土石混合体的研究现状及研究展望

土石混合体是不同于岩体与土体的一种地质材料,其物理力学特性的研究越来越受到工程界关注。本文首先介绍了土石混合体概念的提出,并以土石混合体在我国的广泛分布特点与工程中的诸多实际问题阐述了其研究具有重要的工程价值与理论意义。另一方面,通过大量与土石混合体相关的文献检索与分析,本文从力学试验、几何结构研究和数值模拟等不同方面总结了近年来土石混合体研究的成果,指出结构效应是土石混合体重要而又特有的一个特征,其几何结构模型与数值模拟的研究也取得了许多重要而有价值的成果。最后,针对土石混合体研究中仍存在的不足,本文展望并探讨了土石混合体今后的研究方向,提出了地质成因与物质组成结构特征、水与土石混合体的耦合作用、土石混合体三维数值模拟研究、以及土石混合体力学参数快速确定方法等4个方面的研究内容与研究思路。     

块石对土石混合体力学性能的影响研究

土石混合体是一种由强度较高岩块、强度较低的土体充填成分及相应孔隙等多相体系组成的复杂地质材料。我国中西部地区诸多地质灾害的发生均与其抗剪强度密切相关。影响土石混合体力学性能的因素很多。本文采用柔性边界条件下的大型剪切实验,从含石量、块石排列、块石尺寸三个方面研究了块石对土石混合体力学性能的影响。通过正交实验确定了3种因素对土石混合体抗剪强度的影响顺序及各因素的显著性水平,研究发现在这3个影响因素中,块石尺寸对土石混合体抗剪性能的影响最大,含石量次之,块石排列的影响最小。     

块石形状对土石混合体力学行为影响的颗粒流模拟

考虑块石形状为球体、正方体和长方体三种情况,通过正方体与球体相比较来探究块石棱角度不同对土石混合体力学特性的影响,通过长方体与正方体相比较来探究块石球度不同对土石混合体力学特性的影响。首先,提出特定形状块石三维离散元精细建模的方法;接着建立含石量为30%和80%的块石形状分别为球体、正方体和长方体的土石混合体三维颗粒流数值模型;然后,对土石混合体大三轴试验进行颗粒流模拟,获得了不同含石量及不同块石形状的土石混合体试样的宏观力学特征;最后,详细分析了块石形状对土石混合体力学行为影响的细观机理。结果表明,块石形状会影响土石混合体的力学行为,其影响的程度与含石量密切相关;配位数、块石颗粒平均旋转量和摩擦功的演化规律能够很好地从细观水平上反映块石形状的作用机理。     

循环荷载下土石混合体力学特性野外试验研究

土石混合体是一种物理、力学性质非常复杂的不连续介质。以云南某高速公路土石混合体边坡为例,分别对选取的3个试验点进行了单调加载、循环加载一次及多次循环加载试验,获取了其相应的剪切位移-剪切应力关系曲线,并对其曲线特征进行分析研究。通过对试样三维滑动面的形态分析,指出由于土石混合体三维滑动面的不规则性,利用传统的二维计算方法难以得到较为准确的强度参数。基于三维极限平衡理论,提出了土石混合体水平推剪试样强度参数的三维数据计算方法。并利用该方法得到了研究区土石混合体的相应的强度参数及残余强度参数。     

土石混合体重塑样制备及其压密特征与力学特性分析

基于土力学与岩石力学的实验室力学试验原理与方法,本文首先探索了土石混合体重塑样的制备、压密特性等问题,初步给出土石混合体重塑样制备的一个标准流程,并揭示了土石混合体的压密特性与机制,即土石混合体压密主要是土体的压密,但块石直接影响其压密效果,并指出本次试验土石混合体50锤次可达到的最佳压密效果,而压密机制随含石量增加而有所变化。运用高精度岩石试验机,首次进行了土石混合体的单轴压缩试验。试验表明,在无侧限条件下块石与土体无胶结,导致了试样实际承载面积减小,使其抗压强度与弹模反而低于土体； 而土石混合体中块石形成骨架结构的力学响应是土石混合体的一个重要的力学特性。     

