堆石颗粒强度的尺寸效应研究

摘要

堆石坝的变形问题因为关系防渗安全，一直是高土石坝设计的关键。作为坝体的主要支撑材料，堆石料易发生破碎，但由于其粒径大，室内试验设备尺寸有限，只能根据缩尺后粗粒料的室内试验结果来推算坝体变形。大量研究表明小尺寸试样的变形特性与原型试样之间存在尺寸效应，对大坝变形的估算也经常出现“高坝算小，低坝算大”的情况。因而，研究堆石颗粒破碎以及堆石颗粒强度的尺寸效应具有重要的意义。 堆石颗粒作为堆石料最小单元体，具有明显的尺寸效应且较易发生破碎。原因主要是堆石颗粒内部存在原始裂纹、节理等缺陷导致颗粒是非均质体。本文选择20-240mm范围内的大连石灰石颗粒进行单粒加载试验，分析了不同粒径颗粒破碎强度的分布规律。主要内容如下： （1）采用频数统计直方图对大连石灰石20～240mm粒径13个粒组的颗粒破碎强度进行了统计分析，并通过三种数学统计量具体数值对堆石颗粒强度的分布情况进行较为详细的描述。 （2）通过采用Weibull分布函数以及Logistic分布函数对不同粒组颗粒强度进行拟合，并分别基于Weibull函数以及Logistic函数建立了考虑尺寸效应的颗粒强度公式。相较于常用的Weibull分布函数，Logistic函数能更好的描述颗粒强度的分布规律，而且基于Logistic函数的颗粒强度尺寸效应公式能够准确地预测大粒径颗粒的强度。 （3）根据试验过程中颗粒破碎特征并结合力与位移曲线，提出了4种颗粒破碎模型。对单颗粒破碎后的碎片进行筛分，研究了其碎片的分布规律，用分形分布对破碎颗粒的级配曲线进行了良好的拟合，得出了分形维数。 （4）基于Hertz-Mindlin接触模型，建立了试验模型，分析了大连石灰石弹性模量随粒径变化的规律，并推算了大连石灰石堆石颗粒弹性模量的大致范围。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 颗粒破碎特性研究

1.3 颗粒破碎强度的尺寸效应研究

1.3.1 尺寸效应原因探究

1.3.2 尺寸效应描述方法综述

1.4 研究方法与研究内容

1.4.1 研究意义及研究方法

1.4.2 主要研究内容简述

2 堆石颗粒强度尺寸效应研究原理

2.1 引言

2.2 堆石颗粒单粒强度试验

2.2.1 试验材料选取原则

2.2.2 试验分组及筛分

2.2.3 试验加载速率选择

2.2.4 试验仪器简介

2.2.5 试验操作步骤

2.2.6 颗粒破碎判定标准

2.3 堆石颗粒单粒破碎强度

2.3.1 规范理论计算取值

2.3.2 劈裂试验理论计算取值

2.4 Weibull分布理论

2.4.1 Weibull理论模型

2.4.2 Weibull理论问题及争论

2.5 Logistic统计分布

2.6 分形分布

2.7 本章小结

3 试验数据处理及颗粒破碎模型

3.1 颗粒瞬时破碎强度数据统计

3.1.1 颗粒强度分布直方图统计

3.1.2 颗粒强度分布统计量分析

3.2 颗粒破碎模式探究

3.2.1 引言

3.2.2 爆裂式破碎模式

3.2.3 分裂式破碎模式

3.2.4 粉碎式破碎模式

3.2.5 贯通缝式破碎模式

3.3 本章小结

4 颗粒强度尺寸效应分布统计

4.1 引言

4.2 Weibull分布统计

4.2.1 Weibull分布拟合效果

4.2.2 Weibull分布结果分析

4.3 Logistic分布统计

4.3.1 Logistic分布拟合效果

4.3.2 Logistic分布结果分析

4.4 两种分布统计结果对比分析

4.5 考虑尺寸效应的颗粒强度公式

4.5.1 引言

4.5.2 基于Weibull函数的尺寸效应强度公式

4.5.3 基于Logistic函数的尺寸效应强度公式

4.5.4 结果分析说明

4.6 本章小结

5 颗粒破碎后级配曲线及力学参数研究

5.1 引言

5.2 破碎颗粒级配曲线研究

5.2.1 各粒组分形分布曲线拟合

5.2.2 分形维数确定及分析

5.3 堆石颗粒力学参数确定

5.3.1 弹性模量计算模型及公式推导

5.3.2 各粒组弹性模量结果分析

5.4 本章小结

6 结论和展望

6.1 结 论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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