不同加载路径下钙质砂的颗粒级配曲线的快速预测方法技术

本发明专利技术涉及不同加载路径下钙质砂的颗粒级配曲线的快速预测方法，包含步骤：获取在等向压缩试验条件下，相同初始级配和初始孔隙比的钙质砂在不同围压下的颗粒粒径分布曲线；计算等向压缩试验下的相对破碎率；确定不同加载路径下的压缩试验中的钙质砂试样的应力应变关系；计算的总输入能；获取颗粒粒径分布曲线；计算不同加载路径下的相对破碎率；确定特征粒径的尺寸；绘制数据散点关系图；获得拟合参数；得到快速预测方程。本发明专利技术解决了应力路径对级配演化规律的影响，使颗粒粒径分布模型不受实际颗粒粒径分布与假定的颗粒粒径分布曲线的函数关系式匹配程度影响；让应力路径对颗粒粒径分布的影响不受初始级配条件限制，拓宽了应用条件和应用场景。用条件和应用场景。用条件和应用场景。

【技术实现步骤摘要】
不同加载路径下钙质砂的颗粒级配曲线的快速预测方法


[0001]本专利技术涉及岛礁建设工程
，具体地涉及不同加载路径下钙质砂的颗粒级配曲线的快速预测方法。

技术介绍

[0002]作为海洋岛礁工程主要的填料和地基材料，钙质砂是一种颗粒强度低、形状复杂和内孔隙丰富，在较低的应力作用下就会产生显著颗粒破碎效应的特殊岩土材料。颗粒破碎效应会改变钙质砂的级配，而级配对钙质砂的孔隙比、渗透系数、最大干密度、抗剪强度、沉降变形以及临界特性等均有重要影响。一方面，这种级配的改变又是随着外荷载或变形的变化而变化，使得钙质砂的力学特性更为复杂。另一方面，在不同的实际工程中，钙质砂往往处于不同的加载路径下，而加载路径也是影响颗粒破碎效应的重要因素，这也导致钙质砂在不同的加载路径下的颗粒级配差异性较大。这种级配的变化则可能会使钙质砂的抗剪强度、渗透性或沉降变形发生变化，引发工程结构问题。因此，基于海洋岛礁工程稳定性和结构安全性的考虑，获取不同加载路径下钙质砂的颗粒粒径分布曲线，对评价钙质砂的力学行为和变形特性有重要意义。
[0003]现有技术对粒状土颗粒粒径分布曲线的获取主要有两种方法：(1)通过假定颗粒粒径分布曲线的函数关系式(如，分形模型)，然后通过颗粒破碎指标(如，Hardin提出的相对破碎率)，建立起颗粒破碎指标与粒径分布曲线的函数关系式中参数的关系，最后依据试验结果，建立应力
‑
应变关系与颗粒破碎指标的关系。这样就形成了应力
‑
应变关系—颗粒破碎指标—粒径分布曲线的转换关系；(2)从单颗粒破碎试验出发，假定单颗粒破碎概率与颗粒粒径的关系(如McDowell提出的颗粒“存活概率”和荷载之间符合Weibull分布概念)，然后对单颗粒破碎规律基于Ozkan提出的级配演化Markov模型进行叠加，获得多颗粒粒径组颗粒破碎的颗粒粒径分布曲线。
[0004]再者结合上述两种方法，依据单颗粒破碎概率与颗粒粒径的关系的函数关系式和假定的颗粒粒径分布曲线的函数关系式，建立两类函数关系式参数的联系，最终来获得多颗粒粒径组颗粒破碎的颗粒粒径分布曲线。
[0005]现有技术的缺陷在于：
[0006]1.假定颗粒粒径分布曲线的函数关系式的颗粒级配演化预测方法，很大程度取决于应力作用下颗粒破碎后，钙质砂的颗粒粒径分布与假定的颗粒粒径分布曲线的函数关系式的匹配程度；基于上述逻辑基础，如果两者匹配效果差，则必然导致预测结果离散性大，从而进一步导致预测精度非常差；
[0007]2.采用Markov模型叠加单颗粒破碎规律时，Markov模型的实现基础在于假设一个大颗粒破碎成其他不同尺寸的较小颗粒的概率都是相同的，而显然这与实际不符，因此实际上是不具备实用性的；
[0008]3.在采用计算机颗粒流软件，模拟颗粒破碎效应对粒状土力学特性影响时，现有技术往往为了消除多粒径颗粒的颗粒形状对试验模拟的影响，而选择单一粒组的颗粒进行
模拟；那么如果想验证模拟结果的准确性，则需要对模拟计算与试验结果的颗粒粒径分布曲线进行对比验证；但以往的颗粒粒径分布演化模型的初始级配多是连续级配，因此无法反映单一级配在不同应力作用条件下的颗粒粒径分布规律；
[0009]4.由于现有的颗粒粒径分布演化模型大多是在常规三轴压缩试验路径下提出的，从而无法反映加载路径对颗粒破碎的影响，进一步来说也无法反映加载路径对级配演化规律的影响。

