CN109632429A - 一种土石混合体双轴压缩试验的试样制备方法 - Google Patents

一种土石混合体双轴压缩试验的试样制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109632429A
CN109632429A CN201910093086.XA CN201910093086A CN109632429A CN 109632429 A CN109632429 A CN 109632429A CN 201910093086 A CN201910093086 A CN 201910093086A CN 109632429 A CN109632429 A CN 109632429A
Authority
CN
China
Prior art keywords
soil
sample
rock mixture
stone
block stone
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910093086.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN109632429B (zh
Inventor
张强
汪小刚
王玉杰
赵宇飞
孙平
段庆伟
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China Institute of Water Resources and Hydropower Research
Original Assignee
China Institute of Water Resources and Hydropower Research
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China Institute of Water Resources and Hydropower Research filed Critical China Institute of Water Resources and Hydropower Research
Priority to CN201910093086.XA priority Critical patent/CN109632429B/zh
Publication of CN109632429A publication Critical patent/CN109632429A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109632429B publication Critical patent/CN109632429B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
    • G01N1/36—Embedding or analogous mounting of samples
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
    • G01N1/36—Embedding or analogous mounting of samples
    • G01N2001/366—Moulds; Demoulding

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Sampling And Sample Adjustment (AREA)

Abstract

本发明公开了一种土石混合体双轴压缩试验的试样制备方法，即：(1)通过现场取样和室内颗分试验确定土石混合体的粒径级配，(2)确定预制土石混合体试样中所允许的块石粒径区间；(3)利用计算机随机模拟技术构建土石混合体的随机细观结构模型；(4)利用3D打印制作土石混合体双轴压缩试验制样模具；(5)利用3D打印出的制样模具制备土石混合体双轴压缩试样。本发明提供的土石混合体试样制备方法不仅可以制备符合统计意义的具有不同细观结构特征的土石混合体试样，而且可以进行重复制样，用于双轴试验研究土石混合体的局部化变形破坏机制。

Description

一种土石混合体双轴压缩试验的试样制备方法
