级配碎石CBR数值试验方法及其应用

论文摘要

级配碎石属典型的颗粒性材料,物理力学特性复杂,采用连续介质力学理论和常规的室内试验手段难以从本质上揭示其复杂的力学性状和破坏机理。因此,论文应用PFC2D构建级配碎石CBR数值试验方法,在对其可靠性验证的基础上,分析微力学参数和试验条件对其影响规律,研究单规格粗集料、合成粗集料、单规格细集料、合成细集料和粗细混合集料的密实度和CBR规律,进而提出强嵌挤骨架密实级配,主要结论如下：(1)分析了级配碎石CBR的细观机制,结果表明：随着压头贯入量的增大,集料的位移矢量呈锥形向下方扩展,细观接触力在压头处集中后向试件底部扩展；压头对试件的贯入作用主要体现在垂直方向,对水平方向的影响不大；压头并非仅扰动试件的表层集料,对深层集料的影响亦很显著；(2)分析了试验条件对级配碎石CBR数值试验的影响,结果表明：加载速率对CBR数值试验结果影响不大；CBR值随着压头直径、试件直径和试件高度的增大而降低；当试件高度和直径均大于15cm时,试件尺寸对CBR数值试验结果影响不显著。在此基础上提出了级配碎石CBR数值试验的标准试验条件：加载速率为1～3mm/min、压头尺寸为φ5cm、试件尺寸为Φ15cm×h15cm;(3)分析了微力学参数对CBR数值试验的影响,结果表明：随着摩擦系数的增大,CBR曲线逐渐趋于平缓且CBR值增大,但当其大于0.7后,这种变化趋势渐不明显；相比于摩擦系数,剪切模量对CBR曲线形态影响不大,但CBR值随着剪切模量的增大而呈线性增长；泊松比对CBR数值试验结果影响不大。在此基础上,提出了一种快速准确的微力学参数标定方法；(4)以河南浚县石灰岩碎石为例对强嵌挤骨架密实级配的力学性能进行了室内试验验证,结果表明：由该级配组成的级配碎石的CBR值和抗压强度分别为规范级配的1.16倍和1.12倍以上,证明了其具有良好的力学性能。此外,论文应用PFC2D初步构建了级配碎石三轴数值试验方法、直剪数值试验方法和无侧限抗压强度数值试验方法,并通过室内试验验证了其可靠性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第—章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 级配碎石研究现状
• 1.2.2 颗粒流应用现状
• 1.3 主要研究内容
• 第二章 颗粒流理论与方法
• 2.1 颗粒流理论
• 2.1.1 基本假设
• 2.1.2 物理力学模型
• 2.1.3 边界条件和初始条件
• 2.2 颗粒流方法
• 2.2.1 计算特点
• 2.2.2 计算法则
• 2.2.3 应力应变关系
• 2.3 本章小结
• 第三章 级配碎石CBR数值试验方法的构建
• 3.1 级配碎石CBR数值试验构建思路
• 3.2 级配碎石CBR数值试验方法的构建
• 3.2.1 基本命令
• 3.2.2 CBR试件的模拟
• 3.2.3 CBR试验条件的模拟
• 3.2.4 CBR试验过程的模拟
• 3.2.5 CBR试验结果的整理
• 3.3 CBR数值试验方法的可靠性
• 3.4 CBR数值试验的细观机制
• 3.4.1 细观矢量场
• 3.4.2 细观力学特征
• 3.5 本章小结
• 第四章 级配碎石CBR数值试验的影响因素
• 4.1 试验条件的影响
• 4.1.1 计算时步
• 4.1.2 加载速率
• 4.1.3 压头尺寸
• 4.1.4 试件尺寸
• 4.2 微力学参数的影响
• 4.2.1 摩擦系数
• 4.2.2 剪切模量
• 4.2.3 泊松比
• 4.3 微力学参数的标定方法
• 4.3.1 标定方法
• 4.3.2 实施示例
• 4.4 本章小结
• 第五章 CBR数值试验方法的应用—级配碎石强嵌挤骨架密实级配研究
• 5.1 级配类型及强度构成原理
• 5.2 强嵌挤粗集料骨架级配研究
• 5.2.1 矿料密实度数值试验方法
• 5.2.2 数值试验结果
• 5.2.3 粗集料级配评价指标
• 5.2.4 单规格粗集料的CBR规律
• 5.2.5 两种规格合成粗集料的CBR规律
• 5.2.6 三种规格合成粗集料的CBR规律
• 5.3 细集料密实级配研究
• 5.3.1 数值试验结果
• 5.3.2 单规格细集料的密实度规律
• 5.3.3 两种规格合成细集料的密实度规律
• 5.3.4 三种规格合成细集料的密实度规律
• 5.3.5 0.6mm以下集料的最佳用量的确定
• 5.4 强嵌挤骨架密实级配研究
• 5.4.1 粗细混合集料的CBR规律
• 5.4.2 强嵌挤骨架密实级配的提出
• 5.4.3 室内试验验证
• 5.5 本章小结
• 第六章 级配碎石力学性状的数值试验方法初探
• 6.1 级配碎石三轴数值试验方法
• 6.1.1 虚拟试件的成型
• 6.1.2 试验过程的模拟
• 6.1.3 试验结果的可靠性
• 6.2 级配碎石直剪数值试验方法
• 6.2.1 虚拟试件的成型
• 6.2.2 试验过程的模拟
• 6.2.3 试验结果的可靠性
• 6.3 级配碎石无侧限抗压强度数值试验方法
• 6.3.1 虚拟试件的成型
• 6.3.2 试验过程的模拟
• 6.3.3 试验结果的可靠性
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