技术实现思路

[0010]本专利技术针对上述问题，提供不同加载路径下钙质砂的颗粒级配曲线的快速预测方法，其目的在于解决应力路径对级配演化规律的影响，且进一步使颗粒粒径分布模型不受实际级配与假定的颗粒粒径分布曲线的函数关系式匹配程度的影响；让应力路径对颗粒粒径分布的影响也不受初始级配条件的限制，拓宽应用条件和应用场景，也更加符合工程设计、施工的要求，解决现有技术存在的问题。
[0011]为解决上述问题，本专利技术提供的技术方案为：
[0012]一种不同加载路径下钙质砂的颗粒级配曲线的快速预测方法，包含以下步骤：
[0013]S100.获取在等向压缩试验条件下，相同初始级配和初始孔隙比的钙质砂在不同围压下的颗粒粒径分布曲线；然后计算得到等向压缩试验下的相对破碎率；
[0014]S200.制备与S100中的所述初始级配相同，且所述初始孔隙比相同的钙质砂试样；然后，确定不同加载路径下的压缩试验中的所述钙质砂试样的应力应变关系；然后计算试样在每个所述加载路径下的剪切阶段的总输入能；然后，在S200的压缩试验结束后，获取关于S200的所述压缩试验的颗粒粒径分布曲线；然后计算得到不同加载路径下的所述钙质砂试样剪切阶段的所述相对破碎率；
[0015]S300.对S200中获取的每个所述加载路径下的所述颗粒粒径分布曲线，确定在所述颗粒粒径分布曲线上的特征粒径的尺寸；
[0016]S400.根据S300中获取的所述特征粒径与S200中获取的每个所述加载路径下的所述钙质砂试样剪切阶段的所述相对破碎率，在直角坐标系下绘制所述特征粒径与不同所述加载路径下的所述钙质砂试样剪切阶段的所述相对破碎率的数据散点关系图；
[0017]或，根据S300中获取的所述特征粒径与S200中获取的每个所述加载路径下的剪切阶段的所述总输入能，在直角坐标系下绘制所述特征粒径与每个所述加载路径下的剪切阶段的所述总输入能的数据散点关系图；
[0018]然后获得拟合参数；根据所述拟合参数得到快速预测方程；所述快速预测方程即为本专利技术的快速预测方法的最终结果。
[0019]优选地，S100和S200中，都采用Hardin相对破碎率概念计算方法，计算得到所述相对破碎率；具体按下式表达：
[0020][0021]其中：B
r
为相对破碎率；B
t
为颗粒破碎势，通过所述压缩试验的初始颗粒粒径分布曲线、所述压缩试验加载结束后的颗粒粒径分布曲线和粒径这三条曲线围成的面积计算获取，其中粒径的值由人工设置；B
p
表示总破碎势，通过所述颗粒破碎的所述初始颗粒粒径分
布曲线、破碎概率和粒径这三条曲线围成的面积计算获取，其中破碎概率的值由人工设置。
[0022]优选地，S100具体包含以下步骤：
[0023]S110.取不少于3份的所述初始级配相同的所述钙质砂，按照人工设定的所述初始孔隙比，逐一计算每一份钙质砂试样的质量；具体按下式表达：
[0024][0025]其中，m为钙质砂试样的质量；G
s
为钙质砂颗粒比重；w0为钙质砂的初始含水率；ρ
w
为纯水的密度；V为钙质砂试样的体积；e0为所述初始孔隙比。
[0026]S120.根据S110计算得到的钙质砂试样的质量，按顺序逐一称取所需质量的钙质砂，采用砂雨法直接在应力路径三轴仪的仪器底座上制备钙质砂试样，并对钙质砂试样采用反压与二氧化碳联合饱和的方法进行饱和；