技术领域
本发明涉及一种土石混合体试样的制备方法，具体地说，涉及一种基于计算机随机模拟技术及3D打印技术制备土石混合体双轴压缩试验试样的方法。本发明属于岩土工程领域。
背景技术
土石混合体是一种具有特殊结构的地质体，主要由不同粒径的碎块石和土体混合组成，一般多发育于第四系松散堆积层中，并广泛分布于我国西南地区，也是该地区滑坡和泥石流等地质灾害发生和孕育的最主要地质体。近年来，随着我国西南地区水电工程的大规模梯级开发，在电站库区、近坝区等关键工程部位，普遍会遇到这种特殊地质体，通常方量巨大，体积动辄数百万方，甚至数千万方，由于其形成机理复杂，加之具有治理难度大、失稳危害性大等特点，为我国水电开发带来巨大的挑战。
作为土石混合体稳定性评价与防治的理论基础，对土石混合体变形破坏机制的研究已成为水电工程界当前一个热点研究课题。与一般的均匀岩土体不同，土石混合体的变形破坏不仅受其物质组成的影响，而且受其内部土石结构特征(如，块石粒径、含量及空间位置分布)影响巨大。
目前对土石混合体变形破坏的研究常用的试验手段为室内三轴试验。然而，受观察手段限制，常规三轴试验难以观察和捕捉到土石混合体内部的破坏的全过程，为此，有研究者提出采用双轴压缩试验进行研究更加具有优势，这主要是因为在双轴压缩试验中可以清楚直观地观察到土石混合体变形破坏的整个发育过程。通过现有文献查询，目前还没有针对土石混合体双轴压缩试验提出一种相应地的制样方法。鉴于这种情况，本发明提出了一种针对土石混合体双轴压缩试验，制备试样的方法，该方法可用于制备具有不同细观结构特征的土石混合体试样。
发明内容
鉴于上述原因，为了采用双轴压缩试验研究土石混合体在不同细观结构特征下的变形破坏机制，本发明的目的是提供一种土石混合体双轴压缩试验的试样制备方法。该试样制备方法综合运用计算机随机模拟技术及3D打印技术，可以制备的符合统计意义的具有不同细观结构特征的土石混合体双轴压缩试验重塑样。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种土石混合体双轴压缩试验的试样制备方法，它包括如下步骤：
(1)现场取样及室内颗分试验确定土石混合体的粒径级配；
(2)确定预制土石混合体试样中所允许的块石的粒径区间；
(3)利用计算机随机模拟技术构建土石混合体二维随机细观结构模型；
(4)利用3D打印制作土石混合体双轴压缩试验制样模具；
(5)利用制样模具制备土石混合体双轴压缩试验试样。
其中，所述步骤(1)的具体步骤包括：
(1.1)对现场不同部位的土石混合体进行取样，并密封装好运回室内；
(1.2)利用室内颗粒试验测得现场不同部位土石混合体的平均粒径级配。
其中，所述步骤(2)的具体步骤包括：
(2.1)确定预制的土石混合体试样的土/石阀值dS/R。
假设预制的土石混合体试样的尺寸大小为：长(L)×宽(W)×厚(H)，其中L>W，则预制的土石混合体试样的土/石阀值可根据公式(1)计算得到：
dS/R＝0.05Lc (1)
式中，dS/R为特定工程尺度下土石混合体的土/石阀值，Lc为工程特征尺度，对于双轴压缩试验而言，Lc可取为试样宽度W，故dS/R＝0.05W。
(2.2)考虑尺寸效应的影响，预制土石混合体试样中所允许的最大块石的粒径限定为试样宽度的1/5倍，既：
dmax＝0.2W (2)
式中，dmax为预制土石混合体试样中所允许的最大块石的粒径。
(2.3)根据预制试样的土/石阀值及试样所允许的最大块石的粒径，确定预制土石混合体试样的块石的粒径区间。
更进一步，所述步骤(2.3)中首先根据土/石阀值，将土石混合体颗粒级配划分为土体和块石两部分，然后根据预制试样所允许的块石的最大粒径，确定块石粒径的上限值，最终确定的块石粒径区间为：
dS/R≤d石≤dmax (3)
式中，d石为块石的粒径大小。
其中，所述步骤(3)的具体步骤包括：
(3.1)根据块石几何形态统计块石形状特征参数；
(3.2)利用计算机随机模拟技术构造特定形状特征参数的随机块石；
(3.3)按照预制土石混合体试样的块石粒径区间，生成设定含石量的不规则块石集合；
(3.4)将块石集合中所有块石按块石大小降序规则投放至设定尺寸的矩形区域(长为L，宽为W)，构建土石混合体的二维随机细观模型。
更进一步地，所述步骤(3.1)中统计的块石几何形状特征包括：块石轮廓的顶点个数N、扁平度f，且对于任意一个块石，其扁平度f定义为块石长轴和短轴的比值，公式如下：
