟堆石料进行动三轴试验,分析了试验围压对玻璃球动弹性模量的影响。基于动三轴试验成果,开展了细观数值模拟研究。研究表明:玻璃球的动弹性模量变化规律与堆石料的基本一致;三维颗粒流方程能较好地模拟该材料的动弹性模量特性;随着粗细颗粒直径跨度增大,试样级配关系增强,最大动弹性模量随之增大;细颗粒直径变小和粗颗粒直径变大都将引起最大动弹性模量的增大。试样的动弹性模量随着细观剪切模量的增大而增大,近似为幂函数关系,动应变降低。     

堆石料双轴试验数值模拟研究

颗粒形状对堆石料的力学特性有着明显的影响。采用二维颗粒流程序建立5种不同形状特征的颗粒簇,开展了不同围压下堆石料的双轴试验的数值模拟研究,分析了不同形状特征对堆石料的破碎特性及其宏观力学性质的影响。分析过程中考虑堆石料的颗粒破碎特征,对布拉斯谢克形状系数s进行修正,提出了考虑颗粒形状特征的修正系数s′。研究结果表明:堆石料的破碎率随着修正后的形状系数s′值的增加而减少,其规律接近于反比例函数线;数值模拟过程中,5种试样随着轴向应变的增加呈先剪胀后剪缩的趋势,且越圆润的颗粒峰值体应变越大;材料的峰值强度随着s值的增大而增大。     

堆石料强度和变形性质的大型三轴试验及模型对比研究

在饱和试样大型三轴试验成果基础上,对两种堆石料(垫层料、次堆石)的变形与强度特性变化规律进行了总结。认为围压是影响堆石料强度和变形特性的最重要因素;堆石料的非线性应力应变关系用邓肯张模型和指数模型来拟合都基本令人满意,但指数模型会高估初始剪切模量;堆石料的径向应变与轴向应变关系可以分成两段,并能够依次用双曲线和直线来模拟;随着围压的升高,堆石料的剪胀性会急速降低,颗粒破碎可能性会增加,因此相应的最大主应力比和内摩擦角会随之发生明显的减小,并且可以用幂函数关系很好的拟合它们与围压的关系。     

基于大型三轴试验的红砂岩粗粒土强度与变形特性研究

红砂岩粗粒土常作为我国南方地区的路基填料,因其易发生颗粒破碎而影响路基的安全稳定性,故深入开展其力学特性研究十分必要。文中选取湘南地区的红砂岩为研究对象,对其开展大型三轴试验,研究不同粗颗粒含量的试样在不同围压、不同压实度下的强度与变形特性。试验结果表明：在低围压时,粗颗粒含量较少的试样变形特性表现出应变软化,而在高围压时,表现为应变硬化特性;对于粗颗粒含量较多的粗粒土,在不同围压下均表现出应变硬化特性。在压实度相同的情况下,随着围压增大,峰值强度逐渐增大,应变硬化特征更趋明显。在围压和级配不变的情况下,随着压实度提高,抗剪强度逐渐增大,表现出低压实度应变软化向高压实度应变硬化特性的转变。应力-应变曲线表明,峰值强度与粗颗粒含量、围压、压实度具有良好正相关关系。通过绘制莫尔圆,发现其强度包络线表现为非线性,可采用幂函数进行拟合。计算结果表明,内摩擦角随着围压的增大而逐渐减小。     

粗粒料颗粒形状对材料宏观力学性能的影响∗

粗粒料的颗粒形状是影响材料宏观力学性能的重要因素,大型三轴试验的局限性限制了粗粒料微观结构对力学性能影响的研究。基于二维颗粒流理论,利用PFC2D建立4种不同形状的颗粒簇,进行了双轴实验的颗粒流数值模拟,建立形状与宏观力学性能和变形特征的相互关系。结果表明:颗粒形状系数与材料内摩擦角近似呈线性关系,随着形状系数的增加内摩擦角递减;材料强度峰值和残余强度随着颗粒形状系数的增加而减小;材料初始切线模量随着形状系数的增加而减小;数值模型在加载过程中先出现剪缩效应,后产生剪胀效应,且同一形状颗粒的试样,围压越大,剪胀变形越明显;不同形状颗粒的试样达到最终应变软化状态之前,形状系数越小,剪缩效应越不明显,反之,剪胀效应越明显。     

