CN113420478A - 基于细观结构特性的高聚物碎石料力学性能分析方法 - Google Patents

基于细观结构特性的高聚物碎石料力学性能分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开基于细观结构特性的高聚物碎石料力学性能分析方法，包括：获取由基体高聚物、碎石和界面过渡区组成的SRP三相细观有限元模型；基于SRP三相细观有限元模型，分别获取基体高聚物密度、界面过渡区、碎石颗粒对SRP轴压性能的影响结果；基于影响结果，获取SRP轴压性能的影响因素以及各影响因素对SRP的影响结果，基于SRP轴压性能的影响因素以及各影响因素对SRP的影响结果预测不同细观组分参数下SRP的宏观力学性能。本发明能够对不同细观结构参数的SRP力学性能进行快速准确分析，为SRP的试验设计提供参考，还能够为高聚物碎石桩的工程应用提供依据，具有重要的科研意义和工程价值。

Description

基于细观结构特性的高聚物碎石料力学性能分析方法
技术领域
本发明涉及高聚物复合材料分析技术领域，特别是涉及基于细观结构特性的高聚物碎石料力学性能分析方法。
背景技术
在我国社会经济发展的过程中，水利工程的建设具有重要的意义，不仅起到防洪固堤的作用，而且能进行灌溉、发电，影响着社会的生产和人们日常生活。因此，为保证社会稳定发展，必须要确保水利工程的建设质量。而在水利工程建设过程中，地基处理的质量影响着整体工程的建设质量，也是水利工程建设的重要组成部分，所谓“基础不牢，地动山摇”。在这样的情况下，有必要进一步提升水利工程地基处理技术水平，以此保障水利工程的建设质量，促进水利工程建设实现效益最大化。
随着工程建设的飞速发展，地基处理手段也日趋多样化，复合地基由于充分利用桩间土和桩共同作用的特有优势和相对低廉的工程造价，得到了越来越广泛的应用。复合地基早先在建筑工程、交通工程中应用广泛，后在水利工程中得到应用。近些年来，在水利工程复合地基施工过程中，最常见的施工技术就是水泥粉煤灰碎石桩，其主要由水泥、煤炭粉以及碎石组成，具有独特的优势和特点，其中较为鲜明的一点是黏性好，能够有效提高地基的承载力。水泥粉煤灰碎石桩因其成本较低、效果较好等优点，受到施工单位的广泛关注和应用。但是由于水泥胶浆需要至少28天的养护期才能使桩体达到所需强度，这样势必会影响一些工期要求严格的工程进度。
非水反应类高聚物材料于20世纪80年代开始应用于工程领域。众多研究表明，此类高聚物材料具有以下特点：
(1)反应过程中不需要水参与，适应性好；
(2)具有较好的抗压和抗拉性能；
(3)成型较快，不需养护(15分钟即可达到最终强度的90％)；
(4)材料具有自膨胀性(最高可达25倍)，可实现对裂隙或空隙的填充和挤密。
因此，这种材料已被广泛应用于水利、土木、交通和采矿等领域的地基处理、防渗修复等实际工程中。将高聚物材料用于改性其他工程材料，也取得了较为理想的结果。
高聚物与碎石相结合形成的碎石增强高聚物复合材料(Crushed-stone-reinforced Polymer，SRP)既能克服散体桩适用范围小的缺点，又能解决水泥粉煤灰碎石桩养护时间长的问题。SRP承载能力优于碎石桩和水泥粉煤灰碎石桩，具有良好的抗压力学性能，能适应复杂地基处理的要求，具有良好的应用价值和发展前景。