扁平度(f)＝Smax/Smin (4)
式中，Smax为测量的块石轮廓的最大宽度，Smin为测量的块石轮廓的最小宽度，通过对步骤(2.3)中所确定的块石粒径区间中的块石进行统计，可统计得到块石轮廓的顶点个数N的分布区间[Nmin,Nmax]及块石扁平度f的分布区间[fmin,fmax]。
更进一步，所述步骤(3.2)中所生成的随机块石均为任意形状的不规则凸凹多边形，在极坐标系下，任意多边形的顶点Vi的坐标可由ρi和θi两个参数确定，为了通过计算机模拟获得任意形状的不规则凸凹多边形，将ρi和θi分别定义为两个独立的随机变量，其取值可由公式(5)确定：
式中，ρ0为随机变量ρi的均值，△ρ为随机变量ρi的变化幅值，ξ1为一个伪随机数，在0到1之间取值，△θ为相邻两个顶点的极角之差，由公式(6)确定：
式中，N为多边形顶点数目，且N∈[Nmin,Nmax]，ξ2为一个伪随机数，在0到1之间取值，δ为一个变量，通常取为0.3，为了保证生成的多边形为一个封闭的多边形，需要对△θi按公式(7)进行处理：
更进一步，所述步骤(3.3)是按照步骤(2)所确定的块石粒径区间，将根据所述步骤(3.2)生成的随机块石组成一不规则块石集合，该集合中块石的含量满足预制土石混合体试样的设置值。
更进一步，所述步骤(3.3)中随机块石的大小定义为块石的最小宽度，其可采用包围盒测量得到，其中包围盒为能够包围不规则块石的最小盒子，在二维情况下为矩形。
更进一步，步骤(3.4)中在进行随机块石投放时，保证所投放的块石彼此间不存在入侵情形。
其中，所述步骤(4)的具体步骤包括：
(4.1)利用步骤(3.4)构建的二维随机细观结构模型，制作土石混合体试样制样模具的3D打印实体模型；
(4.2)利用步骤(4.1)制作的3D打印模型，采用3D打印获得土石混合体双轴压缩试验制样模具。
更进一步，步骤(4.1)中所要制作的土石混合体试样制样模具的三维实体3D打印模型包括：石柱模型和制样辅助模具模型，其中制样辅助模具模型包括：石柱固定板模型、压实板模型、围槽模型，其均是通过对细观结构模型进行几何操作得到，例如拉伸、切割操作。
更进一步，步骤(4.2)中土石混合体试样制样模具均采用光敏树脂材料3D打印，3D打印既可以采用普遍的3D打印机(误差为0.1mm)，也可以采用高精度的工业或医用高精度3D打印机(误差为0.1μm)。
其中，所述步骤(5)的具体步骤包括：
(5.1)安装步骤(4)中3D打印的土石混合体制样模具；
(5.2)分层在制样模具中加入土体并压实，直至土体填满围槽；
(5.3)从制样模具中取出制作好的土石混合体试样。
更进一步，所述步骤(5.1)中在按照土石混合体制样模具时，需要保证石柱模型对号插入到固定板上；
更进一步，步骤(5.2)中分层制样时所用的土体的最大粒径小于步骤(2.1)确定的土/石阀值，既：
d土<dS/R (8)
式中，d土表示土体颗粒的粒径。
本发明有益效果：本发明与现有技术相比，不仅可以制备符合统计意义的具有不同细观结构特征的土石混合体试样，而且可以进行重复制样，解决了土石混合体双轴压缩试验中制样难题。本发明可大大提高土石混合体双轴压缩试验的制样效率及实现重复制样，用于双轴压缩试验研究土石混合体的变形破坏机制。
附图说明
图1是本发明一种土石混合体双轴压缩试验的试样制备方法的流程图；
图2是本发明实施例预制土石混合体试样中块石粒径确定示意图；
图3是本发明实施例预制随机块石示意图；
图4是本发明实施例随机块石缩放及大小量测示意图；
图5是本发明实施例块石沿长轴拉伸示意图；
图6是本发明实施例计算机随机模拟技术生成的土石混合体细观模型示意图；
图7是本发明实施例基于细观模型制作石柱模型示意图；
图8是本发明实施例制作制样辅助模具中固定板或压实板模具的3D打印模型示意图；
图9是本发明实施例制作制样辅助模具中围槽模型的3D打印模型示意图；
图10是本发明实施例土石混合体制样模具安装流程图；
图11是本发明实施例土石混合体分层制样中前四层制样流程图；
图12是本发明实施例土石混合体分层制样中最后一层制样流程图；
图13是本发明实施例制备的土石混合体试样示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，本发明公开了一种土石混合体双轴压缩试验的试样制备方法，它包括以下步骤：