[0027]S130.逐一对S120中得到的每份所述钙本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种不同加载路径下钙质砂的颗粒级配曲线的快速预测方法，其特征在于：包含以下步骤：S100.获取在等向压缩试验条件下，相同初始级配和初始孔隙比的钙质砂在不同围压下的颗粒粒径分布曲线；然后计算得到等向压缩试验下的相对破碎率；S200.制备与S100中的所述初始级配相同，且所述初始孔隙比相同的钙质砂试样；然后，确定不同加载路径下的压缩试验中的所述钙质砂试样的应力应变关系；然后计算试样在每个所述加载路径下的剪切阶段的总输入能；然后，在S200的压缩试验结束后，获取关于S200的所述压缩试验的颗粒粒径分布曲线；然后计算得到不同加载路径下的所述钙质砂试样剪切阶段的所述相对破碎率；S300.对S200中获取的每个所述加载路径下的所述颗粒粒径分布曲线，确定在所述颗粒粒径分布曲线上的特征粒径的尺寸；S400.根据S300中获取的所述特征粒径与S200中获取的每个所述加载路径下的所述钙质砂试样剪切阶段的所述相对破碎率，在直角坐标系下绘制所述特征粒径与不同所述加载路径下的所述钙质砂试样剪切阶段的所述相对破碎率的数据散点关系图；或，根据S300中获取的所述特征粒径与S200中获取的每个所述加载路径下的剪切阶段的所述总输入能，在直角坐标系下绘制所述特征粒径与每个所述加载路径下的剪切阶段的所述总输入能的数据散点关系图；然后获得拟合参数；根据所述拟合参数得到快速预测方程；所述快速预测方程即为本发明的快速预测方法的最终结果。2.根据权利要求1所述的不同加载路径下钙质砂的颗粒级配曲线的快速预测方法，其特征在于：S100和S200中，都采用Hardin相对破碎率概念计算方法，计算得到所述相对破碎率；具体按下式表达：其中：B
r
为相对破碎率；B
t
为颗粒破碎势，通过所述压缩试验的初始颗粒粒径分布曲线、所述压缩试验加载结束后的颗粒粒径分布曲线和粒径这三条曲线围成的面积计算获取，其中粒径的值由人工设置；B
p
表示总破碎势，通过所述颗粒破碎的所述初始颗粒粒径分布曲线、破碎概率和粒径这三条曲线围成的面积计算获取，其中破碎概率的值由人工设置。3.根据权利要求1所述的不同加载路径下钙质砂的颗粒级配曲线的快速预测方法，其特征在于：S100具体包含以下步骤：S110.取不少于3份的所述初始级配相同的所述钙质砂，按照人工设定的所述初始孔隙比，逐一计算每一份钙质砂试样的质量；具体按下式表达：其中，m为钙质砂试样的质量；G
s
为钙质砂颗粒比重；w0为钙质砂的初始含水率；ρ
w
为纯水的密度；V为钙质砂试样的体积；e0为所述初始孔隙比。S120.根据S110计算得到的钙质砂试样的质量，按顺序逐一称取所需质量的钙质砂，采用砂雨法直接在应力路径三轴仪的仪器底座上制备钙质砂试样，并对钙质砂试样采用反压
与二氧化碳联合饱和的方法进行饱和；S130.逐一对S120中得到的每份所述钙质砂试样，以人工预设的不同的围压进行所述等向压缩试验；每次所述等向压缩试验完毕后，取出试样置于陶瓷盆中，在烘箱中烘干后冷却至室温；S140.对S130中获得的干燥冷却后的所述钙质砂试样，逐一采用振筛法进行筛分试验，获取不同围压条件下的所述颗粒粒径分布曲线；S150.根据S140获取的不同围压条件下的所述颗粒粒径分布曲线，计算获取不同的围压条件下等向压缩试验下的相对破碎率。4.根据权利要求1所述的不同加载路径下钙质砂的颗粒级配曲线的快速预测方法，其特征在于：S200具体包含以下步骤：S210.制备多份用于不同加载路径下的压缩试验的所述钙质砂试样；每份所述钙质砂试样都与S100中的所述初始级配相同，且所述初始孔隙比相同，所述制样方式相同，所述饱和方法相同；S220.待S210中的所述钙质砂试样饱和后，先通过应力路径三轴仪进行不同围压下的所述等向压缩试验；S230.待S220中的所述钙质砂试样在相应围压下完成所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗明星，钟丽，路亚妮，伍彩，
申请(专利权)人：湖北工程学院，
类型：发明
国别省市：