颗粒破碎对粗粒土力学性质影响研究

经典土力学认为，土的颗粒是不可压缩和破碎的，然而近年来大型工业与民用建筑建设的兴起与大型土石坝的兴建，特别是堆石、砂石、粗粒料等材料被广泛应用于水利、港口、交通等岩土工程建设中，颗粒破碎越来越显著，此时经典土力学理论就无法准确描述土体的固有力学性质。由于石英砂颗粒破碎应力往往达数10MPa，试验条件限制了深入开展这方面的研究。本课题拟采用易碎的钙质砂作为研究介质，对颗粒破碎及其对宏观力学性质的影响进行研究。研究资料表明，颗粒强度决定了粗粒料集合体的宏观力学性质，因此本课题拟从研究土的颗粒强度入手，通过结合宏观力学性质试验（压缩、剪切试验），进而分析颗粒破碎对宏观力学性质的影响，在实验数据和理论分析的基础上，拟将颗粒破碎的影响纳入本构方程中，研究成果不仅加强对颗粒破碎的认识，丰富土力学的基本理论，也可为日后工程实践提供指导。

随着大型工业与民用建筑建设的兴起与大型土石坝的兴建，特别是堆石、粗粒料等材料被广泛应用于水利、港口、交通等岩土工程建设中，颗粒破碎现象越来越显著。由于钙质砂是一种特殊岩土介质，其成因和组构上的特点导致其物理力学性质与常规的陆源砂有所区别，故本课题采用其作为研究介质，对颗粒破碎及其对宏观力学性质进行研究。目前，国内对钙质砂的研究主要集中在低应力水平下的力学性质上，对高应力水平下的工作开展较少。本课题从颗粒强度入手，根据试验目的和要求在对钙质砂做了大量压缩和剪切试验基础上，阐述了钙质砂的基本物理力学性质，并对颗粒破碎影响进行了分析，进而提出了基于人工智能理论的高压下钙质砂本构模型。研究结果表明：钙质砂颗粒强度随着颗粒粒径的增大而逐渐降低，其颗粒强度符合Weibull分布特征；钙质砂的压缩特性类似于正常固结粘土，在低压下，变形主要是颗粒位置的调整，而在高压下，颗粒破碎对变形起控制作用；通过剪切试验得出，钙质砂在低应力下的特性与普通陆源砂相近，而在高压下，应变曲线从剪胀到完全剪缩过渡，且应力曲线从软化型向硬化型转变；运用Hardin提出的相对破碎指标，对压缩和剪切下的破碎特性进行描述，并对塑性功、破碎耗能与相对破碎的关系进行探讨；选用最大最小法对试验数据进行归一化处理，并对神经网络结构设计进行了详细设计，得到的高压下钙质砂本构模型能反映高压下钙质砂的剪缩特性和广义剪应力、平均主应力对剪变、体变的相互影响情况，且仿真值与试验值吻合性较好。经过预测发现，得到的神经网络本构模型泛化能力良好，预测精度也较高。.本项目公开发表学术期刊论文6篇（1篇EI收录，2篇SCI收录），国际会议论文1篇。培养在读硕士生2名。. 研究成果加强了对粗粒土宏观力学性质和微观颗粒破碎现象的认识，进一步发展和完善了粗粒土的力学性质研究，为日后指导实际工程设计和施工提供了理论基础和依据，也为进一步深入开展相关研究奠定了基础。