文摘

土的强度和变形有关每个粒子的力量基础。也许粒子的形状影响的力量。在这项研究中,单粒子破碎测试进行了石灰石颗粒大小不同的分析石灰石颗粒形状的影响颗粒抗压强度。结果表明,90%的石灰石颗粒形状是扁球形,subspherical和长球形粒子从土壤中随机选择的基础。单粒子破碎的测试结果表明,该特征应力的石灰石颗粒粒径增加而增加。石灰石颗粒的抗压强度与粒径的增加增加。对单粒子大小有显著影响抗压强度。特征强度和粒径之间的关系可以安装力量指数公式的四种类型的石灰石颗粒的形状。颗粒形状越不规则,威布尔模数越小(米),力量指数和粒子强度尺寸效应越明显。

1。介绍

颗粒材料,如砂、种和粗粒度的土壤,广泛应用于港口和码头填充、大坝和基础工程。填料的强度和变形是重要的指标,危及结构的安全。填料的力学性能受到很多因素的影响,包括粒子成分、机械性能的颗粒,形状,大小和粗糙度的成分(1- - - - - -5]。Brzesowsky et al。6]研究单粒子微机械的适应性模型基于赫兹的压缩破坏断裂力学和线性弹性断裂力学。Frossard et al。7)提出了一个新颖的方法来评估粗粒度的土壤的抗剪强度尺寸效应的基础上粒子的力量从断裂力学的角度。王等人。8和黄等。9]表明,累积之间的关系生存概率和粒子的抗压应力符合威布尔分布。徐et al。10和Mi和太极11)建立粒子破碎强度和粒径之间的关系基于分形模型和逻辑斯蒂方程。李等人。12]假定尺寸效应不同于正常的接触力和各向异性在微观层面上,导致峰强度不同。黄等。13使用颗粒流代码)进行了模拟,发现颗粒大小影响荷载位移曲线,抗拉强度和断裂模型。周和歌曲14)尺寸效应的模拟和分析了影响填石的蠕变特性;此外,作者介绍了一个计算方程,考虑尺寸效应和应力水平。

石灰石通常用于路基填料和大坝建设。填料,石灰石颗粒往往太大在实验室试验测试其力学性能。很难调查其宏观力学和变形特性的实验室测试。填料成分通常是规模在实验室测试之前,强度和变形参数的获得和明显的尺寸效应在实验室测试中出现由于样本量的限制15]。李和陈16)透露,强烈风化花岗岩的抗剪强度随增加样本量。在单粒子压缩测试由周et al。17)的数值模拟单粒子进行压缩试验,结果表明,不同的粒子群体的抗压强度符合威布尔分布,粒子特征强度和粒径展览一个指数的关系。样品主要是由单粒子的组成的机械解体。肖et al。18,19)表明,填石材料的强度和变形行为的关键因素在确定大坝的稳定性和粒子破碎特征密切相关。单粒子的粒子大小和形状对粒子产生影响的力量。一个单粒子压缩试验由孟et al。20.]表明,颗粒破碎泥岩和砂岩不同分形维数。作为最小承载单元的碎石、岩石颗粒很容易破碎。大量的研究表明,单个粒子的强度表现出明显的尺寸效应,这表明颗粒抗压强度随粒径增大而减小。丹等。21,22)显示了孔隙度的空间分布是不均匀的,渗透率和孔隙度随时间增加。

实验室测试、理论研究和数值模拟表明,单粒子强度尺寸效应。尺寸效应的影响大小,形状,和物质的粒子。然而,粒子形状尺寸效应的影响没有得到广泛的研究,突出了研究这种影响的必要性的量化石灰石颗粒的形状。

在这项研究中,我们使用一个专门设计的颗粒形状测量系统获取数字图像的石灰石颗粒粒子分为三组,即10 - 20毫米,20 - 40毫米,40 - 60毫米。粒子概要文件获得了使用图像处理软件ImageJ,紧随其后的是颗粒形状参数计算。随后,分析了基于形状的量化结果。粒度特性的影响在单粒子抗压强度的尺寸效应是研究结合单粒子压缩试验。分析结果表明,平面度和轴向系数随着粒径降低。所获得的结果将有利于分析粒子强度的尺寸效应。

