文献综述--周竞洋
淮阴工学院
毕业论文开题报告
学生姓名：周竞洋学号：1101401324 专业：土木工程（路桥方向）
设计(论文)题目：考虑压实颗粒破碎的水泥稳定级配
碎石原生级配反演研究
指导教师: 董云
日
2014 年 2 月2
4
毕业论文开题报告
1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述
文献综述
土体在不同因素影响下会发生颗粒破碎，产生不同的粒径分布，且颗粒破碎引起了土体力学性质的改变，如应力应变关系、渗透性、粘聚力、内摩擦角等，给工程实践带来很多不确定的安全问题。所以有必要对颗粒破碎的形成机理、影响因素进行研究，进一步形成判断颗粒破碎力学性质的有效公式和计算方法。
目前国内外一些学者对颗粒破碎的相关研究甚多[1-12]，本文主要从影响颗粒破碎的因素、颗粒破碎对强度特性的影响，考虑颗粒破碎对粗粒土本构关系及模型的研究等方面进行论述。
一影响颗粒破碎的因素
赵阳等[13]通过对比泥夹碎屑、泥夹粉砂、全泥型3种不同层间错动带类型与现场3种不同含水率(10%、7%和3%)试样在法向压力2～10 MPa作用下的反复直剪试验和剪切面颗粒粒径分析试验结果，获得不同初始颗粒粒径分布和含水率对层间错动带颗粒破碎影响。认为粗颗粒越多(d60越大)，采用相对颗粒破碎势Br量化的颗粒破碎程度越大。较干颗粒(低含水率)由于磨损产生了更多的细小颗粒，而较湿颗粒(高含水率)由于破裂和摩擦产生了较大颗粒。
杨光等[14]通过不同应力路径下的大型三轴试验，对粗粒料在不同应力路径下的颗粒破碎情况进行研究，分析应力路径对颗粒破碎的影响，假定卸载和再加载过程中产生的颗粒破碎很小，可忽略不计。颗粒破碎主要与加载过程中输入的塑性功有关，颗粒相对破碎率随着输入塑性功的增大而增大，与塑性功成良好的双曲线关系；颗粒破碎的增加将导致峰值内摩擦角的减小，峰值内摩擦角与颗粒相对破碎率之间呈线性关系。
傅华等[15]通过室内粗颗粒土的大型三轴和单轴试验，对粗颗粒土的颗粒破碎特性进行了研究，并分析了粗颗粒土母岩性质、级配、围压及应力状态对颗粒破碎的影响。分析认为粗颗粒料的母岩强度或细颗粒含量越高，或粗颗粒料的浑圆度越好，颗粒破碎率越小；粗颗粒料的颗粒破碎率会随着围压和应力的增大而增大。
王光进[16]等通过大型两用直剪仪研究不同粗粒含量下颗粒破碎特性，分析认为对破碎率与垂直压力的关系可以用双曲线表示。同时，由于水的软化作用，导致长期浸泡
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于水中的土样颗粒破碎率增加非常明显。
魏松等[17]认为等压固结时颗粒破碎率与围压之间以及峰值时内摩擦角与颗粒破碎率之间均呈幂函数关系；相同围压下，颗粒破碎率随应力水平增加而逐渐加速增加；相同应力水平下，随着围压增加而增加。不同围压下的颗粒破碎率与应力水平之间可进行归一化处理。干湿状态对粗粒料颗粒破碎影响显著，浸水引起的颗粒破碎应主要决定于材料的软化系数，分析认为干湿颗粒破碎率比应与软化系数有一定相关性。
刘尧等[18]认为颗粒破碎率随着法向应力的增大而增大；在低法向应力下，颗粒的破碎主要受剪应力大小的影响，破碎开始于剪应力达到峰值之前，在高法向应力下，颗粒破碎受法向应力影响的程度更大。
胡万雨等[19]通过颗粒破碎大型直剪试验分析得出：随法向应力增加，颗粒破碎率增加；粒径及级配对破碎影响显著，相同法向应力下粒径越大，破碎率越大，级配越良好，破碎率越小。
杜俊等[20]通过对多个级配不同含水率的粗粒土进行击实试验，分析认为粗粒含量和含水率是影响颗粒破碎率的两个重要因素，但相对于含水率而言，粗粒含量对破碎率的影响要更加显著。
胡万雨等[21]利用改进的单向压缩仪，对不同粒组粗粒土试样进行高应力水平下的颗粒破碎试验，分析得出：粒径越小，轴向应力越小；级配越好，颗粒破碎程度越低。粗粒土颗粒破碎存在临界应力，应力超过临界应力后才发生显著颗粒破碎。粗粒土颗粒破碎实质上是土体中裂隙发展，土体强度低于临界应力，裂隙贯穿土颗粒形成的。