现有的关于SRP的研究，主要集中在SRP的宏观力学试验和高聚物碎石桩的模型试验。关于该材料细观力学性能值得进一步研究。因此，需要采用细观力学方法，通过扫描电镜和数值模拟，建立细观结构与宏观性能之间的联系，进一步探究SRP的力学性能和破坏机理。对SRP微观结构和力学性能的研究，能够对不同细观结构参数的SRP力学性能进行快速准确分析，为SRP的试验设计提供参考，也可以为高聚物碎石桩的工程应用提供依据，具有重要的科研意义和工程价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于细观结构特性的高聚物碎石料力学性能分析方法，以解决现有技术的问题，能够对不同细观结构参数的SRP力学性能进行快速准确分析，为SRP的试验设计提供参考，还能够为高聚物碎石桩的工程应用提供依据，具有重要的科研意义和工程价值。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于细观结构特性的高聚物碎石料力学性能分析方法，包括：
获取由基体高聚物、碎石和界面过渡区组成的碎石增强高聚物复合材料SRP三相细观有限元模型；
基于所述SRP三相细观有限元模型，获取基体高聚物密度对所述SRP轴压性能的影响结果；
基于所述SRP三相细观有限元模型，获取界面过渡区对所述SRP轴压性能的影响结果；
基于所述SRP三相细观有限元模型，获取碎石颗粒对所述SRP轴压性能的影响结果；
基于所述基体高聚物密度、所述界面过渡区、所述碎石颗粒对所述SRP轴压性能的影响结果，获取所述SRP轴压性能的影响因素以及各影响因素对SRP的影响结果，基于所述SRP轴压性能的影响因素以及各影响因素对SRP的影响结果预测不同细观组分参数下SRP的宏观力学性能。
优选地，获取由基体高聚物、碎石和界面过渡区组成的SRP三相细观有限元模型的方法包括：通过碎石投放算法对任意形状的碎石进行投放，其中，所投放的碎石位置随机，并设置基体高聚物、碎石、界面高聚物的属性参数，获取由基体高聚物、碎石和界面过渡区组成的SRP三相细观有限元模型。
优选地，基于所述SRP三相细观有限元模型获取基体高聚物密度对SRP轴压性能的影响结果的方法包括：获取若干种不同基体高聚物密度的SRP试件，通过所述SRP三相细观有限元模型分别对各所述SRP试件的弹性模量和抗压强度进行细观数值模拟，得到各所述SRP试件的弹性模量模拟结果和抗压强度模拟结果；同时，对各所述SRP试件进行单轴抗压破坏，基于各所述SRP试件的弹性模量模拟结果、抗压强度模拟结果以及单轴抗压破坏结果，获取基体高聚物密度对SRP轴压性能的影响结果。
优选地，获取界面过渡区对SRP轴压性能的影响结果包括：分别获取低密度界面相对含量和界面过渡区宽度对SRP弹性模量和轴心抗压强度的影响结果。
优选地，低密度界面相对含量对SRP轴压性能的影响结果的获取方法包括：
获取若干种不同低密度界面相对含量的SRP试件，通过所述SRP三相细观有限元模型分别对各所述SRP试件的弹性模量和抗压强度进行细观数值模拟，并对细观数值模拟结果进行归一化处理，得到低密度界面相对含量与SRP弹性模量和抗压强度的关系曲线，低密度界面相对含量与SRP弹性模量和抗压强度的关系曲线用于获取低密度界面相对含量对SRP轴压性能的影响结果；
界面过渡区宽度对SRP轴压性能的影响结果的获取方法包括：
取若干种不同界面过渡区宽度的SRP试件，通过所述SRP三相细观有限元模型分别对各所述SRP试件的弹性模量和抗压强度进行细观数值模拟，并对细观数值模拟结果进行归一化处理，得到界面过渡区宽度与SRP弹性模量和抗压强度的关系曲线，界面过渡区宽度与SRP弹性模量和抗压强度的关系曲线用于获取界面过渡区宽度对SRP轴压性能的影响结果。
优选地，获取碎石颗粒对所述SRP轴压性能的影响结果包括：分别获取碎石颗粒形状、碎石含量、碎石粒径对SRP轴压性能的影响结果。
