颗粒大小是一个重要因素影响Thermal-Hydraulic-Mechanical (THM)沿着岩体的耦合行为,尤其是对剪切力学性能。在这项研究中,三组9粒子的粒径范围和分级样品设计大型直剪试验。剪切应力和剪切位移之间的关系,剪切强度、应力比、剪切强度参数和粒子破碎卵石砾的进行了分析。粒径的影响范围和等级的强度和粒子破碎砾石材料进行了探讨。结果显示明显的粒子破碎直接剪切的过程中,和破碎的程度由正常负载和控制样品的粒度分布。样品的抗剪强度是针对摩尔-库仑强度理论不再适用,因为粒子破碎更符合幂函数关系。剪切强度的卵石砾石材料具有规模效应,以及摩擦系数之间对应的关系模型gydF4y2Ba
研究完整岩石的力学性能,包括抗压强度、抗剪强度和抗拉强度,取得了许多近年来通过大量的测试结果(gydF4y2Ba
的最大粒径卵石参与项目的可达几十厘米,甚至大规模测试仪器不能测试原型的材料。因此,许多学者试图构建粒子分级样品按照要求一定规模的室内试验方法和计算原级配碎石的力学参数。这些学者探索相应的法律的力学参数和粒子大小砾石在可测量的范围内。Buffington等人分析了摩擦角的卵石层表面的天然河床和指出,摩擦角分布可以表示为一个函数测试粒径、床中值粒径、床上排序参数(gydF4y2Ba
在上面的研究中,样品主要是减少整个粒径范围,而对于粒子的小尺寸范围,他们只能被沙子甚至取代淤泥后规模减少,这是完全不同于原始材料的属性。减少后,样品的砾石含量降低,土壤含量增加;因此,控制粒子的分级作为唯一变量是不可能的。在这项研究中,三组9粒子的粒径范围和分级样品设计。粒径的影响在卵石砾石材料的强度是通过大规模的直接剪切试验探索。粒子尺寸效应的碎石材料的抗剪强度进行了探讨。此外,抗剪强度参数之间的关系模型,建立样品的粒度特征,和材料的颗粒破碎特性进行了研究。总之,这项研究提供了一个方法,卵石砾石材料的抗剪强度特性的研究,该模型可以用来预测材料的抗剪强度与不同颗粒级配。gydF4y2Ba
卵石砾实验中使用的材料来自Mianniushan地质露头,宁海县城,浙江,中国。原岩主要由一个凝灰岩和玄武岩的一部分。干燥后的粒子筛选卵石砾石材料恒重。样品的粒度分为三个范围:大(60 - 40毫米),中等(40-10毫米),和小共(毫米)粒径组。9个样品用不同的颗粒分级形成通过调整每个粒子大小的百分比含量的样品,如表所示gydF4y2Ba
卵石砾样品制备。gydF4y2Ba
| 集团gydF4y2Ba | 每个粒子集团的质量百分比(%)gydF4y2Ba | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| (60 - 40毫米)gydF4y2Ba | (40-20毫米)gydF4y2Ba | (20毫米)gydF4y2Ba | (纯毫米)gydF4y2Ba | ||
| 我:大粒径组gydF4y2Ba | 张gydF4y2Ba | 25gydF4y2Ba | 75年gydF4y2Ba | - - - - - -gydF4y2Ba | - - - - - -gydF4y2Ba |
| 我2gydF4y2Ba | 50gydF4y2Ba | 50gydF4y2Ba | - - - - - -gydF4y2Ba | - - - - - -gydF4y2Ba | |
| 我gydF4y2Ba | 75年gydF4y2Ba | 25gydF4y2Ba | - - - - - -gydF4y2Ba | - - - - - -gydF4y2Ba | |
| 二:中等粒径组gydF4y2Ba | II-1gydF4y2Ba | - - - - - -gydF4y2Ba | 25gydF4y2Ba | 75年gydF4y2Ba | - - - - - -gydF4y2Ba |
| II-2gydF4y2Ba | - - - - - -gydF4y2Ba | 50gydF4y2Ba | 50gydF4y2Ba | - - - - - -gydF4y2Ba | |
| II-3gydF4y2Ba | - - - - - -gydF4y2Ba | 75年gydF4y2Ba | 25gydF4y2Ba | - - - - - -gydF4y2Ba | |
| 第三:小粒径组gydF4y2Ba | III-1gydF4y2Ba | - - - - - -gydF4y2Ba | - - - - - -gydF4y2Ba | 25gydF4y2Ba | 75年gydF4y2Ba |
