基於顆粒破碎尺寸效應的岩堆體剪下強度理論研究

項目摘要

隨著土地資源越來越稀缺，岩堆體地基將在我國今後的工程實踐中經常遇到，岩堆體的剪下強度是地基承載力和穩定性分析的最基本參數，在工程設計中首當其衝地需要。以往確定含巨礫岩堆體的剪下強度是進行縮尺處理，根據縮尺後試料的剪下強度外推估算岩堆體剪下強度，外推估算遇到縮尺試料選擇難、擬合參數離散等難題。本項目在建立顆粒破碎的分形模型和假設剪下強度為顆粒間的摩擦力的基礎上，建立岩堆體剪下強度理論，導出顆粒破碎強度的尺寸效應，由此根據細顆粒岩堆體的剪下強度計算含巨礫岩堆體的剪下強度，並採用顆粒破碎強度和岩堆體剪下強度試驗數據驗證提出的剪下強度理論，顆粒破碎強度採用單顆粒壓縮試驗確定，剪下強度通過不同尺寸的直剪儀和三軸儀測量。本課題提出的剪下強度理論中的計算參數包括顆粒破碎的分維、破碎強度和細粒料的內摩擦角，計算參數物理意義明確，參數取值範圍確定，確定方法規範，易於實際工程套用，並用試驗數據進行廣泛驗證。

結題摘要

粗粒岩堆體在自然界及工程中很常見，具有壓縮性小、強度高、填築密度大、透水性強、固結速度快等工程特點，因此粗粒岩堆體常作為填料廣泛套用於溝塘回填、鐵路公路地基、水利大壩等工程中。粗顆粒容易發生破碎，引起顆粒粒徑、級配改變，影響岩堆體的剪下強度。本項目通過粗顆粒的衝擊破碎試驗和單顆粒壓縮破碎試驗，證明顆粒破碎符合分形模型，揭示顆粒破碎強度的尺寸效應；基於顆粒接觸點分布的分形模型，假設剪下強度是顆粒接觸面上的摩擦力，導出用正應力冪函式表示的粗粒土剪下強度公式，冪函式的指數是顆粒破碎分維的函式，採用粗顆粒材料的直剪試驗結果驗證了岩堆體的剪下強度理論。另外，採用離散單元法模擬了粗顆粒壓縮破碎過程和直剪試驗，從微觀解釋了粗顆粒破碎模式，驗證了單顆粒壓縮破碎強度和岩堆體的剪下強度理論，取得以下成果：（1）建立顆粒破碎的分形模型，提出顆粒破碎分維的確定方法基於Steacy和Sammis（1991）顆粒破碎的分形模型，揭示了顆粒破碎分形理論的物理機理，提出篩分法確定顆粒破碎分維。選取了大理岩、垃圾爐渣和生物質爐渣進行衝擊破碎試驗，採用篩分試驗分析了三種材料顆粒破碎後的分布特徵，計算了顆粒破碎的分維。（2）提出“真分維”和“似分維”的概念，揭示了“似分維”演化規律顆粒破碎分維隨著破碎應力和破碎能量增加而增加，顆粒完全破碎後的粒徑分布的分維趨於定值，為2.6左右。將顆粒破碎過程中變化的分維稱為顆粒破碎的“似分維”，簡稱分維；分維的極限值稱為“真分維”。揭示了顆粒破碎幾率與破碎（似）分維的關係，建立了分維與破碎應力和破碎能量的對數正相關關係。隨著破碎能量和破碎應力增加，顆粒破碎幾率增大，破碎分維增加。（3）揭示了顆粒破碎強度的尺寸效應，建立了破碎強度與粒徑的理論關係基於顆粒破碎的分形模型，揭示了顆粒破碎強度隨粒徑增加而減小的規律。根據顆粒破碎面的分形模型，建立了顆粒破碎強度與顆粒粒徑的理論關係，提出了顆粒破碎強度的計算方法。根據單顆粒壓縮破碎試驗，將單顆粒壓縮試驗的力－位移曲線分為三種類型，並與顆粒形狀建立聯繫。（4）提出了Weibull的計算公式，修正了Weibull統計理論假設固體顆粒是D維的分形體，基於顆粒破碎強度的尺寸效應，提出Weibull模量m的計算公式，對顆粒破碎幾率的Weibull理論進行修正。（5）揭示了粗顆粒料剪下強度冪律的機理，建立了粗顆粒料剪下強度

基於顆粒破碎尺寸效應的岩堆體剪下強度理論研究

基本介紹

項目摘要

結題摘要

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