优选地，碎石颗粒形状对SRP轴压性能的影响结果的获取方法包括：
获取若干种不同颗粒形状的SRP试件，通过所述SRP三相细观有限元模型分别对各所述SRP试件的弹性模量和抗压强度进行细观数值模拟，得到各所述SRP试件的弹性模量模拟结果和抗压强度模拟结果；同时，对各所述SRP试件进行单轴抗压破坏，基于各所述SRP试件的弹性模量模拟结果、抗压强度模拟结果以及单轴抗压破坏结果，获取碎石颗粒形状对SRP轴压性能的影响结果。
优选地，碎石含量对SRP轴压性能的影响结果的获取方法包括：
获取若干种不同碎石含量的SRP试件，通过所述SRP三相细观有限元模型分别对各所述SRP试件的弹性模量和抗压强度进行细观数值模拟，得到各所述SRP试件的弹性模量模拟结果和抗压强度模拟结果；同时，对各所述SRP试件进行单轴抗压破坏，基于各所述SRP试件的弹性模量模拟结果、抗压强度模拟结果以及单轴抗压破坏结果，获取碎石含量对SRP轴压性能的影响结果。
优选地，碎石粒径对SRP轴压性能的影响结果的获取方法包括：
获取若干种不同碎石粒径范围的SRP试件，通过所述SRP三相细观有限元模型分别对各所述SRP试件的弹性模量和抗压强度进行细观数值模拟，得到各所述SRP试件的弹性模量模拟结果和抗压强度模拟结果；同时，对各所述SRP试件进行单轴抗压破坏，基于各所述SRP试件的弹性模量模拟结果、抗压强度模拟结果以及单轴抗压破坏结果，获取碎石粒径对SRP轴压性能的影响结果。
优选地，所述SRP轴压性能的影响因素包括：基体高聚物密度、低密度界面相对含量、界面过渡区宽度以及碎石含量。
本发明公开了以下技术效果：
本发明基于细观数值模拟，针对基体高聚物密度、界面过渡区属性、碎石颗粒属性多个方面对SRP的力学性能进行了细观分析，研究了基体高聚物密度、低密度界面相对含量、界面过渡区宽度、碎石颗粒形状、碎石含量以及碎石粒径多个因素对SRP弹性模量和抗压强度的影响结果，进而预测不同细观组分参数下SRP的宏观力学性能，为SRP宏观力学试验中各细观组分的参数设计以及高聚物碎石桩的工程应用提供理论依据。本发明能够对不同细观结构参数的SRP力学性能进行快速准确分析，为SRP的试验设计提供参考，也为高聚物碎石桩的工程应用提供基础，具有重要的科研意义和工程价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中基于细观结构特性的高聚物碎石料力学性能分析方法流程图；
图2为本发明实施例中SRP三相细观有限元模型的构建示意图；
图3为本发明实施例中细观数值模型示意图；
图4为本发明实施例中细观数值模拟轴心受压破坏示意图；
图5(a)、图5(b)分别为本发明实施例中弹性模量和抗压强度随低密度界面相对含量的变化曲线；
图6为本发明实施例中数值模型以及不同低密度界面相对含量下SRP单轴抗压破坏结果图；
图7(a)、图7(b)分别为本发明实施例中弹性模量和抗压强度随界面宽度的变化曲线；
图8为本发明实施例中数值模型以及不同界面宽度下SRP单轴抗压破坏结果图；
图9(a)、图9(b)、图9(c)分别为本发明实施例中颗粒形状为圆形、椭圆形和多边形时的数值模型以及SRP单轴抗压破坏结果图；
图10(a)、图10(b)分别为本发明实施例中弹性模量和抗压强度随碎石含量的变化曲线；
图11为本发明实施例中不同碎石含量下的数值模型以及SRP单轴抗压破坏结果图；
图12为本发明实施例中不同碎石粒径下的数值模型以及SRP单轴抗压破坏结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1所示，本实施例提供一种基于细观结构特性的高聚物碎石料力学性能分析方法，包括：