中线法堆坝尾矿料的动力特性实验研究

以云南迪庆羊拉铜矿的尾矿料为研究对象,通过大量动力三轴试验,研究了中线法堆坝工艺所要求的不同粗粒含量尾矿砂的动力液化特性。结果表明,粗粒含量对尾矿砂的动力特性具有重要影响,粗粒含量变化与尾矿料动应变和动孔压变化特性之间存在紧密的相关性,随着粗粒含量的增加,尾矿砂动强度总体上呈增大趋势;动孔压的增长特性也具有类似规律,但三者在动应变达到5%时,其值均远小于围压。动应力对动应变影响显著,应力幅值越大,达到破坏标准的振次越少;动强度则随着固结压力增加而增大;而固结比Kc对动强度的影响不是单一的增大或减小,Kc=1.5时,其动强度比Kc=1.0,2.0的都大。试验同时表明,粒径组成粗细兼顾,级配良好的尾矿砂通常比粒径单一的粗尾砂具更好的抗液化性能,在通过提高粗粒含量来增大尾矿砂抗震性能时,还应考虑颗粒级配特性的影响。     

含粗颗粒花岗岩残积土大型直剪试验研究

花岗岩由于风化不完全,所以其砾石颗粒含量一般较高,颗粒直径从几厘米到数米不等,直径较大的颗粒通常演化成风动石、石碑等自然景观。粗颗粒含量对土体的强度变形特性以及颗粒破碎有一定的影响。本文利用大型直剪仪,对福州地区花岗岩残积土进行不同粗颗粒含量下的大型直剪试验,并且对每次试验前后进行颗分试验,以研究剪切过程颗粒破碎的影响。试验结果表明:混合土体在不同的竖向压力下,均表现出应变硬化特征;当粗颗粒含量较大(P_5≥30%)、竖向压力较高(σ=300 kPa、400 kPa)时,应力应变曲线没有出现峰值;随着粗颗粒含量的增加,花岗岩残积土的粘聚力c呈现先减小后增加的趋势,转折点在P_5=30%,而内摩擦角φ则一直呈现上升的趋势;粗粒土颗粒破碎率与粗颗粒含量和竖向压力皆呈正相关关系,但是竖向压力和粗颗粒含量较低时,粗颗粒之间互相接触的作用力没有达到粗颗粒承载极限值,颗粒破碎现象不明显。     

混凝土动态力学性能数值模拟研究

数值模拟是研究混凝土动态力学性能主要手段之一。编写二维混凝土多边形粗骨料随机分布程序,利用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA对直径74mm、高70mm混凝土在不同冲击速度下的动态响应进行模拟,分析冲击速度、粗骨料最大粒径、最小粒径和体积含量对多边形粗骨料混凝土动态特性影响,考察多边形粗骨料混凝土动态破坏模式。数值模拟表明:混凝土表现出明显的率敏感性;随着粗骨料颗粒最小粒径增大,多边形粗骨料混凝土峰值应力逐渐减小;随着粗骨料颗粒最大粒径增大,多边形粗骨料混凝土峰值应力呈现先增大后减小趋势;当粗骨料体积含量小于40%时,随着粗骨料体积含量增加,多边形粗骨料混凝土峰值应力逐渐增大,当粗骨料体积含量大于40%时,随着粗骨料体积含量增加,多边形粗骨料混凝土峰值应力逐渐减小。     

复杂应力条件下EPS颗粒轻质混合土的动模量和阻尼比特性

目前EPS颗粒轻质混合土的动变形特性研究主要借助于常规的动三轴剪切试验,受仪器条件限制往往不能考虑EPS颗粒轻质混合土的复杂初始应力状态,也不能考虑复杂的应力路径,比如地震、波浪以及交通荷载等。针对这一问题,利用GDS空心圆柱扭剪仪,考虑复杂初始应力状态,研究交通荷载作用下EPS颗粒轻质混合土的动变形特性,分析EPS颗粒体积比Ve/Vs、初始平均有效固结压力p0、初始固结应力比R0、初始中主应力系数b0和初始大主应力方向角α05个因素对EPS颗粒轻质混合土的动模量和阻尼比特性的影响。试验结果表明:Ve/Vs对试样动力变形特性的影响与p0有关;在相同应变水平下,随着R0增大,试样的动模量增大,而阻尼比变化不大;p0对试样动力变形特性有显著影响,相比之下α0和b0的影响较小。     