2。粒子轮廓测量方法

2.1。材料

石灰石用于本研究收集的碎石Miaotang大坝,重庆巫山县。石灰石是灰黑的碳酸盐岩,主要由方解石,少量的白云石。这是新鲜的和未风化的比重为2.72和0.05%的含水量可以忽略不计。100被选为每个粒子随机颗粒组(10 - 20毫米,20 - 40毫米,40 - 60毫米)进行测试和分析。石灰石颗粒如图1。

2.2。粒子轮廓捕获方法

获取配置文件的石灰石颗粒,摄影助理二维轮廓特征的系统是基于三维形状特性测量系统由李等。23]石颗粒。型板,它包括一个外框,一个传一个木制板条,摄像机杆,和一个光源,如图2。粒子图像采集角度α被定义为相机的垂直方向之间的角度和型板。五个不同的习得角度(α= 30°、60°、90°、120°、150°、90°的人物2)是通过调整型板的位置和木制板条。消除阴影在摄影过程中,光源型板下放置。减轻误差引起的相机和粒子之间的距离在不同的习得角度,广场洞外框之间的距离是600年,346年,173年,173年和346年,如图2。

粒子轮廓捕获系统需要处理的数字图像黑白二值图像(或称为灰度二值图像)和基于阈值的粒子轮廓边界的区别。粒子轮廓可以被以下步骤:(1)数字图像导入,(2)图像比例尺设置,(3)转换成8位灰度图像,(4)图像二值化,(5)磨粒子轮廓的阈值调整,(6)粒子轮廓收购,(7)形状参数计算。粒子轮廓不同的习得角度如图3。

3所示。颗粒形状分类和形状参数

颗粒形状决定粒子分组行为起着关键作用。准确的描述和分析聚合形态调查详细粒子材料特性的关键。一些研究者建议制造视觉比较和描述粒子形状使用图表(24- - - - - -28]。首先,Zingg [29日粒子形状分为平坦,球形,薄片状、柱状的基础上我/l和年代/我比率(l,我,年代代表最大的第二大,最小的大小)。Krumbein [30.)开发了一个圆度比较地图。权力(31日视觉比较]提出了一种圆度量表和手动确定圆度和球度。Krumbein和斯洛斯已经分居32)建议粒子形状的估计基于粒子球度和圆度。吸干和派伊33了Zingg的发现和发明了一种新的图基于分位数的顶部我/l和年代/我粒子形状,用它来进一步分类。基本粒度参数的示意图如图4和等效椭圆的长短轴。

各种方法可用于测量l,我,年代(33]。石灰石粒径可以直接使用剪刀或测量计算轮廓被使用2 d轮廓特性摄影助理系统。l,我,年代代表三个正交方向的长度:我是垂直于l和年代是垂直于l和我同时进行。因此,表面的最大投影面积(即。,表面l和我位于)被底部表面图像采集。年代在垂直于表面测量吗l和我获得它的顶部和前视图,紧随其后l,我,年代使用ImageJ计算。

粒子的形状可以被描述为三个不同的特征。宏观上,颗粒形状特性包括平坦、整体轮廓系数,和圆度。显微镜下,粒子的形状可分为根据表面纹理和粗糙度。宏观和微观之间,颗粒形状可分为根据四舍五入程度和凸性。在这项研究中,颗粒形状的分类从表中列出的参数1。

4所示。颗粒形状分类结果与讨论

在这项研究中,西蒙的形状分类方法被用来分类石灰石颗粒使用比率之间的关系我/l和年代/我。图5显示分类石灰石颗粒的形状。subspherical扁,扁长的粒子所占的比例在所有粒子群体,即。、90%、87%、92%,10 - 20毫米,20 - 40毫米,分别和奖金的mm组。铁饼状的或杆状颗粒稀少,没有奖金的mm组的球形颗粒。

表2显示的形状参数的统计石灰石颗粒在不同粒径组。统计平均每个形状参数的计算是基于100个粒子在每个组大小。各种形状的小方差参数在每个粒子组表明,参数离散。如图6,每个形状参数的统计平均值作为纵坐标和粒子的大小作为横坐标探讨平面度的变化,轴向系数,圆度,球形,凸性,粗糙度与粒子的大小。