S1、获取由基体高聚物、碎石和界面过渡区组成的SRP三相细观有限元模型；
与宏观力学试验相比，采用细观数值模拟方法研究碎石增强高聚物复合材料SRP的力学性能，不仅能够节省大量的人力物力，还能探究SRP细观组分与宏观性能之间的联系，进而预测和分析SRP宏观试验过程中可能出现或已经存在的问题。对SRP力学性能的细观分析，就是研究加入碎石颗粒后，SRP细观结构属性变化对自身力学性能的影响。
SRP的细观数值模拟是从细观角度入手，借助有限元软件，对试件的力学性能和破坏过程进行仿真计算。通过建立任意形状(圆形、椭圆形、多边形)随机位置碎石投放算法，设置基体高聚物、碎石、界面高聚物的属性参数，获取由基体高聚物、碎石和界面过渡区组成的SRP三相细观有限元模型。
获取由基体高聚物、碎石和界面过渡区组成的SRP三相细观有限元模型过程如图2所示：
首先，基于MATLAB软件，在二维平面上进行碎石投放，可投放的碎石形状为圆形、椭圆形和多边形；
然后，将每个碎石边界向内缩进一定距离以构造界面过渡区，使得SRP中高聚物和碎石间存在一层界面过渡区，得到由基体高聚物、碎石和界面过渡区组成的SRP三相细观有限元模型；其中，界面过渡区分为密度低于或高于基体高聚物两种类型。
在通过SRP三相细观有限元模型进行细观数值模拟的过程中，包括如下步骤：
将SRP三相细观有限元模型导入ANSYS并进行网格划分，对碎石、高聚物、界面设置力学属性；
对SRP三相有限元模型施加荷载，在模型底部施加固定约束，在SRP三相细观有限元模型上部施加与Y轴反向的轴向位移；
进行有限元计算结果处理，获取SRP试件的弹性模量模拟结果、抗压强度模拟结果以及单轴抗压破坏结果。
S2、基于SRP三相细观有限元模型，获取基体高聚物密度对SRP轴压性能的影响；
基体高聚物是SRP的基本组分，基体高聚物密度的改变必然会引起SRP的弹性模量和强度等特性的改变。因此，从细观角度探索基体高聚物对SRP力学性能和破坏过程的影响规律具有重要意义。
基于SRP三相细观有限元模型获取基体高聚物密度对SRP轴压性能的影响的方法包括：获取若干种不同基体高聚物密度的SRP试件，通过SRP三相细观有限元模型分别对各SRP试件的弹性模量和抗压强度进行细观数值模拟，得到各SRP试件的弹性模量模拟结果和抗压强度模拟结果；同时，对各SRP试件进行单轴抗压破坏，基于各SRP试件的弹性模量模拟结果、抗压强度模拟结果以及单轴抗压破坏结果，获取基体高聚物密度对SRP轴压性能的影响结果。
为找出SRP弹性模量和抗压强度与基体高聚物密度的关系，本实施例中，设置SRP三相细观有限元模型内碎石含量为50％，截面碎石粒径为0～28mm，如图3所示。试验设置分组情况及基体高聚物力学参数如表1所示，对尺寸为Φ150mm×300mm的SRP圆柱体试件截面进行轴压破坏数值模拟。
表1
Figure BDA0003126506080000081
对模型试件施加位移荷载，细观数值模拟结果如表2所示，由表2可以看出，随着基体高聚物密度的增加，SRP的弹性模量和抗压强度均大大提高。
表2
Figure BDA0003126506080000082
细观数值模拟过程中SRP轴心受压破坏图如图4所示，由图4可知，基体高聚物密度对SRP试件破坏形态有着明显影响：当基体高聚物密度较小时，SRP试件表现为韧性断裂，破坏时试件开裂部分仍连接在一起；当基体高聚物密度较大时，SRP试件表现为脆性破坏，基体高聚物的强度提升，使其压缩破坏时应变能增加，碎石颗粒所受压力剧增，破坏时试件开裂部分易形成贯穿裂缝，出现碎石颗粒被劈裂现象。
