碎石集料強(qiáng)度與變形特性的研究.pdf

1、碎石集料作為道砟材料、公路工程中的路基路面材料以及壩體工程中的填料等被廣泛應(yīng)用。在凍土區(qū)碎石集料被用來修筑碎石路基結(jié)構(gòu)，利用孔隙中氣體的對流效應(yīng)對地基土體進(jìn)行降溫，從而主動地保護(hù)凍土。為了發(fā)揮降溫效應(yīng)，一般需要碎石顆粒具有較大的粒徑，并且級配分布往往較為集中，然而這顯然有悖于路基工程中的壓實(shí)要求。而現(xiàn)有的研究大多針對碎石集料的降溫機(jī)理以及降溫效果方面，針對這種特殊級配集料的力學(xué)性質(zhì)研究則很少。
　　本研究以國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃

2、（國家“973”計(jì)劃）“凍土工程構(gòu)筑物服役性能評價(jià)與預(yù)測(No.2012CB026104)”以及國家自然科學(xué)基金“多年凍土區(qū)碎石路基的變形機(jī)理與長期穩(wěn)定性研究(No.41371081)”為依托，以多種級配的碎石集料為研究對象，在總結(jié)了國內(nèi)外針對碎石集料降溫機(jī)理以及力學(xué)性質(zhì)研究的基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)大型直接剪切試驗(yàn)、三軸剪切試驗(yàn)并結(jié)合基于離散單元思想的顆粒流計(jì)算方法，研究了碎石集料在動靜荷載作用下的強(qiáng)度與變形特性。研究成果可以為碎石集料的進(jìn)一

3、步研究與應(yīng)用以及凍土地區(qū)碎石路基的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)與參考。主要研究內(nèi)容與成果包括以下幾個(gè)方面:
　　(1)基于室內(nèi)大型直接剪切試驗(yàn)系統(tǒng)，研究了碎石集料在直接剪切條件下的強(qiáng)度、變形以及破碎特性，并分析了主要因素的影響。結(jié)果表明:碎石集料的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線可以采用非線性模型描述;集料的變形則表現(xiàn)為在初始壓縮過后的體積膨脹特性;可以采用相對破碎勢對碎石集料的破碎狀態(tài)進(jìn)行評價(jià);集料的密實(shí)度、細(xì)粒含量、含水率以及試驗(yàn)溫度對集料的抗剪強(qiáng)度均有顯著的

4、影響。
　　(2)基于顆粒流方法建立了碎石集料直接剪切試驗(yàn)的模型，通過對比試驗(yàn)結(jié)果對模型的參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定，從細(xì)觀角度對集料的力學(xué)行為進(jìn)行了研究，分析了直剪條件下碎石集料內(nèi)部顆粒之間的接觸力的分布以及位移矢量的演化。
　　(3)基于室內(nèi)大型三軸剪切試驗(yàn)對碎石集料的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了深入分析;通過對比室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，建立了三軸剪切的顆粒流模型，討論了顆粒細(xì)觀參數(shù)對于集料宏觀力學(xué)性質(zhì)的影響。
　　(4)研究了集料孔隙狀態(tài)對力學(xué)性質(zhì)

5、的影響，結(jié)合細(xì)顆粒含量的影響，提出了用骨架孔隙比的概念來評價(jià)級配間斷較大集料的孔隙狀態(tài)，分析結(jié)果顯示骨架孔隙比與集料的力學(xué)性質(zhì)具有較大相關(guān)性;結(jié)合顆粒流軟件中的球形單元與超級顆粒clump算法，提出了二維條件下，不規(guī)則塊體的生成方法，并對棱角度指數(shù)的概念進(jìn)行了優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上定量地分析了顆粒形狀對于集料抗剪強(qiáng)度的影響。計(jì)算結(jié)果顯示，孔隙越小，棱角度越大集料的抗剪強(qiáng)度以及表征摩擦角也越大。
　　(5)基于室內(nèi)試驗(yàn)與顆粒流模型研究了動