S1：通过现场取样及室内颗分试验确定土石混合体的粒径级配。具体的做法为：对现场不同部位的土石混合体进行取样，并密封装好运回室内；然后，利用室内颗粒试验测得现场不同部位土石混合体的平均粒径级配。
S2：确定预制土石混合体试样中所允许的块石的粒径区间。具体的步骤为：
S2.1：确定预制的土石混合体试样的土/石阀值。
假设预制的土石混合体试样的尺寸大小为：长(L)×宽(W)×厚(H)，其中L>W，则预制的土石混合体试样的土/石阀值可根据公式(1)计算得到；
dS/R＝0.05Lc (1)
式中，dS/R为特定工程尺度下土石混合体的土/石阀值，Lc为工程特征尺度。对于双轴压缩试验而言，Lc可取为试样宽度，故dS/R＝0.05W。
S2.2：考虑尺寸效应的影响，预制土石混合体试样中所允许的最大块石的粒径限定为试样宽度的1/5倍，根据公式(2)确定预制土石混合体试样中所允许最大颗粒粒径；
dmax＝0.2W (2)
式中，dmax为预制土石混合体试样中所允许的最大块石的粒径。
S2.3：根据预制试样的土/石阀值及试样中所允的最大块石的粒径，确定预制土石混合体试样的块石的粒径区间。
如图2，根据试验测得的土石混合体粒径级配曲线，由公式(1)确定的土/石阀值和公式(2)确定的预制试样允许的最大块石粒径dmax，最终确定出预制试样中块石粒径区间为：
dS/R≤d石≤dmax (3)
式中，d石为块石的粒径大小。
S3：利用计算机随机模拟技术构建土石混合体二维随机细观结构模型。具体的步骤为：
S3.1：根据块石几何形态统计块石形状特征参数。
本发明中，统计的块石几何形状特征主要有：块石轮廓的顶点个数N，块石的扁平度f，且对于任意一个块石，其扁平度f定义为块石长轴与短轴的比值，由公式(4)计算：
扁平度(f)＝Smax/Smin (4)
式中，Smax为测量的块石轮廓的最大宽度，Smin为测量的块石轮廓的最小宽度，通过对步骤(2.3)中所确定的块石粒径区间中的块石进行统计，可统计得到块石轮廓的顶点个数的分布区间[Nmin,Nmax]及块石扁平度f的分布区间[fmin,fmax]。
S3.2：利用计算机随机模拟技术构造特定形状特征参数的随机块石。
如图3所示，本发明中，采用任意形状的不规则凸凹多边形模拟实际真实块石1，在极坐标系下，任意多边形的顶点Vi的坐标可由ρi和θi两个参数确定，为了通过计算机模拟获得任意形状的不规则凸凹多边形，将ρi和θi分别定义为两个独立的随机变量，其取值可由公式(5)确定：
式中，ρ0为随机变量ρi的均值，△ρ为随机变量ρi的变化幅值，ξ1为一个伪随机数，在0到1之间取值，△θ为相邻两个顶点的极角之差，由公式(6)确定：
式中，N为多边形顶点数目，且N∈[Nmin,Nmax]，ξ2为一个伪随机数，在0到1之间取值，δ为一个变量，通常取为0.3，为了保证计算机随机模拟生成的多边形为一个封闭的多边形，需要对△θi按公式(7)进行处理：
S3.3：按照预制土石混合体试样的块石粒径区间，生成设定含石量的不规则块石集合。
如图4所示，本发明中，在二维情况下，块石1的大小定义为石块的最小宽度Lmin，其可采用包围盒2测量得到，其中包围盒2为能够包围不规则块石的最小盒子，在二维情况下为矩形，为了保证步骤(3.2)中生成初始随机块石的大小满足步骤(2)所确定的预制土石混合体试样的块石粒径区间，需要对初始随机块石进行整体的缩小或放大，使缩放后的块石大小满足设定的分布。
此外，为了保证生成的块石的扁平度符合步骤(3.1)中实测的块石扁平度分布特征，在保存块石大小不变的情况下，可对块石沿其长轴3方向进行拉伸(见图5所示)，使得拉伸后发块石的扁平度位于[fmin,fmax]之间。图4中的标号2表示包围盒，标号3表示块石的长轴，标号4表示块石的短轴，标号5表示缩小后的块石，标号6表示初始随机块石，标号7表示放大后的块石。图5中的标号8表示沿长轴拉伸后的块石。
本发明中，含石量以质量含量w表示，定义为块石质量占试样的百分比，在生成块石集合时，当每生成一个块石后，将其加入块石集合，并更新块石集合的块石总质量，直到块石集合中块石含量达到给定值后，停止生成块石，最终得到了满足设定含石量的块石集合。
S3.4：将块石集合中所有块石按块石大小降序规则投放至设定尺寸的矩形区域(长为L，宽为W)，构建土石混合体的二维随机细观模型。