S3、基于SRP三相细观有限元模型，获取界面过渡区对SRP轴压性能的影响；
低密度界面分布的随机性较强，界面宽度与颗粒间距也有一定关系。有限的细观模拟技术虽无法准确控制低密度界面分布的均匀性，但是能够模拟低密度界面个数在界面总个数中的含量。根据不同碎石颗粒间距设置不同界面宽度的算法也比较复杂，但是能够设置相同的界面宽度。本实施例获取界面过渡区对SRP轴压性能的影响主要是获取低密度界面相对含量和界面过渡区宽度对SRP弹性模量和轴心抗压强度的影响规律。
低密度界面相对含量对SRP轴压性能的影响的获取方法包括：
获取若干种不同低密度界面相对含量(即界面过渡区密度低于基体高聚物密度)的SRP试件，通过SRP三相细观有限元模型分别对各SRP试件的弹性模量和抗压强度进行细观数值模拟，并对细观数值模拟结果进行归一化处理，得到低密度界面相对含量与SRP弹性模量和抗压强度的关系曲线，该关系曲线用于获取低密度界面相对含量对SRP轴压性能的影响结果。
为找出SRP弹性模量和抗压强度与低密度界面相对含量的关系，本实施例模拟了低密度界面个数与界面总个数之比分别为0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％的SRP试件的弹性模量和抗压强度，试验分组情况及计算结果如表3所示。
表3
Figure BDA0003126506080000091
为更加直观的呈现SRP弹性模量和抗压强度与低密度界面相对含量的关系，在计算结果中，令低密度界面相对含量为0时的弹性模量和抗压强度为1，对试验结果进行归一化处理。SRP弹性模量和抗压强度随低密度界面相对含量增加的变化规律如图5(a)和5(b)所示。从图5(a)和5(b)可以看出，随着低密度界面相对含量的增加，相对弹性模量和抗压强度都呈降低的趋势；弹性模量呈近似线性降低趋势，低密度界面相对含量为100％时，SRP的弹性模量降低了12.5％；当低密度界面相对含量不足60％时，SRP的抗压强度降低趋势明显，当低密度界面相对含量超过60％时，SRP的抗压强度降低幅度变缓，当低密度界面相对含量为100％时，SRP的抗压强度降低了29.1％。
数值模型以及不同低密度界面相对含量下SRP单轴抗压破坏图如图6所示，由图6可知，试件的破坏裂缝主要发生在低密度界面区域，随着低密度界面相对含量的增加，试件裂缝扩展增多，试件破坏的程度增大。
界面过渡区宽度对SRP轴压性能的影响的获取方法包括：
获取若干种不同界面过渡区宽度的SRP试件，通过SRP三相细观有限元模型分别对各SRP试件的弹性模量和抗压强度进行细观数值模拟，并对细观数值模拟结果进行归一化处理，得到界面过渡区宽度与SRP弹性模量和抗压强度的关系曲线，该关系曲线用于获取界面过渡区宽度对SRP轴压性能的影响结果。
为找出SRP弹性模量和抗压强度与界面过渡区宽度的关系，本实施例模拟了界面过渡区宽度分别为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1mm的SRP试件的弹性模量和抗压强度。试验分组情况及计算结果如表4所示。
为更加直观的呈现SRP弹性模量和抗压强度与界面宽度的关系，在计算结果中，令界面宽度为0mm时的弹性模量和抗压强度为1，对试验结果进行归一化处理。SRP弹性模量和抗压强度随界面宽度增加的变化规律如图7(a)、图7(b)所示。由图7(a)、图7(b)可以看出，随着界面宽度的增加，相对弹性模量和抗压强度都呈降低的趋势；弹性模量呈近似线性降低趋势，界面宽度为1mm时，SRP的弹性模量降低了22.2％；当界面宽度小于0.6mm时，SRP的抗压强度降低趋势明显，当界面宽度大于0.6mm时，SRP的抗压强度降低幅度变缓，当界面宽度为1mm时，SRP的抗压强度降低了25.2％。