赵晓菊等[22]通过进行3中堆石料的大型三轴排水剪切试验来分析不同级配堆石料的颗粒破碎，结论认为颗粒破碎率随应力的增大而增大，相比于细颗粒含量高的堆石料，细颗粒含量少的在同一围压情况下产生的颗粒破碎率要大。
王振兴等[23]通过单轴固结试验和三轴剪切试验对堆石料的颗粒破碎情况进行了研究，发现在单轴固结试验和三轴剪切试验中，破碎率与轴压和围压的关系可分别用指数函数和幂函数表示，同时两种试验条件下的颗粒破碎情况差异较大，这主要是由侧向约束的不同引起的。
孔德志等[24]通过研究人工堆石颗粒的破碎特性，认为多粒径指标可以作为颗粒破碎的影响参量使用。
王琛等[25]初步探讨蠕变与颗粒破碎的关系，随应力水平和围压的增大，颗粒破碎增多。采用相对颗粒破碎指数分析了堆石经蠕变试验后的颗粒破碎情况，表明轴向蠕变和体积蠕变皆近似与相对颗粒破碎指数呈线性比例关系。
冯大阔等[26]认为法向应力及结构面板类型和粗糙度对接触面颗粒破碎有一定影响；法向应力越大，接触面相对破碎率越大，两者可用幂函数描述；结构面板越粗糙，接触面颗粒破碎越多；剪切路径对接触面相对破碎率影响较小。
从以上学者的研究可知，影响颗粒破碎的因素是多方面的，主要因素有初始粒径分布、含水率、塑性功、围压、级配和法向应力等。
二颗粒破碎对强度特性的影响
王子寒等[27]通过对不同级配粗粒土进行大型直剪试验，结论认为破碎率与法向应力之间基本符合双曲线关系，不良级配试样在法向力较高时，试验结束时的曲线仍有明显上升趋势，并且各级剪切力的差值随法向压力的增加而明显减小，非线性特性较强。
赵阳等[28]认为颗粒破碎导致残余强度包线具有非线性。随着随着法向应力的增大，颗粒破碎加剧，黏粒（<2 μm）含量增多，增大了颗粒的定向排列程度并降低剪切强度。
吴纹达等[29]认为颗粒破碎率随着围压的增大，当围压大于一定程度时，颗粒破碎成为材料受力行为的主要控制因素。
孔德志等[30]等通过系列的三轴试验研究了不同破碎率情况下模拟堆石料应力变形和破碎体应变的特性。结论认为颗粒破碎对堆石体的应力-应变特性具有重要的影响。颗粒破碎可减小堆石体的剪胀和应变软化现象。
从以上学者的研究可知，颗粒破碎对土体强度特性具有重要影响，研究土体颗粒破碎对深入了解抗剪强度、应力-应变等具有实际工程意义。
三考虑颗粒破碎对粗粒土本构关系及模型的研究
刘恩龙等[31]认为颗粒破碎对堆石料的变形和破坏机制有很大影响。通过引入状态参数，在广义塑性力学的理论框架下提出了考虑颗粒破碎的堆石料本构模型及参数的确定方法。
贾宇峰等[32]采用初始状态参量，描述粗粒土的初始状态，建立模型参数与初始状态参量的关系，将初始状态参量引入考虑颗粒破碎影响的粗粒土本构模型对其进行改进，建立了能够同时反映粗粒土颗粒破碎现象和剪胀剪缩性的剪胀性统一模型。建立的
统一模型不仅考虑了颗粒破碎对粗粒土结构的影响，而且考虑了粗粒土的状态依赖特性。
孙海忠等[33]研究了颗粒破碎对硬化准则和剪胀性的影响，提出了修正后的硬化准则和剪胀方程，并基于有效塑性功的概念，建立了考虑颗粒破碎的粗粒土临界状态弹塑性本构模型。
姚仰平等[34]在已发展的考虑颗粒破碎效应的静力UH本构模型基础上，采用变换应力方法，将原模型拓展为适用于无黏性土的动力统一硬化模型（DUH模型）。修正了变换应力公式，通过将真实应力空间中随应力状态变化的屈服面变换到变换应力空间中的椭圆面来实现，在变换应力空间，屈服面数学形式简单明确。引入了旋转硬化规则，并建立了与之相适应的动力统一硬化参数，能充分反映应力诱导各向异性所造成的应力应变关系差异。
尹振宇等[35]认为修正相对破碎指数
针对不同材料在破碎过程中均能从0变化到1，
ref0
故认为评价比较材料的破碎程度时较为统一。故提出的以修正相对破碎指数为关键变量的本构方程可直接应用于考虑颗粒破碎效应的粒状材料静动力本构模型的开发。
申存科等[36]通过颗粒破碎耗能与塑性功之间的关系，将塑性功引入到土体受力变形过程的能量方程中，推导得到粗粒土流动法则。并提出可用塑性功来反映粗粒土的颗粒破碎程度，并用它代替土体颗粒破碎耗能，建立完整的考虑颗粒破碎的粗粒土流动法则。