粗粒料湿化变形数值模拟研究

粗粒料湿化变形特性对土石坝静力稳定有着显著影响。目前开展的三轴试验和直剪试验研究,一般只能进行干样和饱和样的试验,而对于非饱和情况研究较少。基于粗粒料不同围压下湿化变形试验研究成果开展数值模拟研究,结果表明:湿化变形的影响可以通过改变细观剪切模量和细观摩擦系数来实现;随着颗粒破碎随饱和度和围压的增加,湿化后粗粒料的强度低、内聚力降低,但摩擦角变化不大。     

堆石料流变的特性研究与反分析

根据堆石料流变的机理分析,认为在力的持续作用下,细化破碎的堆石颗粒滑移充填孔隙是发生蠕变的主要原因,形成对堆石料流变本质的新认识。通过试验比较分析,三轴流变试验和一维蠕变试验对于堆石料流变规律的描述是基本一致的,并与应力状态和时间因素相关,但流变参数却难以通过试验确定。根据4参数堆石料流变(蠕变)关系式和双屈服面弹塑性模型硬化规律随时间的变化,对坝体原型观测资料进行反馈计算确定流变参数。说明采用反馈分析方法是研究堆石料流变参数的有效途径。     

不同拦挡结构对滑坡-碎屑流冲击和堆积特征的影响

滑坡碎屑流是高位滑坡的一种常见运动形式,具有大规模、远程、高速的特点,在滑坡碎屑流运动路径上设置拦挡结构,可减小其致灾范围和致灾强度。文章运用三维离散元模拟软件,研究3种不同拦挡结构对滑坡碎屑运动和堆积特性的影响。研究结果表明:由于拦挡结构的作用,碎屑流颗粒的运动方向发生偏转,同时滑体的速度分布产生显著的变化-滑体最大速度从坡脚处变化到滑槽上颗粒的后缘。随着拦挡结构宽度的增加,法向力显著增大,切向力增加不显著;堆积区面积和最大水平运动距离不断减小,安全区的面积逐渐增加。本文引入无量纲数(Nk)分析颗粒分选效应对不同颗粒的运动和堆积特性的影响,相同拦挡宽度时,K3的Nk值最小,K1的Nk值最大; 3种颗粒的Nk值随着拦挡结构宽度的增加逐渐增大。有拦挡结构时,碎屑流颗粒堆积体积百分比呈现指数函数分布,即随着运动距离的增大逐渐减小;无拦挡结构时,颗粒堆积体积的百分比呈现Extreme函数分布,即体积分布在中间位置附近取得峰值,向两侧呈递减趋势。     

无锡马山抽水蓄能电站堆石料工程特性平行试验研究

通过马山抽水蓄能电站坝体堆石料平行试验研究,认为三种堆石料两次大型三轴剪切试验、侧限单向压缩试验和渗透试验的结果都很接近;堆石料的应力应变关系符合邓肯-张双曲线模型,低围压下会发生剪胀;其压缩性比较低,卸荷回弹量很小,基本都是塑性变形;堆石料的渗透规律基本满足达西定律。堆石料平行试验结果验证了材料的性质能满足工程设计的要求,也说明材料性质的稳定性、试验方法的可行性和试验仪器的准确性均比较令人满意。     

分级加卸载下深部巷道围岩蠕变特性试验研究

采用分级增量循环加卸载方式,对湖南湘煤集团牛马司矿业公司水井头煤矿-300m东大巷二煤层底板粉砂岩进行了单轴蠕变特性试验,探讨了轴向蠕变和各蠕变阶段的非线性粘弹塑性变形特征。试验结果表明,当应力水平低于岩石的长期强度时,粉砂岩只发生衰减蠕变;瞬时塑性应变和粘塑应变随轴向应力的增大而增大,瞬时弹性模量随应力水平增大而增加,而变形模量随应力水平增大和时间的增长逐渐减小,直至趋于某一稳定值;随着应力水平增大,粘弹性应变、粘塑性应变和总蠕变均先减小然后增大,表明低应力下因岩石内部微裂纹不断压密产生应变硬化,高应力下因岩石材料性质不断劣化产生内部损伤发生应变软化。     