数值模型以及不同界面宽度下SRP单轴抗压破坏图如图8所示，由图8可知，试件的破坏裂缝主要发生在界面过渡区，随着界面宽度的增加，试件裂缝扩展增多，试件破坏的程度增大。主裂缝的发展方向与试件高度方向平行或呈45度夹角。
表4
Figure BDA0003126506080000111
S4、基于SRP三相细观有限元模型，获取碎石颗粒对SRP轴压性能的影响；
从宏观角度看，玄武岩碎石与基体高聚物相比硬度高、强度大，碎石颗粒的加入必然会引起SRP的弹性模量和强度等特性的改变。颗粒的形状，碎石的粒径和含量等会影响SRP力学性能和裂缝发展。因此，从细观角度探索碎石对SRP力学性能和破坏过程的影响规律具有重要意义。本实施例从碎石颗粒形状、碎石含量、碎石粒径三个方面分析碎石颗粒对SRP轴压性能的影响。
碎石颗粒形状对SRP轴压性能的影响的获取方法包括：
获取若干种不同颗粒形状的SRP试件，通过SRP三相细观有限元模型分别对各SRP试件的弹性模量和抗压强度进行细观数值模拟，得到各SRP试件的弹性模量模拟结果和抗压强度模拟结果；同时，对各SRP试件进行单轴抗压破坏，基于各SRP试件的弹性模量模拟结果、抗压强度模拟结果以及单轴抗压破坏结果，获取碎石颗粒形状对SRP轴压性能的影响结果。
为找出SRP弹性模量和抗压强度与颗粒形状的关系，本实施例模拟了颗粒形状分别为圆形、椭圆形和多边形的SRP试件的弹性模量和抗压强度。细观数值模型中的参数设置如表5所示，利用Matlab随机颗粒程序，圆形(MY)、椭圆形(MT)和多边形(MS)各生成四组碎石颗粒随机分布的SRP样本，截面颗粒粒径均为0～28mm。计算在相同荷载下的SRP轴心受压破坏过程。
表5
Figure BDA0003126506080000121
为更加直观的呈现SRP弹性模量和抗压强度与颗粒形状的关系，在计算结果中，令多边形颗粒SRP样本的弹性模量和抗压强度为1，对试验结果进行归一化处理。试验分组计算结果如表6所示，可以看出，在其他条件相同的情况下，颗粒形状对SRP弹性模量和抗压强度的影响较小。
表6
Figure BDA0003126506080000122
颗粒形状为圆形、椭圆形、多边形的SRP单轴抗压破坏结果图分别如图9(a)、9(b)、9(c)所示，由图9(a)、9(b)、9(c)可以看出，试件的破坏裂缝主要发生在界面过渡区，圆形颗粒更容易形成贯穿裂缝，椭圆形颗粒次之，多边形界面由于具有一定的椭圆度和棱角，一定程度上阻止了裂缝的蔓延。
碎石含量对SRP轴压性能的影响的获取方法包括：
获取若干种不同碎石含量的SRP试件，通过SRP三相细观有限元模型分别对各SRP试件的弹性模量和抗压强度进行细观数值模拟，得到各SRP试件的弹性模量模拟结果和抗压强度模拟结果；同时，对各SRP试件进行单轴抗压破坏，基于各SRP试件的弹性模量模拟结果、抗压强度模拟结果以及单轴抗压破坏结果，获取碎石含量对SRP轴压性能的影响结果。
为找出SRP弹性模量和抗压强度与碎石含量的关系，本实施例模拟了碎石含量分别为35％、40％、45％、50％、55％、60％的SRP试件的弹性模量和抗压强度。试验分组情况及计算结果如表7所示。
表7
Figure BDA0003126506080000131