本发明中，在投放过程中，按块石大小降序依次进行投放，且所投放的块石1间不存在相互入侵情形，当将步骤(3.3)中所生成的块石集合中的所有块石投放至指定尺寸的矩形区域(长为L，宽为W)后，获得了土石混合体的二维随机细观模型，见图6所示，图中的标号9表示土体。
S4：采用3D打印制作土石混合体试样的制样模。具体步骤为：
S4.1：利用步骤(3)构建的二维随机细观结构模型10，制作土石混合体试样制样模具的3D打印实体模型。
本发明中，所要制作的土石混合体试样制样模具的三维实体3D打印模型包括：石柱模型11和制样辅助模具模型，如图7所示，通过对二维随机细观模型10中的块石1进行纵向拉伸H厚度，得到了石柱3D打印模型11。
本发明中，制样辅助模具模型包括：石柱固定板模型12(如图8所示)、压实板模型12、围槽模型13(如图9所示)，其中石柱固定板模型与压实板模型是相同的，它们均是通过对二维随机细观模型10中土体部分进行纵向拉伸ε厚度后获得的，本发明取式中N代表土体部分分层制样的层数，N为自然数，在本发明具体实施例中，N＝5即表明本发明在土石混合体试样制备过程中，土体部分是分5层制作完成的。图8给出了石柱固定板和压实板模型的制作方案。
如图9所示，根据细观结构模型边界，制作围槽底面，本发明中围槽宽度取为0.01W，然后通过对围槽底面拉伸H厚度后，获得了围槽3D实体模型13。
S4.2：利用步骤(4.1)制作的3D打印模型，采用3D打印获得土石混合体双轴压缩试验制样模具。
在本发明较佳实施例中，所述土石混合体试样制样模具均采用光敏树脂材料3D打印，3D打印既可以采用普遍的3D打印机(误差为0.1mm)，也可以采用高精度的工业或医用高精度3D打印机(误差为0.1μm)。
S5：利用土石混合体试样制样模具制备土石混合体试样。具体步骤为：
S5.1：安装步骤(4)中3D打印获得的土石混合体制样模具。
本发明中，土石混合体制样模具安装流程为：先将围槽13放置在固定平面上，然后再将石柱固定板12放入围槽中，最后将石柱11分别对号插入到固定板上，安装流程参见图10。
S5.2：分层在制样模具中加入土体并压实，直至土体填满围槽。
本发明中，采用分层制样方法制备土石混合体试样，整个制样过程分五层制备试样。如图11所示，先利用S5.1中已安装好的制样模具进行前四步分层制样过程，在每加入一层土体后，利用压实板进行压缩，当加入四层土体后，土体已填满围槽；如图12所示，然后将前四步分层制样后获得的模型进行翻转，并从制样模具底部取出石柱固定板，并加入最后一层土体，同时利用压实板进行压实，最终完成分层制样过程。
在分层制样时，所用的土体的最大粒径小于步骤(2.1)确定的土/石阀值，既：
d土<dS/R (8)
式中，d土表示土体颗粒的粒径。
S5.3：从制样模具中取出制备好的土石混合体试样。
如图13所示，从围槽13中取出制备的试样，获得了所制备的土石混合体试样14。
本发明主要应用于岩土工程领域土石混合体双轴压缩试验试样制备方面，利用本发明不仅可以制备符合统计意义的具有不同细观结构特征的土石混合体试样，而且可以进行重复制样，用于双轴试验研究土石混合体的局部化变形破坏机制。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种土石混合体双轴压缩试验的试样制备方法，其特征在于：它包括如下步骤：
(1)现场取样及室内颗分试验确定土石混合体的粒径级配；
(2)确定预制土石混合体试样中所允许的块石的粒径区间；
(3)利用计算机随机模拟技术构建土石混合体二维随机细观结构模型；
(4)利用3D打印制作土石混合体双轴压缩试验制样模具；
(5)利用制样模具制备土石混合体双轴压缩试验试样。
2.根据权利要求1所述的一种土石混合体双轴压缩试验的试样制备方法，其特征在于：所述步骤(1)的具体步骤包括：
(1.1)对现场不同部位的土石混合体进行取样，并密封装好运回室内；
(1.2)利用室内颗粒试验测得现场不同部位土石混合体的平均粒径级配。
3.根据权利要求1或2之一所述的一种土石混合体双轴压缩试验的试样制备方法，其特征在于：所述步骤(2)的具体步骤包括：
(2.1)确定预制的土石混合体试样的土/石阀值dS/R；
假设预制的土石混合体试样的尺寸大小为：长(L)×宽(W)×厚(H)，其中L>W，则预制的土石混合体试样的土/石阀值可根据公式(1)计算得到：
dS/R＝0.05Lc (1)