| III-2gydF4y2Ba | - - - - - -gydF4y2Ba | - - - - - -gydF4y2Ba | 50gydF4y2Ba | 50gydF4y2Ba | |
| III-3gydF4y2Ba | - - - - - -gydF4y2Ba | - - - - - -gydF4y2Ba | 75年gydF4y2Ba | 25gydF4y2Ba | |
图gydF4y2Ba
颗粒级配碎石的样本。gydF4y2Ba
样品的粒度特征。gydF4y2Ba
| 样本数量gydF4y2Ba | 限制晶粒尺寸(gydF4y2Ba |
约束平均晶粒尺寸(gydF4y2Ba |
|
有效晶粒尺寸(gydF4y2Ba |
|---|---|---|---|---|
| 张gydF4y2Ba | 50.00gydF4y2Ba | 47.80gydF4y2Ba | 42.00gydF4y2Ba | 30.00gydF4y2Ba |
| 我2gydF4y2Ba | 44.10gydF4y2Ba | 40.00gydF4y2Ba | 31.00gydF4y2Ba | 23.30gydF4y2Ba |
| 我gydF4y2Ba | 34.60gydF4y2Ba | 31.30gydF4y2Ba | 28.70gydF4y2Ba | 21.90gydF4y2Ba |
| II-1gydF4y2Ba | 28.60gydF4y2Ba | 26.00gydF4y2Ba | 21.20gydF4y2Ba | 14.60gydF4y2Ba |
| II-2gydF4y2Ba | 23.00gydF4y2Ba | 20.00gydF4y2Ba | 15.10gydF4y2Ba | 11.50gydF4y2Ba |
| II-3gydF4y2Ba | 16.80gydF4y2Ba | 15.40gydF4y2Ba | 12.80gydF4y2Ba | 10.90gydF4y2Ba |
| III-1gydF4y2Ba | 14.30gydF4y2Ba | 13.00gydF4y2Ba | 10.70gydF4y2Ba | 7.30gydF4y2Ba |
| III-2gydF4y2Ba | 11.50gydF4y2Ba | 10.00gydF4y2Ba | 7.60gydF4y2Ba | 5.75gydF4y2Ba |
| III-3gydF4y2Ba | 8.45gydF4y2Ba | 7.00gydF4y2Ba | 6.45gydF4y2Ba | 5.46gydF4y2Ba |
每个粒子的粒子级将根据设计重粒子级。搅拌均匀后,粒子将加载到三层的剪切盒和压实一层一层地确保每个样本的干密度和颗粒随机分布是一致的。剪切速率为0.1毫米/ s,每组测试样本的垂直荷载下50,100,200和400 kPa。剪切应力和位移是通过数据采集系统记录,和测试时停止剪切位移达到50 mm。在测试结束时,剪切面观察,和照片。此外,三分之一的样品中间的剪切盒二次筛分,研究了颗粒破碎特性。gydF4y2Ba
数据gydF4y2Ba
剪切应力与剪切位移曲线组(大粒径)。gydF4y2Ba
张gydF4y2Ba
我2gydF4y2Ba
我gydF4y2Ba
剪切应力与剪切位移曲线组II(中间粒径)。gydF4y2Ba
II-1gydF4y2Ba
II-2gydF4y2Ba
II-3gydF4y2Ba
剪切应力与剪切位移曲线组三世(小颗粒)。gydF4y2Ba
III-1gydF4y2Ba
III-2gydF4y2Ba
III-3gydF4y2Ba
在相对较小的剪切位移下,剪切盒仍空间粒子移动和转移;剪切应力与位移成线性增加,所以初始剪切应力-应变曲线相对平稳。粒子完全压实后,颗粒破碎或重新安排的咬力,这是造成下降和上升的曲线gydF4y2Ba
最上面的剪应力切向位移有明显的峰值,峰值剪应力是作为抗剪强度。对于那些没有峰值剪应力,切向位移作为样本容量的10% (gydF4y2Ba
抗剪强度的样本。gydF4y2Ba
| 正常负载(kPa)gydF4y2Ba | 抗剪强度(kPa)gydF4y2Ba | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 张gydF4y2Ba | 1 - 2gydF4y2Ba | 1 - 3gydF4y2Ba | II-1gydF4y2Ba | II-2gydF4y2Ba | II-3gydF4y2Ba | III-1gydF4y2Ba | III-2gydF4y2Ba | III-3gydF4y2Ba | |
| 50gydF4y2Ba | 303.46gydF4y2Ba | 291.62gydF4y2Ba | 189.16gydF4y2Ba | 202.13gydF4y2Ba | 201.98gydF4y2Ba | 203.61gydF4y2Ba | 73.34gydF4y2Ba | 67.04gydF4y2Ba | 80.84gydF4y2Ba |
| One hundred.gydF4y2Ba | 473.17gydF4y2Ba | 430.18gydF4y2Ba | 301.36gydF4y2Ba | 361.38gydF4y2Ba | 312.67gydF4y2Ba | 320.58gydF4y2Ba | 131.92gydF4y2Ba | 147.54gydF4y2Ba | 104.76gydF4y2Ba |
| 200年gydF4y2Ba | 570.93gydF4y2Ba | 513.93gydF4y2Ba | 605.45gydF4y2Ba | 436.75gydF4y2Ba | 402.78gydF4y2Ba | 455.53gydF4y2Ba | 222.84gydF4y2Ba | 235.14gydF4y2Ba | 204.26gydF4y2Ba |
| 400年gydF4y2Ba | 1007点gydF4y2Ba | 810.04gydF4y2Ba | 689.47gydF4y2Ba | 645.11gydF4y2Ba | 696.55gydF4y2Ba | 672.61gydF4y2Ba | 454.91gydF4y2Ba | 408.40gydF4y2Ba | 395.85gydF4y2Ba |
应力比是抗剪强度比正常的负载。粒径的影响抗剪强度的样本进一步研究通过分析样本的平均粒径之间的关系和应力比在每个正常的负荷,如图gydF4y2Ba
应力比和之间的关系gydF4y2Ba
随着样本容量的增加,应力比增加一步一步,欣然接受gydF4y2Ba
考虑到岩石土壤混合物的macromechanical模型是非线性gydF4y2Ba
从图中所示的结果gydF4y2Ba
抗剪强度与正常负载基于幂函数拟合图。gydF4y2Ba
表gydF4y2Ba
抗剪强度每个样本的拟合公式和相关参数。gydF4y2Ba
| 样本数量gydF4y2Ba | 拟合公式gydF4y2Ba |
|
|
|
|---|---|---|---|---|
| 张gydF4y2Ba |
|
0.96039gydF4y2Ba | 35.72279gydF4y2Ba | 0.54232gydF4y2Ba |
| 我2gydF4y2Ba |
|
0.96171gydF4y2Ba | 42.11432gydF4y2Ba | 0.48958gydF4y2Ba |
| 我gydF4y2Ba |
|
0.85606gydF4y2Ba | 26.08094gydF4y2Ba | 0.55666gydF4y2Ba |
| II-1gydF4y2Ba |
|
0.96233gydF4y2Ba | 32.19386gydF4y2Ba | 0.49982gydF4y2Ba |
| II-2gydF4y2Ba |
|
0.97055gydF4y2Ba | 17.34879gydF4y2Ba | 0.61255gydF4y2Ba |
| II-3gydF4y2Ba |
|
0.99807gydF4y2Ba | 23.94237gydF4y2Ba | 0.55684gydF4y2Ba |
| III-1gydF4y2Ba |
|
0.9941gydF4y2Ba | 1.74293gydF4y2Ba | 0.92716gydF4y2Ba |
| III-2gydF4y2Ba |
|
0.99386gydF4y2Ba | 3.54802gydF4y2Ba | 0.79243gydF4y2Ba |
| III-3gydF4y2Ba |
|
0.98799gydF4y2Ba | 2.09252gydF4y2Ba | 0.86948gydF4y2Ba |
关系曲线gydF4y2Ba
从上面的测试结果,粗颗粒的抗剪强度特征明显改变颗粒级配的变化,如下所示:如果样品的粒径很小,然后样品的抗剪强度很低,它显示了一定的规模效应。深深植根于,大粒子和粒子的位移和旋转是很大程度上的限制。粒子破碎和结构重排显著提高整个macromechanical样本的属性(gydF4y2Ba
样品是由多个粒子组,不能合理的颗粒级配特征样本所表达的单一粒度特征。因此,粒度特征gydF4y2Ba
从公式(gydF4y2Ba
强度参数gydF4y2Ba
测试后,上层剪切框删除而努力不打扰颗粒在剪切面。观察颗粒破碎特性,粒子50毫米上下剪切面提取二次筛分。gydF4y2Ba
张的内容-毫米的颗粒样品高,颗粒破碎的特点是容易区分。因此,剪切面张拍摄和分析样本,如图gydF4y2Ba
剪切面张样品在不同正常加载。gydF4y2Ba
50 kPagydF4y2Ba
100 kPagydF4y2Ba
200 kPagydF4y2Ba
400 kPagydF4y2Ba
粗颗粒的剪切破坏。gydF4y2Ba
表面磨损gydF4y2Ba
剪掉gydF4y2Ba
破碎gydF4y2Ba
颗粒破碎特性取决于粒子的状态。在正常负载相对较低,大部分粒子表面磨耗,如图gydF4y2Ba
粒子的二次筛分后剪切的影响来研究和分析正常负载和粒度组成粒子破碎的剪切下的样品。数据gydF4y2Ba
直方图的内容,每个颗粒组剪切前后的组我。gydF4y2Ba
张gydF4y2Ba
我2gydF4y2Ba
我gydF4y2Ba
直方图的内容,每个颗粒组剪切前后的组II。gydF4y2Ba
II-1gydF4y2Ba
II-2gydF4y2Ba
II-3gydF4y2Ba
直方图的内容,每个颗粒组剪切前后的小组第三。gydF4y2Ba
III-1gydF4y2Ba
III-2gydF4y2Ba
III-3gydF4y2Ba
相对破损率gydF4y2Ba
每个样本的相对破损率。gydF4y2Ba
从这些数据我们可以看到,剪切后,大量的内容,很好,和中间颗粒减少,增加,分别和波动。在剪切作用下,大颗粒含量减少由于打破成更小的粒子,和微粒增加相应的内容。一方面,中间的内容粒子减少由于打破成更小的粒子;另一方面,大颗粒的内容补充由于打破,所以它显示波动变化。gydF4y2Ba
正常负载很大时,粒子群的内容的变化更加明显,也就是说,颗粒破碎率越高。约束的正常负载样本压迫粒子旋转和跨越,创造条件粒子破碎。此外,随着正常压力的增加,颗粒接触力的增加,颗粒更容易被打破的。gydF4y2Ba
相同的法向应力下,如果整体粒度大,颗粒破碎率高。当粒径大,间接接触的粒子的数量相对较少,导致更强的应力集中效应在接触点和大颗粒破碎。第三组的样本,样本的总体粒径很小,5 - 10毫米粒子更好的填补这一缺口形成的粒子,10 - 20毫米和粒子之间的点接触压力更加均匀。在静水压力,粒子不易损坏,所以颗粒破损率是最小的。gydF4y2Ba
通过直接剪切试验三个粒度范围和9组粗粒度的样本,得出以下结论:gydF4y2Ba
粗颗粒的剪切stress-displacement曲线峰值剪切应力,应变软化和失效模式。然而,大型组织标本,剪切应力仍在增加,应变硬化和失效模式下正常负载高,与剪切位移的发展。高正常负载的压缩提高大尺寸组标本的能力抵抗失败gydF4y2Ba
当样品的粒径大,剪切应力切向位移曲线由于粒子的剪切波动剧烈,导致一个大跳“V”。当样品的粒径小,剪切应力切向位移曲线的波动幅度比较小,和行为在剪切过程中更接近于地球岩石的混合物gydF4y2Ba
macromechanical粗粒子非线性的性质,其强度特性符合幂函数强度模型由于粒子破碎和重排。然而,如果粒度很小,索引gydF4y2Ba
粗粒度的材料没有粘附在粒子,一个独特的摩擦系数之间存在的关系gydF4y2Ba
粒子破碎的程度与正常负载和粒度分布。对于相同的样本,如果正常负载高,颗粒破碎率高;在相同的正常负载,如果样品的粒度分布是均匀的,那么粒子之间的点接触也是制服。在靠近静水压力,粒子不易被破坏,所以粒子破碎率较低gydF4y2Ba
总之,这项研究提供了一个初步的了解剪切破坏和不同粒径的碎石材料。额外的测试将在未来进行进一步探索砾石材料的力学机制。gydF4y2Ba
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。gydF4y2Ba
作者宣称没有利益冲突有关的出版这篇文章。gydF4y2Ba
这项研究是由浙江省自然科学基金资助(没有。LY18D020003)和中国国家自然科学基金(41327001号,41572299,,41427802)。这种支持。gydF4y2Ba