直接剪切的特点和粒子破碎卵石砾石材料

文摘

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材料和特点提出了颗粒大小的样本。

1。介绍

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(1- - - - - -8]。其中,抗剪强度作为研究最广泛的机械参数预测模型的剪切强度和正常压力,例如JRC-JCS模型(9],Grasselli模型[10),和夏模型(11]。然而,上述模型大多是完整的材料,很少涉及疏松的沉积物。作为一个地质历史的产物,破碎的岩体尚未深入研究机械性能,尤其是卵石砾在世界范围内广泛分布。卵石砾石材料是异构和不连续,颗粒之间的接触形式通常是点接触(12,13]。的工程性质不同于那些沙子和岩体(14),影响的因素,如形状参数(大小、球形、伸长、平整度和细长)(15- - - - - -17和分级18]。

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(19]。Tuitz等人提出,粒度分布有一定影响的加载条件鹅卵石,最终影响材料的抗剪强度(20.]。赵等人研究了不同规模的方法。macromechanical属性和mesomechanical响应的影响数值样本进行了讨论,之间的关系和碎石的级配分布颗粒的分形性质,讨论了数值样品的力学性能21]。吴等人发现,粗颗粒的剪切强度效应与样品制备标准(22]。在相同干密度样品制备标准,摩擦角和变形模量与最大粒径的增加减少。

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。

2。方法

2.1。测试组

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1。

图1表显示了粒子粒径分布曲线的基础上1。表2显示每个样品的粒度特征,包括颗粒大小有限 ,平均粒度 ,粒子大小与筛选的体重会计30%,有效的颗粒大小 。9个样本剪下四个不同的正常负载,和粒度特征之间的相关性和抗剪强度参数的影响进行了分析探讨,粒度分布范围在砾石材料的抗剪强度特性。

2.2。测试程序

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。

3所示。测试结果

3.1。剪切Stress-Tangential位移的关系

数据2(一个)- - - - - -2 (c),3(一个)- - - - - -3 (c),4(一)- - - - - -4 (c)显示样品的剪切stress-tangential位移曲线,II, III,分别从直接剪切试验获得。两种剪切破坏模式的应变软化和应变硬化砾石样品明显。除了我,样品的剪切stress-displacement曲线通常是一种应变软化。第二和第三组,剪切应力达到峰值后,渗透表面已基本形成,与切向位移的增加;材料的强度降低,所以他们的失效模式基本上是应变软化。至于组我,当正常负载低于200 kPa,出现峰值剪应力,失效模式是一个应变软化。正常负载是400 kPa时,剪切应力与剪切位移的发展仍会上涨,应变硬化和失效模式。也就是说,高正常负载的压缩可以改变样品的失效模式。

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23),极I和II。粒径越小,小的咬力,所以第三组的剪应力切向位移曲线波动幅度最小。当粒径很小(第三组),剪切应力切向位移曲线的波动幅度也小。

3.2。正常Load-Shear强度关系

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% (24),也就是说,30 mm的剪切应力是作为抗剪强度,如表所示3。

3.2.1之上。应力比

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5。

随着样本容量的增加,应力比增加一步一步,欣然接受 和 与粒度成分有显著的关系。7 - 13和-26毫米15.4对应第三组和第二样本,分别。样品的粒径范围5 - 20和10-40毫米,分别和两个部分的应力比没有显著变化。此外,与正常负载应力比的变化,也就是说,压力的效果。总之,每个试样的应力比随正常负载的增加,变化范围是不一致的,这表明,抗剪强度和正常负载之间的关系是非线性的。

3.2.2。公式拟合

考虑到岩石土壤混合物的macromechanical模型是非线性25- - - - - -27),最好是选择幂函数强度模型适合样品的正常负载和抗剪强度关系来描述其强度特性。因此,我们选择公式(1),目前广泛用于获取正常load-shear压力曲线。 在哪里抗剪强度,是正常的负载,摩擦系数,是一个材料参数,粒子之间的凝聚力,当不存在凝聚力, 。

从图中所示的结果6组的抗剪强度,II, III随粒径的减小而减小下相同的正常负载。如果粒度很小,那么指数接近于1,即拟合曲线接近线性。

3.2.3。抗剪强度参数

表4显示了每个样本的强度拟合公式和参数获得使用公式(1)。从结果,可以发现,除了符合系数样品我是0.85,其他的样品接近1。拟合效果好,抗剪强度和正常负载样品符合幂函数关系。此外,很强的相关性之间的观察指标和摩擦系数 ,如图7,它可以表示为一个函数关系:

3.3。粒度剪切强度的影响

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(28]。相反,小颗粒之间的相互作用很弱,所以强度低。通过数据分析,内部颗粒级配之间的关系特征和强度参数的样本进一步探索。

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,粒度特征表中列出2集成形成粒子级匹配特性集合 。之间的关系是发现和通过分析其摩擦系数如公式所示(5)。的系数我是相对应的贡献率粒度特征 ,和系数是0.9251,说明拟合程度相对较高。

从公式(2)和(5)、公式(6)可以得到:

强度参数和有一个特定的函数关系的复合颗粒级配碎石材料没有粒子之间的附着力。如果整个粒度大,粒子之间的相互作用是强大的。如果值大,则值小,抗剪强度很大。

4所示。分析

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。

4.1。颗粒破碎特性

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8。三种类型的岩石剪切破坏失效面观察,即表面磨损,剪切,破碎,如图9。

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9(一个)。至于图9 (b)剪掉,粒子的减少是新鲜,断裂表面基本上是平行于表面剪切。在正常负载下400 kPa,颗粒在剪切面似乎粉碎高接触力,如图8 (d)和9 (c)。

4.2。颗粒级配变化

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10- - - - - -12描述一个直方图根据每个粒子组剪切前后的内容。

相对破损率介绍了马歇尔等人提出的评估样品的颗粒破碎(29日]: 在哪里是之前和之后的区别的绝对值的内容测试每个粒子群;是特定粒子群的内容在测试前;和是特定粒子群的内容在测试之后。计算结果如图所示13。

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。

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。

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。

5。结论

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:(1)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(2)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(3)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,索引接近于1,即正常负载和剪切强度接近线性关系。指数有很强的相关性与摩擦系数 ,可以表示为哪一个 (4)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颗粒大小和特点,可以表示为 ,在哪里粒度特征吗迪形成粒子级匹配特性贡献率的组合吗对应的粒度特征迪(5)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

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。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版这篇文章。

确认

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。

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