式中，dS/R为特定工程尺度下土石混合体的土/石阀值，Lc为工程特征尺度，对于双轴压缩试验而言，Lc可取为试样宽度W，故dS/R＝0.05W；
(2.2)考虑尺寸效应的影响，预制土石混合体试样中所允许的最大块石的粒径限定为试样宽度的1/5倍，即：
dmax＝0.2W (2)
式中，dmax为预制土石混合体试样中所允许的最大块石的粒径；
(2.3)根据预制试样的土/石阀值及试样所允许的最大块石的粒径，确定预制土石混合体试样的块石的粒径区间。
4.根据权利要求3所述的一种土石混合体双轴压缩试验的试样制备方法，其特征在于：所述步骤(2.3)中块石粒径区间为：
dS/R≤d石≤dmax (3)
式中，d石为块石的粒径大小。
5.根据权利要求3所述的一种土石混合体双轴压缩试验的试样制备方法，其特征在于：所述步骤(3)的具体步骤包括：
(3.1)根据块石几何形态统计块石形状特征参数；
(3.2)利用计算机随机模拟技术构造特定形状特征参数的随机块石；
(3.3)按照预制土石混合体试样的块石粒径区间，生成设定含石量的不规则块石集合；
(3.4)将块石集合中所有块石按块石大小降序规则投放至设定尺寸的矩形区域(长为L，宽为W)，构建土石混合体的二维随机细观模型。
6.根据权利要求5所述的一种土石混合体双轴压缩试验的试样制备方法，其特征在于：所述步骤(3.1)中统计的块石几何形状特征包括：块石轮廓的顶点个数N、扁平度f，且对于任意一个块石，其扁平度f定义为块石长轴和短轴的比值，公式如下：
扁平度(f)＝Smax/Smin (4)
式中，Smax为测量的块石轮廓的最大宽度，Smin为测量的块石轮廓的最小宽度，通过对步骤(2.3)中所确定的块石粒径区间中的块石进行统计，可统计得到块石轮廓的顶点个数N的分布区间[Nmin,Nmax]及块石扁平度f的分布区间[fmin,fmax]。
7.根据权利要求5所述的一种土石混合体双轴压缩试验的试样制备方法，其特征在于：所述步骤(3.2)中所生成的随机块石均为任意形状的不规则凸凹多边形，在极坐标系下，任意多边形的顶点Vi的坐标可由ρi和θi两个参数确定，为了通过计算机模拟获得任意形状的不规则凸凹多边形，将ρi和θi分别定义为两个独立的随机变量，其取值可由公式(5)确定：
式中，ρ0为随机变量ρi的均值，△ρ为随机变量ρi的变化幅值，ξ1为一个伪随机数，在0到1之间取值，△θ为相邻两个顶点的极角之差，由公式(6)确定：
式中，N为多边形顶点数目，且N∈[Nmin,Nmax]，ξ2为一个伪随机数，在0到1之间取值，δ为一个变量，通常取为0.3，为了保证生成的多边形为一个封闭的多边形，需要对△θi按公式(7)进行处理：
。
8.根据权利要求5所述的一种土石混合体双轴压缩试验的试样制备方法，其特征在于：所述步骤(3.3)是按照步骤(2)所确定的块石粒径区间，将根据所述步骤(3.2)生成的随机块石组成一不规则块石集合，该集合中块石的含量满足预制土石混合体试样的设置值。
9.根据权利要求5所述的一种土石混合体双轴压缩试验的试样制备方法，其特征在于：所述步骤(4)的具体步骤包括：
(4.1)利用步骤(3.4)构建的二维随机细观结构模型，制作土石混合体试样制样模具的3D打印实体模型；
所述土石混合体试样制样模具的三维实体3D打印模型包括：石柱模型和制样辅助模具模型，其中制样辅助模具模型包括：石柱固定板模型、压实板模型、围槽模型，其均是通过对细观结构模型进行拉伸、切割几何操作得到；
(4.2)利用步骤(4.1)制作的3D打印模型，采用3D打印获得土石混合体双轴压缩试验制样模具。
10.根据权利要求9所述的一种土石混合体双轴压缩试验的试样制备方法，其特征在于：所述步骤(5)的具体步骤包括：
(5.1)安装步骤(4)中3D打印的土石混合体制样模具；
(5.2)分层在制样模具中加入土体并压实，直至土体填满围槽；
所加入的土体粒径范围为：
d土<dS/R (8)
式中，d土表示土体颗粒的粒径。