为更加直观的呈现SRP弹性模量和抗压强度随碎石含量变化情况，在计算结果中，令碎石含量为35％时的弹性模量和抗压强度为1，对试验结果进行归一化处理。SRP弹性模量和抗压强度随碎石含量增加的变化规律如图10(a)、图10(b)所示。从图10(a)、图10(b)中可以看出，随着碎石含量的增加，弹性模量呈近似线性上升趋势，抗压强度呈降低的趋势，但降低幅度缓慢；碎石含量为60％时，SRP的弹性模量增加了52％，抗压强度降低了6％。
图11为不同碎石含量下的数值模型以及SRP单轴抗压破坏结果图。从图11可以看出，试件的破坏裂缝主要发生在界面过渡区，碎石含量的增加，不影响SRP的破坏模式，主裂缝的发展方向与试件高度方向始终平行或呈45度夹角。以看出碎石含量增大到60％时，试件裂缝含量较多，试件破坏的程度较大。
碎石粒径对SRP轴压性能的影响的获取方法包括：
获取若干种不同碎石粒径范围的SRP试件，通过SRP三相细观有限元模型分别对各SRP试件的弹性模量和抗压强度进行细观数值模拟，得到各SRP试件的弹性模量模拟结果和抗压强度模拟结果；同时，对各SRP试件进行单轴抗压破坏，基于各SRP试件的弹性模量模拟结果、抗压强度模拟结果以及单轴抗压破坏结果，获取碎石粒径对SRP轴压性能的影响结果。
为找出SRP弹性模量和抗压强度与碎石粒径的关系，本实施例模拟了截面碎石粒径分别为4～22、10～28、16～34、22～40mm的SRP试件的弹性模量和抗压强度变化。试验分组情况及计算结果如表8所示。可以看出，在其他条件相同的情况下，碎石粒径对SRP弹性模量的影响较小，对SRP抗压强度几乎没有影响；随着碎石粒径的增加，SRP的弹性模量有所增加，增加量不足8％。
表8
Figure BDA0003126506080000141
图12为不同碎石粒径下的数值模型以及SRP单轴抗压破坏结果图。从图12可以看出，试件的破坏裂缝主要发生在界面过渡区，碎石粒径的增加，不影响SRP的破坏模式，主裂缝的发展方向与试件高度方向始终呈45度夹角。
S5、基于基体高聚物密度、界面过渡区、碎石颗粒对SRP轴压性能的影响结果，获取SRP轴压性能的影响因素以及各影响因素对SRP的影响结果，基于SRP轴压性能的影响因素以及各影响因素对SRP的影响结果预测不同细观组分参数下SRP的宏观力学性能。
基于SRP三相细观有限元模型，进行基体高聚物密度、界面过渡区属性、碎石颗粒属性对SRP轴压性能的影响分析，得知影响SRP弹性模量和抗压强度的主要因素是基体高聚物密度、低密度界面相对含量、界面过渡区宽度以及碎石含量。
结合细观模拟计算结果，可知基体高聚物密度的增加会提升基体高聚物的力学性能，从而提高SRP的力学性能，当基体高聚物为中密度时，主要是界面和基体的高聚物被破坏；当基体高聚物为高密度时，由于基体高聚物力学性能的提高，高密度界面含量以及界面宽度的增加，SRP的力学性能也进一步提高，碎石和高聚物最终都会产生裂缝。碎石与基体高聚物相比硬度高、强度大，碎石颗粒的加入会提高复合材料的弹性模量，对复合材料的强度影响较小，能节省约一半的高聚物材料。碎石含量的增加会提高SRP的弹性模量，也会造成低密度界面过渡区含量的增加，从而使抗压强度有略微下降，但是能节省更多的高聚物材料。在基体高聚物和碎石特性一定的情况下，低密度界面过渡区对SRP力学性能的影响较大，不管是低密度界面相对含量的增加，还是界面宽度的增加，都会引起低密度属性单元含量的增加，进而降低SRP的弹性模量和抗压强度。
在实际试验设计过程中，基于以上求得的基体高聚物密度、界面过渡区属性、碎石颗粒属性对SRP轴压性能的影响规律，可进行SRP力学性能预测，SRP实验方案设计，并为高聚物碎石桩的实际应用提供理论基础。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.基于细观结构特性的高聚物碎石料力学性能分析方法，其特征在于，包括：