高应力作用下钙质砂压缩及颗粒破碎特性试验研究

钙质砂是我国南海岛礁建设的主要材料,因其特殊的生物成因和独特的颗粒结构,其工程力学特性与常见陆源砂有较大差异。通过自行设计的高强加载压力室在三轴固液耦合试验机下对钙质砂进行终止应力在2~100 MPa间的侧限压缩试验,研究了钙质砂在高应力水平下的压缩和颗粒破碎特性,并通过相同试验工况下的石英砂单向压缩试验来进行对比研究。试验结果表明:在高应力作用下,钙质砂比石英砂的压缩变形量大,钙质砂的压缩屈服应力在2 MPa左右,远小于石英砂。钙质砂和石英砂在高应力作用下均会产生明显颗粒破碎,但钙质砂在应力作用下先于石英砂产生颗粒破碎。通过对颗粒破碎进行量化分析发现,两种砂样的颗粒破碎程度均先随应力的增大而增大,随后出现趋于稳定的趋势。     

扇形铅粘弹性阻尼器性能的有限元分析研究

设计了18组不同构造和参数的扇形铅粘弹性阻尼器(SLVD),采用ABAQUS软件对其进行有限元数值模拟分析,研究了铅芯个数、铅芯直径、铅芯布置形式、橡胶剪切模量、薄钢板与橡胶层厚度比及加载应变幅值对其耗能性能和阻尼特性的影响。分析结果表明:SLVD的耗能系数和等效阻尼比随着铅芯个数的增多、直径的增大而增大,随着橡胶剪切模量、应变幅值的增大而减小;铅芯布置形式应以双铅芯形式为宜,薄钢板和橡胶层的厚度之比应控制在0.4~0.5。     

干湿循环作用下泥岩颗粒料崩解试验研究

通过室内模型试验,探究在干湿循环作用下泥岩颗粒料的崩解规律。利用基础熵量化泥岩颗粒料在干湿循环作用下的破碎程度,分析了土体级配随干湿循环的变化规律;引入破碎势的概念量化上覆荷载、粗颗粒含量等对泥岩颗粒料崩解破碎的影响。研究结果表明:崩解过程主要集中在前4次干湿循环中,其中2~4次的干湿循环作用下的颗粒崩解破碎最为剧烈,在经历9次干湿循环之后,泥岩试样由连续级配变为非连续级配;破碎势可以较好的量化分析上覆荷载、粗颗粒含量在干湿循环前后泥岩颗粒料所具有的崩解破碎的概率,总破碎率可以量化描述从具有破碎的概率到发生破碎的这一类泥岩颗粒料占比情况。     

加筋土石坝小型振动台模型试验分析

土石坝振动台模型试验是认识坝体地震破坏过程和检验抗震措施效果的重要手段之一。针对2种坝体材料,利用小型振动台,开展了一系列不同加载工况、不同加筋方式的土石坝小型振动台模型试验。试验结果表明:①2种坝体材料的初始破坏都首先从坝顶开始,表明坝顶是抗震的关键部位,与已有研究成果基本一致;②相同加载条件下,级配较差的碎石料模型坝的抗震性能优于砂砾石料,表明相对于级配,堆石料自身的性质对土石坝抗震性能的影响更大;③由细铁丝网和纱布组成并在坝坡采取包裹处理的复合加筋的抗震措施,抗震效果优于平铺纱布、平铺纱布且在坝坡包裹处理、平铺细铁丝网等的抗震措施。研究成果可供进一步开展土石坝大型振动台模型试验的材料选择、抗震措施设计等参考。     

冰试样动态冲击破坏力学特性实验研究∗

为了进一步探究冰材质动态冲击破坏力学特性,通过分离式 Hopkinson压杆（SHPB）试验装置,采用快速加载、 杆端降温与波形整形技术,保证冰材质的稳定性并实现了加载过程中的动态应力平衡,分析了应变率、温度、长径比、 冻藏时间对冰力学特性与破坏模式的影响。结果表明：在 100 s^-1 ~500 s^-1 的应变率范围内,冰的动态单轴抗压强度与应变率呈现明显的正相关性;小长径比冰温度越低,抗压强度越大,且这种特性会受到应变率的影响;大长径比冰抗压强度随温度的下降而下降,这与体积大导致冰试样受冷不均,内部预应力增大有关;稳定无预应力冰,短冻藏时间会使其强度下降;温度、长径比对冰弹性模量影响明显,小长径比冰弹性模量随温度下降而增大,大长径比冰弹性模量随温度下降而减小;应变率是影响冰材质破坏模式的主要因素,随着应变率的上升,冰材质达到破坏时的轴向裂纹明显增加,形成的破碎产物尺寸明显变小。