伺服控制土石混合体压力渗透仪研究

土石混合体渗流特性的研究对于工程建设、土石混合体滑坡的防治有重要意义。总结了前人对于堆石料渗透试验仪的研究，其特点在于渗透筒的大尺寸、供水系统、供水压力的控制；透水板、制样方法、筒壁防渗对于试验的影响。周中等自制的常水头渗透仪，主要对土石混合体渗透系数及其影响因素进行研究。本文研制的伺服控制土石混合体压力渗透仪能够准确伺服控制供水压力和供水速度，提供不超过2MPa的高水压，调节试样渗流速度，操作方便，能够有针对性的研究土石混合体的渗流特性。     

脆性土石混合体单轴压缩特性的影响因素研究

土石混合体在我国分布广泛且力学性质差异极大,研究其单轴压缩特性的影响因素至关重要。借助量纲分析,阐明了土石混合体单轴压缩特性与各影响因素间的无量纲关系。提出了一种块石随机生成技术,可产生指定级配的随机块石系统。借助连续-非连续数值模拟方法 CDEM(Continuum Discontinuum Element Method),探讨了具有一定结构性的脆性土石混合体材料的宏观力学特性及其影响规律,并重点分析了该类土石混合体的含石量、土石交界面强度与其宏观本构曲线、单轴抗压强度以及破坏模式的对应关系。研究结果表明,随着含石量的增加,脆性土石混合体的宏观单轴抗压强度迅速减小,含石量超过15%之后,单轴抗压强度基本不变。相同含石量及块石分布的情况下,随着交界面比强度的增大,宏观单轴抗压强度逐渐增大;当交界面比强度大于20时,单轴抗压强度基本不变;当交界面比强度小于1时,主要出现贯穿整个试样的裂缝;当交界面比强度大于1时,主要在试样中上部出现局部的压剪破碎。     

脆性土石混合体单轴压缩特性的影响因素研究

土石混合体在我国分布广泛且力学性质差异极大，研究其单轴压缩特性的影响因素至关重要。借助量纲分析，阐明了土石混合体单轴压缩特性与各影响因素间的无量纲关系。提出了一种块石随机生成技术，可产生指定级配的随机块石系统。借助连续-非连续数值模拟方法CDEM（Continuum Discontinuum Element Method），探讨了具有一定结构性的脆性土石混合体材料的宏观力学特性及其影响规律，并重点分析了该类土石混合体的含石量、土石交界面强度与其宏观本构曲线、单轴抗压强度以及破坏模式的对应关系。研究结果表明，随着含石量的增加，脆性土石混合体的宏观单轴抗压强度迅速减小，含石量超过15%之后，单轴抗压强度基本不变。相同含石量及块石分布的情况下，随着交界面比强度的增大，宏观单轴抗压强度逐渐增大；当交界面比强度大于20时，单轴抗压强度基本不变；当交界面比强度小于1时，主要出现贯穿整个试样的裂缝；当交界面比强度大于1时，主要在试样中上部出现局部的压剪破碎。     

浅表风化混杂土石体特定比对物的力学特性试验研究

在土石混合体力学特性研究中,试验样本通常取自实际工程,所含物质成分复杂多样,使得试验结果离散程度较高、可验证性较差,所得结论尤其是其结构性与宏观力学行为间的关联对工程实际的指导意义体现不足。为此,从物质组成的角度设计一种特定土石混合体材料:块石均为未风化的同种岩石,基质土为矿物组成相同的同种土。该材料物质成分均一、稳定,具有可验证性。本文以此为比对物试样,基于室内大型三轴试验,在验证试验结果可重现性的基础上,重点分析块石级配、制样干密度、块石分布三种宏观尺度结构性指标对特定土石混合体应力-应变特性、强度特征参数、初始弹性模量的影响规律;将试验结论与已有研究成果进行了比对;对昭山残坡积堆积体力学特性进行了推定与验证。结果表明:特定土石混合体在同一工况下的试验具有较好的可重现性;粗粒含量较高时,应力-应变曲线存在锯齿状波动,并呈现"台阶状"走势;试验得出两类典型应力-应变曲线;不同块石空间分布下试样出现不同的变形破坏特征;细粒含量与10～40mm粗粒粒组含量对强度指标影响较大;试验得出已有研究共性成果之外的结论,有利于区分试验结果中的现象与规律,能够为类似工程实践提供更可靠的理论指导。     