贾宇峰等[37]通过分析三轴试验数据，计算得出剪切过程中的颗粒破碎耗能。建立了破碎耗能与破碎参量
B的关系式。通过该关系式计算得到剪切过程中的破碎参量，建
r
立了破碎参量与剪切应变的关系式。结合这两个关系式，把破碎耗能引入本构方程，采用相关联流动法则推导出考虑颗粒破碎的屈服函数。根据屈服函数与试验数据建立以塑
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性剪切应变为内参量的硬化函数。通过变异粒子群优化算法拟合试验曲线，确定模型参数。
周成等[38]提出了一个考虑土石料颗粒破碎和湿化引起体应变增加、密度和剪胀性改变，以及密度变化影响状态依存的建模方法，并建议了一个次塑性本构模型，以便模拟土石料在高压及湿化作用下发生显著的颗粒破碎现象，以及循环加载中的颗粒破碎与应力驱动各向异性随动硬化共同影响下土石料的变形。
马刚等[39]认为颗粒破碎对堆石体宏观变形特性和强度有显著的影响。在随机颗粒不连续变形模型的基础上，在颗粒的细观单元之间插入界面单元，采用黏聚力模型模拟界面单元的起裂、扩展和失效，实现颗粒破碎的细观数值模拟。
刘恩龙等[40]基于堆石体在循环荷载作用下的动应力应变特点和堆石体在q-p′平面和
e-lgp′平面上临界状态线均为非线性变化，通过引入状态参数，提出了一个考虑颗粒破碎的堆石体的动本构模型。此模型可以模拟堆石体在循环荷载作用下的动残余变形、应力循环过程中的变形特性和高应力水平时颗粒破碎引起的体缩等主要变形特性。
以上学者研究表明，考虑颗粒破碎对粗粒土本构关系模型的研究有利于建立本构方程，建立模型与初始状态参数，有利于推进颗粒破碎对粗粒土本构关系模型研究的进一步发展。虽然不同加载条件下（一维及等向压缩、三轴剪切、剪扭及单剪）的试验研究很好地总结了颗粒破碎对材料力学性能的影响，但在如何建立同时适用于静力及动力作用下颗粒破碎的大小，及如何解释颗粒破碎对应力-应变产生影响等方面还存在着不足之处。
综上所述，可知目前对考虑压实颗粒破碎的水泥稳定级配碎石的原生级配反演的研究尚少。故可把反演水泥稳定碎石原生级配作为一个研究方向，并可从室内进行不同级配组成碎石压实过程中的破碎规律研究着手，进而逐步推出水泥稳定碎石的原生级配。
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2．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）
水泥稳定级配碎石压实过程中造成的颗粒破碎将改变级配碎石的原始级配组成，并进一步影响水泥稳定级配碎石的物理力学性能。为找出级配碎石压实过程中的颗粒破碎规律，进而反演水泥稳定碎石的原生级配，在室内进行不同级配组成碎石压实试验，并找出破碎规律。研究中拟采用的手段如下：
1、理论分析。水泥稳定级配碎石压实过程中造成的颗粒破碎将改变级配碎石的原始级配组成，通过对比压碎前后颗粒破碎率，颗粒粒径变化等指标，将问题转化为数学问题，建立数学模型。
2、软件辅助。根据验证过的颗粒破碎公式，编制计算程序。主要通过VB语言编制计算软件，计算出压碎前后颗粒粒径百分比，并且能够绘出并输出数据曲线。
3、对比试验。对比压碎前后颗粒，进行数据分析对比。
因此，本课题研究的要点是找出级配碎石压实过程中颗粒破碎规律，进而反演水泥稳定碎石的原生级配。
毕业论文开题报告本课题研究计划安排表如下：
毕业论文计划进程表
起迄日期工作内容
寒假阅读、翻译外文并撰写1月17日～ 2月27日
开题报告
2月28日～ 3月 1 日开题答辩
完成实验方案设计及
3月 2 日～ 4月13日
部分试验
4月14日～ 4月15日毕业设计前期检查
完成试验内容及数据处理与4月16日～ 5月23日
分析
5月25日～ 5月30日完成试验分析与论文
6月1日～ 6月3日完成毕业设计论文互审
6月5日～ 6月8日答辩
毕业论文开题报告
指导教师意见：
1．对“文献综述”的评语：
2．对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：
指导教师：
年月日所在专业审查意见：
负责人：
年月日