粒状土颗粒破碎机理的试验研究

论文摘要

目前国内对颗粒破碎的研究主要集中在低应力水平下的静、动土力学性质上,对高应力水平下的工作开展得较少。随着堤坝、隧道等工程项目规模的不断扩大,高应力下的土颗粒破碎越来越多,它的研究也逐渐得到人们的重视。本文通过自制压缩装置对两种粒状土进行了高压应力下的侧限压缩试验,并对压缩后的颗粒进行颗粒分析试验,探讨了它们的压缩机理,并结合分形理论、图像分析等手段对颗粒破碎进行了详细分析。具体研究内容及主要研究成果如下：(1)对颗粒材料的侧限压缩试验及颗粒分析试验(粒径大于0.074mm的颗粒采用筛分法,小于0.074mm的颗粒采用激光粒度仪)进行了简单的介绍。(2)分析了粒状土在高压应力下的压缩变形特性,结果显示其压缩和回弹曲线符合双线性压缩模型。(3)通过五种不同的方法(B15、B60、B10、Hardin破碎率和Einav破碎率)来度量颗粒的破碎,指出了颗粒级配、荷载等级与破碎量之间的关系：随着荷载等级的增加,破碎使得颗粒级配朝更加良好的方向发展。重点对粒径小于0.074mm的颗粒破碎情况进行了分析,将极限破碎粒径设定为0.36μm来计算Hardin破碎率。以最高等级荷载204.8MPa为颗粒破碎的极限分布计算Einav相对破碎率,得出了与Hardin类似的特征曲线。并以Einav破碎率为基础,分析了孔隙比与破碎率之间的关系。(4)利用分形理论对颗粒的破碎进行描述,并发现原级配土样存在分段分形规律。破碎分维数D与相对破碎率Br之间有着密切的关系,经线性拟合后,发现二者的线性关系相当显著,相关系数介于0.9466至0.9901之间。说明分维数D作为度量颗粒破碎的一种量化指标是合理的。(5)利用图像分析对颗粒破碎前后的形状进行分析,根据颗粒图像的圆形度、表面分维数等参数的变化,为解释颗粒的破碎机理提供了一种良好的手段。最后,对本文的研究成果进行了总结,并就颗粒破碎的研究方向做出了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 土颗粒的破碎
• 1.2.2 土颗粒的分形
• 1.3 本文主要工作
• 1.3.1 目的及内容
• 1.3.2 研究方法
• 1.3.3 技术路线
• 1.4 本文的特色与创新点
• 第2章 粒状土颗粒材料的试验
• 2.1 前言
• 2.2 试验材料
• 2.2.1 材料来源
• 2.2.2 材料的基本物理性质
• 2.3 试验方法
• 2.3.1 侧限压缩试验
• 2.3.2 颗粒分析试验
• 2.4 本章小结
• 第3章 粒状砂土的压缩
• 3.1 前言
• 3.2 侧限压缩
• 3.2.1 试验分析
• 3.2.2 双线性模型
• 3.3 本章小结
• 第4章 粒状土颗粒的破碎
• 4.1 前言
• 4.2 土颗粒的破碎
• 4.2.1 破碎的分类
• 4.2.2 破碎的度量
• 4.2.3 影响因素
• 4.3 破碎分析
• 4.3.1 破碎率的计算
• 4.3.2 破碎分析
• 4.3.3 孔隙比与破碎率间的关系
• 4.4 本章小结
• 第5章 破碎分形
• 5.1 前言
• 5.2 分维数的定义
• 5.2.1 拓扑维数和豪斯道夫维数
• 5.2.2 相似维数
• 5.3 分形模型
• 5.3.1 数量分形模型
• 5.3.2 质量分形模型
• 5.4 颗粒破碎的分形描述
• 5.4.1 颗粒的破碎分维数
• 5.4.2 分维数与破碎率间的关系
• 5.4.3 分维数与压力间的关系
• 5.5 本章小结
• 第6章 图像分析
• 6.1 前言
• 6.2 图像分析
• 6.2.1 试样的制备
• 6.2.2 圆形度
• 6.2.3 表面分维数
• 6.3 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间发表和撰写的论文
• 作者在攻读硕士学位期间参与的主要科研项目