胶结土石混合体力学特性的块石形状效应细观机理分析

考虑块石形状为球体、正方体和长方体三种情况,通过正方体与球体相比较来探究块石不同棱角度对胶结土石混合体力学特性的影响,通过长方体与正方体相比较来探究块石不同球度对胶结土石混合体力学特性的影响.首先,基于不规则颗粒三维离散元精细模拟技术实现了正方体和长方体块石数值模型的建立;然后建立含石量为30%和80%的块石形状分别为球体、正方体和长方体的胶结土石混合体三维离散元随机结构模型;最后,对土石混合体大三轴试验进行颗粒流数值模拟,获得了不同含石量、不同块石形状下胶结土石混合体的强度特征和变形特征,并分别就低、高两种含石量下块石形状对土石混合体力学特性影响的细观机理进行了深入地分析.结果表明:块石含量和形状均会显著影响胶结土石混合体的力学特性,并且两者间具有复杂的交互作用;微裂纹、块石颗粒平均旋转量、应变能和摩擦功等的演化规律能够很好地从细观水平上反映块石形状影响的作用机理.     

不同细料含量土石混合料塑性行为离散元模拟

土石混合料是指由大粒径的块石和作为填充成分的细粒土组成的二元混合料, 其塑性行为与细料含量密切相关. 目前对细粒含量如何影响土石混合料塑性行为及其细观机制的研究尚不充分, 为此本文开展了不同细料含量土石混合料的二维离散元数值模拟, 基于二阶功失稳准则与细观力学理论, 探究了细料含量对石料骨架土石混合料失稳特性与非关联流动特性的影响, 并揭示了细料含量影响土石混合料塑性力学行为的细观机制. 研究结果表明, 细颗粒可通过限制集合体塑性变形从而起到促进集合体整体稳定的作用; 细颗粒控制颗粒集合体塑性变形的方向(即塑性势面法方向), 随着细料含量增大, 土石混合料的塑性势面法方向和屈服面法方向之间的夹角减小, 非关联流动性减弱, 材料分岔失稳区域变窄; 尽管加入到石颗粒中的部分细颗粒与石颗粒共同承担骨架作用, 但是细颗粒的加入不影响颗粒集合体的力学状态, 不改变材料屈服面法方向. 相关研究结果可为建立考虑细料含量的土石混合料弹塑性本构模型提供理论依据.      

An insight into the mechanical behavior of binary granular soils

This paper investigates the participation of the fines fraction in the load-carrying structure of binary mixtures of granular soils. For this purpose, various fractions of two fine sands were added to two coarse sands with the same particle size distribution, but different particle shape characteristics. Based on the results of 144 direct shear tests, it was found that fines participation in the load-bearing structure increases with fines content. At the same fines content, the participation of the fines in the load-carrying structure of loose mixtures is greater than in samples that were initially compacted. In addition, it was observed that fines participation rises with the increase in the average size of the fines fraction.     

Balancing particle properties for practical lithium-ion batteries

As a state-of-the-art secondary battery, lithium-ion batteries (LIBs) have dominated the consumer electronics market since Sony unveiled the commercial secondary battery with LiCoO₂ as the negative electrode material in the early 1990s. The key to the efficient operation of LIBs lies in the effective contact between the Li-ion-rich electrolyte and the active material particles in the electrode. The particle properties of the electrode materials affect the lithium ion diffusion path, diffusion resistance, contact area with the active material, the electrochemical performance and the energy density of batteries. To achieve satisfied comprehensive performance and of LIBs, it is not only necessary to focus on the modification of materials, but also to balance the properties of electrode material particles. Therefore, in this review, we analyze the influence of particle properties on the battery performance from three perspectives: particle size, particle size distribution, and particle shape. A deep understanding of the effect and mechanism of particles on electrodes and batteries will help develop and manufacture practical LIBs.     

Incorporating truncated fractal distribution into Maxwell model to quantify thermal conductivity and its uncertainty in heterogeneous multiparticle systems

An approach is developed to examine the mean and uncertainty of thermal conductivity of a heterogeneous multiparticle system, where the particle concentration or void fraction is treated as a truncated fractal distribution. The truncated fractal distribution is then integrated into the Maxwell model, which is equivalent to a cell model in which the multiparticle system is conceptualized as a spherical fluid cell that envelopes a solid particle. The developed mean thermal conductivity is compared with four experimental data sets of liquid-saturated media from the literature. The effect of fractal characteristics is quantified and discussed. Incorporating particle concentration or void fraction truncated fractal distribution can better capture scatters in the experimental results. The thermal conductivity and its standard deviation decrease with increasing fractal dimensions. When the void fraction is truncated fractal, the uncertainty increases mostly in the low mean void fraction range and drops more quickly with the increasing mean void fraction compared to the case where the particle concentration is truncated fractal. In a typical case of multiparticle system when the solid particles are more conductive than the fluid, the faster increase rate of standard deviation with the ratio of solid over fluid conductivities occurs when the mean void fraction is smaller.     