CN201910093086.XA 2019-01-30 2019-01-30 一种土石混合体双轴压缩试验的试样制备方法 Active CN109632429B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910093086.XA CN109632429B (zh) 2019-01-30 2019-01-30 一种土石混合体双轴压缩试验的试样制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910093086.XA CN109632429B (zh) 2019-01-30 2019-01-30 一种土石混合体双轴压缩试验的试样制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109632429A true CN109632429A (zh) 2019-04-16
CN109632429B CN109632429B (zh) 2020-06-16

Family

ID=66064277

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910093086.XA Active CN109632429B (zh) 2019-01-30 2019-01-30 一种土石混合体双轴压缩试验的试样制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109632429B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110188465A (zh) * 2019-05-30 2019-08-30 成都理工大学 土石混合体试样物理参数检测方法及场地稳定性评价方法
CN112525634A (zh) * 2020-11-20 2021-03-19 重庆大学 土石混合体三轴试样制备装置及其制备方法
CN113504087A (zh) * 2021-06-25 2021-10-15 中国矿业大学 一种用于实验室的矿山散体试样制备方法
CN116818468A (zh) * 2023-08-24 2023-09-29 北京科技大学 一种加入稀土改性的钢液的演化过程的分析方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201637636U (zh) * 2010-03-12 2010-11-17 北京中交工程仪器研究所 旋转剪切压实试验机
CN102095651A (zh) * 2011-01-21 2011-06-15 中国科学院地质与地球物理研究所 一种应变控制式土石混合体强度试验装置
CN104036538A (zh) * 2014-06-25 2014-09-10 清华大学 土石混合体三维细观结构重建与分析方法及系统
CN104807685A (zh) * 2015-05-19 2015-07-29 中国矿业大学 利用3d打印制作含特定几何特征结构面的节理试样方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201637636U (zh) * 2010-03-12 2010-11-17 北京中交工程仪器研究所 旋转剪切压实试验机
CN102095651A (zh) * 2011-01-21 2011-06-15 中国科学院地质与地球物理研究所 一种应变控制式土石混合体强度试验装置
CN104036538A (zh) * 2014-06-25 2014-09-10 清华大学 土石混合体三维细观结构重建与分析方法及系统
CN104807685A (zh) * 2015-05-19 2015-07-29 中国矿业大学 利用3d打印制作含特定几何特征结构面的节理试样方法

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110188465A (zh) * 2019-05-30 2019-08-30 成都理工大学 土石混合体试样物理参数检测方法及场地稳定性评价方法
CN112525634A (zh) * 2020-11-20 2021-03-19 重庆大学 土石混合体三轴试样制备装置及其制备方法
CN113504087A (zh) * 2021-06-25 2021-10-15 中国矿业大学 一种用于实验室的矿山散体试样制备方法
CN113504087B (zh) * 2021-06-25 2022-10-21 中国矿业大学 一种用于实验室的矿山散体试样制备方法