较大的平坦的价值e,粒子越长。大平面度表明一个更扁平,略窄,长粒子。越接近e1,球形粒子的整体形状。图6与粒径的增加表明,平面度e减少轴向系数方面,粒子从细长,subspherical片状。

循环R被用来描述的相似程度的边界粒子飞机一个圈。越接近1,整体粒子越圆平面。图6表明循环R与粒径增加。凸性C用于描述粒子的成角状表面。角度越少,凸性越大(≤1)。如图6与颗粒大小,凸性增加,但在一个更小的振幅。这表明,粒子有角随粒径增大而减小。

粗糙度r是一个形状指标用于描述粒子的微观结构表面。糙度越高,较大的粒子的波动和粒子表面的粗糙。如图6,粗糙度r表现出上升趋势与粒径的减少,这表明粒子边界变得更加不规则,粒径减小。

5。单粒子破碎测试

5.1。测试方法

三百年石灰石颗粒受到单粒子在万能试验机(图压缩试验7)。电液伺服控制装置的最大装载量500 kN的加载速率1毫米/分钟。在装载之前,石灰石颗粒的表面清洁用刷,放在上下压力板。在测试期间,表面l和我在被作为单轴压缩的底部表面。上承载板不断调整,直到它接触粒子,然后开始加载,直到粒子打破。测试负载和轴向位移数据记录通过使用测试机。图8显示了典型的力-位移曲线。峰值应力的点图所示8。

5.2。测试结果

图9显示粒子的散点图峰值力和位移。可以看出,测试数据点分布,峰值负载和其相应的位移在同一粒子组广泛分布在没有一个明显的模式。高峰负荷力和位移是10 - 20毫米的最小粒子群;然而,增加,都分布在一个广泛的粒径增加。力和其相应的位移峰值负载是特别离散粒子群- mm。此外,不同的粒子群互相重叠。因此,统计方法被用来分析石灰石颗粒的抗压强度。

6。讨论

6.1。威布尔分布统计

目前,研究人员已经进行了压缩测试脆性材料具有不同颗粒形状和计算抗压强度由方程(1),如表所示3的方程是合理的,这意味着nonspherical(或non-subspherical)形状。

岩石的抗拉强度或土壤通常是间接测量通过压缩板之间的粒子,直到他们失败。麦克道尔亚(34定义的破裂压力(压碎强度 )在单个粒子直径d力的作用下F如下: 在哪里F高峰负荷力在粒子破碎(N),d是上下加载板之间的距离,这也是名义上的粒子直径(毫米),然后呢破裂压力在粒子(MPa)。

先前的研究表明,颗粒抗压强度符合威布尔分布。基于威布尔薄弱的环节理论,麦克道尔亚(34]描述了生存概率(P_年代(d))的一个粒子直径d加载板块之间的如下: 在哪里是参考颗粒大小(毫米),是一个粒子的生存压力特征的概率37% (MPa),然后呢米是威布尔模数,随强度离散性的增加而减小。强度离散性决定了强度的尺寸效应。

从方程(2),不同粒径的强度关系相同的颗粒材料可以推导出如下:

由于粒子材料是相同的,可以得到以下方程:

压力和粒度特征之间的相关性可以如下:

粒子在一定的累积生存概率粒子群(35)是由 在哪里n测试样品的总数量,根据样品的单粒子强度按升序。考虑到样品的单粒的力量在一个位置我在跳频序列σ_我,粒度样本的概率并没有在一定压力下坏了P_年代(σ)。

相同大小的粒子,d= 。用这个方程方程(2)两边取对数,得到以下方程:

可以推断,ln (ln (1 /P_年代))和lnσ是线性相关的。威布尔模量(米)是直线的斜率,特征压力( )可以获得基于直线的截距的吗x设在。考虑到单一粒子的强度在同一粒径的碎石是离散的,填石的单粒子强度在一定范围的粒子大小通常以特征压力( )(36]。