On-line full scan inspection of particle size and shape using digital image processing

An on-line full scan inspection system is developed for particle size analysis.A particle image is first obtained through optical line scan technology and is then analyzed using digital image processing.The system is composed of a particle separation module,an image acquisition module,an image processing module,and an electric control module.Experiments are carried out using non-uniform 0.1 mm particles.The main advantage of this system consists of a full analysis of particles without any overlap or miss,thus improving the Area Scan Charge Coupled Device(CCD)acquisition problems.Particle size distribution,roundness,and sphericity can be obtained using the system with a deviation of repeated precision of around ±1%.The developed system is shown to be also convenient and versatile for any particle size and shape for academic and industrial users.     

DEM simulation of polydisperse systems of particles in a fluidized bed

Numerical simulations based on three-dimensional discrete element model (DEM) are conducted for mono-disperse, binary and ternary systems of particles in a fluidized bed. Fluid drag force acting on each particle depending on its size and relative velocity is assigned. The drag coefficient corresponding to Ergun’s correlation is applied to the system of fluidized bed with particle size ratios of 1:1 for the mono-disperse system, 1:1.2, 1:1.4 and 1:2 for the binary system and 1:1.33:2 for the ternary system b...     

岩石单颗粒压缩破碎试验研究

岩石颗粒结构复杂、形态不规则,很难用现有经典理论进行研究,分形理论可以从统计的角度研究颗粒破碎的强度.根据600颗大理岩单颗粒破碎试验,测量单颗粒破碎的应力与竖向应变关系曲线和破碎后的颗粒分布曲线,将颗粒破碎曲线按形态分为三种类型;根据颗粒破碎后的颗粒分布特性,建立了岩石颗粒破碎的分形模型,测得了大理岩颗粒破碎的分形维数D为2.48;根据颗粒破碎的分形模型,导出颗粒破碎强度的理论公式;将大理岩颗粒破碎强度的试验数据与理论公式预测结果进行比较,两者十分吻合,从而验证了颗粒破碎强度的分形理论.     

考虑粒子分布特征的复合材料细观力学方法

研究了颗粒增强复合材料中颗粒增强体粒径分布对复合材料力学性能的影响,利用分形思想将增强粒子的概率分布特征考虑进来,对已有的复合材料细观力学等效夹杂方法进行修正,建立了一个考虑粒子统计分布的细观等效力方法.以混凝土为例,分析了颗粒增强体体积含量、夹杂与基体的模量比和分形结构的分辨率对复合材料力学性能的影响.结果表明,这种新方法能够适用于分析颗粒增强复合材料的细观结构对力学性能的影响.     

THE EFFECT OF THE CHUTE ON THE PARTICLE SIZE SEGREGATION IN A BELL-LESS TOP BLAST FURNACE

为研究溜槽对高炉无料钟布料偏析的影响,采用离散元方法模拟了无料钟卸料过程,得到了溜槽上颗粒的速度分布,布料结果的径向、周向粒度分布,并分析了溜槽内表面的键槽、截面形状和倾角对粒度偏析的影响规律,结果表明:(1) 溜槽上的键槽会引起布料结果周向偏析;(2) 溜槽方形截面较圆形截面更有利于精确的径向布料;(3) 不同溜槽倾角下,径向偏析不同, 结果为高炉布料工艺的设计及炉料分布的精确控制提供科学依据.     

THE VARIATIONS OF PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF REMODELING AND UNDISTURBED EXPANSIVE ROCKS OF DIFFERENT PARTICLE SIZES 1)

以南宁盆地膨胀岩为研究对象,通过室内试验测定原状样与不同颗粒粒径重塑样的膨胀力、抗剪强度及热特性,研究其性质差异。结果表明：重塑后不同粒径范围膨胀岩土样的无荷膨胀率较原状样明显升高,而主应力差峰值、抗剪强度和热物理指标较原状样均有降低。因此,应选择合适粒径范围的土颗粒重塑代替原状样进行室内试验：无荷膨胀率和膨胀力试验应选择粒径范围1 mm≤d<2 mm的土颗粒;三轴试验和热物理指标测试应尽量选择粒径较小的土颗粒。