CN116818468A (zh) * 2023-08-24 2023-09-29 北京科技大学 一种加入稀土改性的钢液的演化过程的分析方法
CN116818468B (zh) * 2023-08-24 2023-11-10 北京科技大学 一种加入稀土改性的钢液的演化过程的分析方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN109632429B (zh) 2020-06-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109632429A (zh) 一种土石混合体双轴压缩试验的试样制备方法
CN104374619B (zh) 一种不规则柱状节理裂隙网络模型岩芯试样的制备方法
CN104764745A (zh) 一种可直接观测内部变形的岩体模型物理试验方法
US20160290898A1 (en) Transparent frozen soil and preparation method and application thereof
CN105484739B (zh) 碳酸盐岩地层孔隙压力测试方法和装置
CN102230870B (zh) 一种级配碎石cbr数值试验方法
CN109001237B (zh) 一种基于ct扫描和3d打印的岩体内部结构制作方法
Tatone Investigating the evolution of rock discontinuity asperity degradation and void space morphology under direct shear
CN108280290A (zh) 一种混凝土骨料数值模型重建方法
CN110473597A (zh) 砾岩力学性质评价分析方法及系统
CN108827684A (zh) 一种采用凡士林和薄膜制作软弱夹层的隧道模型试验方法
Lichtner et al. Anisotropic sintering behavior of freeze-cast ceramics by optical dilatometry and discrete-element simulations
CN113146797A (zh) 含随机结构面网络的岩体模型3d打印及力学参数获取方法
CN107063790A (zh) 一种不同三维节理面特性岩体的制备方法及其应用
Yu et al. Granular discrete element simulation of the evolution characteristics of the shear band in soil–rock mixture based on particle rotation analysis
CN108819215A (zh) 高精度非常规岩石模型3d打印方法与装置
CN105547831A (zh) 一种测定含复杂结构面岩体变形性质的模型试验方法
CN106290082A (zh) 一种离散元组合颗粒及其离散元堆积试验模拟方法
Li et al. A new approach to measure soil shrinkage curve
Lade et al. Shear banding in torsion shear tests on cross-anisotropic deposits of fine Nevada sand
Vo et al. Unsaturated soil interacting with a rotating model wall
CN104749345A (zh) 一种填料冻胀特性的试验装置及试验方法
CN103487304B (zh) 一种土石混合体重塑试样制作方法
Zhang et al. A new method to replicate high-porosity weak rocks subjected to cyclic freezing-thawing: Sand 3D printing and digital image correlation explorations
CN108387500A (zh) 一种对非球形颗粒堆积体系中局部孔隙结构定量表征的方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant