粗粒石英砂在围压条件下的破碎特性及其力学性能的研究

摘要

开展粗粒石英砂的破碎特性和力学性能的研究，对于正确预测和有效控制石英砂垫层地基的安全与稳定具有重要的理论价值和实际工程意义。本文通过对粗粒石英砂进行不同固结压力下的三向等压固结试验，并对固结后的石英砂颗粒破碎特性分别利用扫描电镜观测和分维指标进行了定量研究;另一方面利用常规三轴试验对固结后的粗粒石英砂的抗剪强度力学特性进行了试验研究，并分析了剪切破坏后石英砂的颗粒破碎特性。对粗粒石英砂的破碎特性和力学性能进行了较系统的研究。本文研究工作及获得的成果如下。
　　(1)对粗粒石英砂进行了5MPa、10MPa、20MPa、30MPa、40MPa等5级固结压力的三向等压固结试验，并对固结试验后的石英砂进行了颗粒破碎分析，得到了每级固结压力下，石英砂的颗粒级配曲线。根据级配曲线，计算了颗粒破碎指数(B1o)及相对破碎率（Br）。结果表明:随着固结压力的增加粗粒石英砂的颗粒破碎指数(B1o)和相对破碎率(Br)逐渐增大。
　　(2)对固结试验后的石英砂进行了围压（σ3）为0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa的常规三轴试验，对其抗剪强度特性进行了研究，并对剪切破坏后的石英砂进行了颗粒破碎分析，得到相关的颗粒级配曲线。根据级配曲线计算得到颗粒破碎指数(B10)及相对破碎率（Br）。结果表明:石英砂的抗剪强度参数内聚力c值和内摩擦角(φ)值随固结压力的增加而增大，且呈较好的线性关系;其中内摩擦角的增加幅度相对较大，内聚力的增加幅度相对较小;在相同固结压力下，石英砂的颗粒破碎指数(B10)及相对破碎率（Br）随围压（σ3）的增加，无明显的变化规律。
　　(3)利用扫描电镜对三向等压固结试验后的石英砂颗粒进行了微观结构分析。发现石英砂在不同固结压力作用下，随着固结压力的增加，石英砂颗粒不断破碎，颗粒变得越来越细，但颗粒之间的粘聚力却越来越大。由此，进一步验证了石英砂的抗剪强度随着固结压力的增加逐渐增大的分析结果。
　　(4)利用表征粒径体积分布特征的土体分形模型，结合粗粒石英砂在三向等压固结试验后的颗粒级配曲线和常规三轴试验后的颗粒破碎级配曲线，计算了石英砂颗粒破碎的分维数。结果表明:三向等压固结试验后的粗粒石英砂的分维数随着固结压力的增加而增加;在相同固结压力下，剪切破坏后的石英砂的分维数随着围压(σ3)的增加而增加。
　　(5)经过综合分析，石英砂的相对破碎率，分维数以及所受的固结压力之间存在一定的关系:三向等压固结试验中随着固结压力的增加，粗粒石英砂的相对破碎率（Br）及分维数增加，并发现分维数与颗粒的相对破碎率两者有很好的线性关系，相关系数R为0.957。说明分维数D与Br之间有着某种客观上的联系，从而将分维数D作为一种度量颗粒破碎量化指标的合理性;常规三轴试验分维数随着围压（σ3）的增加而增加。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 选题依据及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 土粒破碎研究现状

1．2．2 土体颗粒分形特性研究现状

1．3 论文主要研究内容及研究路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 技术路线

1．3．3 本论文特色与创新

第2章 粗粒石英砂的三向等压固结试验

2．1 概述

2．2 试验材料

2．3 试验仪器

2．4 试验方法

2．5 颗粒分析

2．5．1 仪器介绍

2．5．2 筛分结果分析

2．5．3 固结压力与弹塑性功的关系

2．6 本章小结

第3章 三向等压固结下粗粒石英砂破碎后的抗剪强度特性

3．1 概述

3．2 试验材料

3．3 试验仪器

3．4 试验方法

3．5 颗粒分析

3．6 试验成果整理

3．7 本章小结

第4章 粗粒石英砂的颗粒破碎特性研究

4．1 概述

4．2 颗粒破碎的度量方法

4．3 三向等压固结下粗粒石英砂的颗粒破碎特性

4．3．1 颗粒分析

4．3．2 粗粒石英砂颗粒破碎分析

4．3．3 粗粒石英砂破碎

4．3．4 相对破碎率与固结压力的关系

4．4 常规三轴试验后粗粒石英砂的颗粒破碎特性

4．4．1 颗粒分析

4．4．2 粗粒石英砂颗粒破碎分析

4．4．3 粗粒石英砂破碎

4．4．4 相对破碎率与围压(σ3)之间的关系

4．5 粗粒石英砂颗粒破碎微观试验研究

4．5．1 概述

4．5．2 在不同固结压力下石英砂破碎微观分析

4．6 本章小结

第5章 粗粒石英砂的分形特性

5．1 概述

5．2 分维数的概念

5．3 粗粒石英砂的破碎分形特性

5．3．1 三向等压固结后石英砂的破碎分维数

5．3．2 破碎分维数与颗粒破碎量及固结压力的关系

5．3．3 剪切破坏后石英砂的破碎分维数

5．3．4 破碎分维数其它颗粒破碎量及压力的关系

5．4 本章小结

结论与思考

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果