堆石料的颗粒破碎应变及其数学模拟

论文摘要

堆石料在高应力作用下会发生较严重的颗粒破碎现象,并会对其变形和强度特性产生较大的影响。目前针对颗粒破碎的试验研究工作主要采用天然堆石料进行,存在颗粒破碎不易控制和颗粒破碎率不能准确确定等问题,难以进行定量的研究工作。为了深入研究颗粒破碎机理及其对堆石体强度和变形的影响,本文采用水泥椭球人工模拟堆石料进行了系列的常规三轴试验研究,探讨了颗粒破碎的特性和破碎变形的机理。本文取得的主要新成果有:1.人工模拟堆石料制备方法研究。采用水泥净浆浇筑不同强度的椭球颗粒的方法,成功制备了一种新的人工模拟堆石料。与已有的同类人工材料相比,本文制备的水泥椭球模拟堆石料更加接近天然堆石料的力学性质,且具有初始形状规则和颗粒强度可控的优点。2.人工模拟堆石料颗粒破碎三轴试验研究。采用五种不同颗粒强度的水泥椭球模拟堆石料,针对颗粒破碎特性进行了系列的常规三轴试验,包括完整三轴试验、过程三轴试验、等向固结试验和往复加卸载试验等。利用人工模拟料颗粒可数的优点,对试验后颗粒破碎的情况进行了详细的统计和筛分。3.颗粒破碎特性研究。根据水泥椭球模拟堆石料三轴试验成果,对颗粒破碎的方式、破碎后的粒径分布、破碎率变化过程以及破碎功等颗粒破碎特性进行了系统的分析和探讨,提出了颗粒破碎最优状态线的概念。4.颗粒破碎对堆石体强度和变形的影响机理研究。分析了颗粒破碎对堆石料损伤和压密硬化的双重作用机理,建立了可反映颗粒破碎作用机理的强度计算公式。根据不同颗粒强度模拟堆石料试验结果,定量地分离出了破碎体应变。发现破碎体应变颗粒破碎率之间存在唯一性关系,并可用幂函数进行拟合。5.考虑颗粒破碎影响的弹塑性本构模型。基于沈珠江双屈服面模型,通过引入本文有关颗粒破碎的研究成果,建立了可考虑颗粒破碎特性的堆石料弹塑性本构模型。该模型对堆石料发生颗粒破碎后的力学特性具有更好的适用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 颗粒破碎的试验研究
• 1.2.1 人工材料模拟技术
• 1.2.2 颗粒破碎特性及数学描述
• 1.2.3 颗粒破碎对土体宏观力学性质的影响
• 1.2.4 颗粒破碎的细观试验及成果
• 1.3 考虑颗粒破碎影响的本构模型研究
• 1.3.1 弹塑性模型
• 1.3.2 损伤模型
• 1.3.3 边界面模型
• 1.3.4 二元介质模型
• 1.4 本文主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 第2章 天然堆石料人工模拟试验方法研究
• 2.1 天然堆石料的工程特性简介
• 2.2 模拟材料的选取方案和制备方法
• 2.3 标准立方体试块抗压强度试验
• 2.4 单个颗粒抗压强度试验
• 2.5 本章小结
• 第3章 人工模拟堆石料常规三轴试验
• 3.1 试验仪器和试验方法
• 3.2 试验方案
• 3.3 三轴试验应力结果
• 3.3.1 完整三轴试验结果
• 3.3.2 过程三轴试验结果
• 3.3.3 往复加卸载三轴试验结果
• 3.3.4 等向固结试验结果
• 3.4 模拟堆石料应力变形特性分析
• 3.4.1 颗粒强度对模拟堆石料应力应变曲线特性的影响
• 3.4.2 模拟堆石料和天然堆石料应力变形特性的比较
• 3.5 破碎颗粒筛分统计结果
• 3.5.1 完整和过程三轴试验破碎颗粒筛分统计结果
• 3.5.2 往复加卸载三轴试验破碎颗粒筛分统计结果
• 3.6 本章小结
• 第4章 人工模拟堆石料颗粒破碎特性研究
• 4.1 模拟堆石料颗粒破碎的形态与方式
• 4.1.1 破碎形态
• 4.1.2 破碎方式
• 4.2 破碎颗粒粒径大小分布规律研究
• 4.2.1 完全破碎颗粒的粒径分布规律
• 4.2.2 残余完整颗粒和残缺颗粒的粒径分布规律
• 4.2.3 颗粒破碎最优状态线和破碎率B
• 4.2.4 颗粒破碎粒径分布规律的试验验证—Cambria 砂三轴试验结果
• 4.3 常用颗粒破碎率指标的对比分析
• 4.3.1 常用颗粒破碎率指标
• 4.3.2 基于破碎颗粒体积的破碎率指标Bv
• 4.3.3 常用颗粒破碎率指标的对比分析
• 4.4 颗粒破碎与破碎能量关系
• 4.4.1 破碎功及其变化规律
• 4.4.2 颗粒破碎率估算公式的对比分析
• 4.4.3 基于塑性功的破碎率计算公式
• 4.5 起始破碎围压力与起始破碎轴向应变
• 4.6 本章小结
• 第5章 不破碎材料的变形和强度特性
• 5.1 试验方法和试验结果
• 5.2 应力应变曲线特性
• 5.3 强度特性
• 5.3.1 峰值强度
• 5.3.2 残余强度
• 5.4 不破碎颗粒材料的剪胀特性
• 5.4.1 不破碎颗粒材料的剪胀因子
• 5.4.2 不破碎颗粒材料的剪胀方程
• 5.5 本章小结
• 第6章 颗粒破碎对模拟堆石料强度和变形特性的影响
• 6.1 颗粒破碎对模拟堆石料强度特性的影响
• 6.1.1 峰值强度与残余强度
• 6.1.2 线性强度指标和非线性强度指标
• 6.1.3 堆石料强度机理分析
• 6.2 考虑颗粒破碎影响的强度计算公式
• 6.3 颗粒破碎对模拟堆石料变形特性的影响
• 6.4 本章小结
• 第7章 考虑颗粒破碎影响的弹塑性本构模型
• 7.1 沈珠江双屈服面模型简介
• 7.2 考虑颗粒破碎影响的体变计算公式
• T表达式的修正'>7.3 切线变形模量E_T表达式的修正
• 7.3.1 强度模型修正
• 7.3.2 应变软化现象的模拟
• 7.4 修正模型综述及模型验证
• 7.4.1 基本方程
• 7.4.2 模型参数及确定方法
• 7.4.3 修正模型的验证
• 7.5 本章小结
• 第8章 结论与展望
• 8.1 研究成果和结论
• 8.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果