100个粒子的破碎强度的三个粒子组绘制在图10。基于各种粒子的粒子强度拟合曲线如图10与方程(8),单粒子强度分布的威布尔参数不同的粒子组(表获得4)。

图10显示三组粒子大小的颗粒抗压应力可以绘制威布尔分布后,除了ln (σ)低于1.42,1.47,1.54,40 - mm, 20 - 40毫米,10 - 20毫米粒子组,分别。威布尔参数的值米是2.82,2.87,2.76,40 - mm, 20 - 40毫米,分别和10 - 20毫米的颗粒组。的平均值m是2.82。的特征应力- mm, 20 - 40毫米,10 - 20毫米粒子组9.346,13.176,和14.59 MPa,分别。特征与粒径减少压力增加,表明石灰石颗粒的抗压应力与颗粒大小密切相关。

6.2。颗粒形状对颗粒强度的尺寸效应

研究粒子形状和颗粒抗压强度之间的关系,为刃的粒子破碎强度的威布尔分布,长球形,扁球形,subspherical粒子绘制在图11。根据每个粒子组的抗碎强度拟合曲线和方程(8)如图11,相应的参数威布尔模(米)和应力特征( )得到,如表所示5。表5显示,当粒子的形状是相同的,米基本上是相同的随着粒径的增加逐渐减少。威布尔模(米)与不同形状的粒子在以下升序排序:叶片粒子<细长颗粒< < subspherical扁平粒子粒子。这表明颗粒形状越不规则,威布尔模数越小(米)和离散颗粒抗压强度。更高的颗粒形状不规则表明一个更复杂的应力状态和强大的粒子破碎强度的离散性。当粒子的形状更接近于一个圆,相同大小的粒子的特征应力强度更接近。一般来说,压力显著降低粒子形态变化特点从叶片小型到大型subspherical,而威布尔模数在本质上并没有改变。

特征之间的关系压力( )粒子和粒子大小与四个不同的形状绘制在图12。如图12特点,压力( )粒子具有相同的形状随粒径增加而降低,表明颗粒抗压强度的尺寸效应。用幂函数以适应特征应力之间的关系( )粒子和粒子大小与四个不同的形状,用索引表中列出6。

表6表明,方程(3)提出了特征应力之间的关系( )和粒径的粒子,力量指数−3 /层状颗粒米=−3/2.317 =−1.30;威布尔模量的均值(米基于表)层状粒子的决心5。如表所示6,获得的指标计算和拟合获得的显著不同。Lim et al。37]阐述了粒子材料的尺寸效应的原因是低于预测的威布尔模型。麦克道尔亚(34)派生的尺寸效应,假设材料是均匀和各向异性。然而,不同大小的颗粒的内部结构不同,导致更大的错误的威布尔统计分析颗粒强度的尺寸效应。

虽然力量指数和威布尔模量(米)没有严格遵循−3 /米关系时,用威布尔模型,预测了尺寸效应之间的正相关关系是显而易见的威布尔模量(米)和力量指数。比较的粒子有四个不同的形状(表的索引6)表明,粒子越不规则,威布尔模数越小(米),力量指数越小,粒子强度的尺寸效应更加突出。

此外,图12情节特征应力之间的关系( )和粒子大小可能不是幂函数。似乎有一个特征应力之间的二次函数( )和粒子的大小。在未来的研究中,特征之间的关系压力和颗粒大小在不同粒子的形状应该进行。

7所示。结论

(1)90%的石灰石颗粒形状是扁球形,subspherical和长球形粒子从土壤中随机选择的基础。(2)的特征应力石灰石颗粒粒径增加而增加。石灰石颗粒的抗压强度与粒径的增加增加。特征之间的关系强度和粒径可以安装力量指数公式的四种类型的石灰石颗粒的形状。(3)颗粒形状越不规则,威布尔模数越小(米),力量指数和粒子强度尺寸效应越明显。特征之间的关系压力( )和粒子大小是一个幂函数。函数的参数的值依赖于粒子的大小和特性之间的关系压力( )。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者欣然承认金融支持的国家自然科学基金委China-Yalong流域水电开发有限公司,有限公司,雅砻江联合基金批准号下U1865103,重庆市建设委员会科学技术计划项目批准号2022-1-15,在重庆市教委科学技术研究项目批准号KJQN202000747 KJZD-K202000705,中国博士后科学基金资助项目批准号2019 m663890xb,重庆博士后科学基金资助项目批准号228512年。作者要感谢Editage (https://www.editage.cn/)英语编辑。