获取由基体高聚物、碎石和界面过渡区组成的碎石增强高聚物复合材料SRP三相细观有限元模型；
基于所述SRP三相细观有限元模型，获取基体高聚物密度对所述SRP轴压性能的影响结果；
基于所述SRP三相细观有限元模型，获取界面过渡区对所述SRP轴压性能的影响结果；
基于所述SRP三相细观有限元模型，获取碎石颗粒对所述SRP轴压性能的影响结果；
基于所述基体高聚物密度、所述界面过渡区、所述碎石颗粒对所述SRP轴压性能的影响结果，获取所述SRP轴压性能的影响因素以及各影响因素对SRP的影响结果，基于所述SRP轴压性能的影响因素以及各影响因素对SRP的影响结果预测不同细观组分参数下SRP的宏观力学性能。
2.根据权利要求1所述的基于细观结构特性的高聚物碎石料力学性能分析方法，其特征在于，获取由基体高聚物、碎石和界面过渡区组成的SRP三相细观有限元模型的方法包括：通过碎石投放算法对任意形状的碎石进行投放，其中，所投放的碎石位置随机，并设置基体高聚物、碎石、界面高聚物的属性参数，获取由基体高聚物、碎石和界面过渡区组成的SRP三相细观有限元模型。
3.根据权利要求1所述的基于细观结构特性的高聚物碎石料力学性能分析方法，其特征在于，基于所述SRP三相细观有限元模型获取基体高聚物密度对SRP轴压性能的影响结果的方法包括：获取若干种不同基体高聚物密度的SRP试件，通过所述SRP三相细观有限元模型分别对各所述SRP试件的弹性模量和抗压强度进行细观数值模拟，得到各所述SRP试件的弹性模量模拟结果和抗压强度模拟结果；同时，对各所述SRP试件进行单轴抗压破坏，基于各所述SRP试件的弹性模量模拟结果、抗压强度模拟结果以及单轴抗压破坏结果，获取基体高聚物密度对SRP轴压性能的影响结果。
4.根据权利要求1所述的基于细观结构特性的高聚物碎石料力学性能分析方法，其特征在于，获取界面过渡区对SRP轴压性能的影响结果包括：分别获取低密度界面相对含量和界面过渡区宽度对SRP弹性模量和轴心抗压强度的影响结果。
5.根据权利要求4所述的基于细观结构特性的高聚物碎石料力学性能分析方法，其特征在于，低密度界面相对含量对SRP轴压性能的影响结果的获取方法包括：
获取若干种不同低密度界面相对含量的SRP试件，通过所述SRP三相细观有限元模型分别对各所述SRP试件的弹性模量和抗压强度进行细观数值模拟，并对细观数值模拟结果进行归一化处理，得到低密度界面相对含量与SRP弹性模量和抗压强度的关系曲线，低密度界面相对含量与SRP弹性模量和抗压强度的关系曲线用于获取低密度界面相对含量对SRP轴压性能的影响结果；
界面过渡区宽度对SRP轴压性能的影响结果的获取方法包括：
取若干种不同界面过渡区宽度的SRP试件，通过所述SRP三相细观有限元模型分别对各所述SRP试件的弹性模量和抗压强度进行细观数值模拟，并对细观数值模拟结果进行归一化处理，得到界面过渡区宽度与SRP弹性模量和抗压强度的关系曲线，界面过渡区宽度与SRP弹性模量和抗压强度的关系曲线用于获取界面过渡区宽度对SRP轴压性能的影响结果。
6.根据权利要求1所述的基于细观结构特性的高聚物碎石料力学性能分析方法，其特征在于，获取碎石颗粒对所述SRP轴压性能的影响结果包括：分别获取碎石颗粒形状、碎石含量、碎石粒径对SRP轴压性能的影响结果。
7.根据权利要求6所述的基于细观结构特性的高聚物碎石料力学性能分析方法，其特征在于，碎石颗粒形状对SRP轴压性能的影响结果的获取方法包括：
获取若干种不同颗粒形状的SRP试件，通过所述SRP三相细观有限元模型分别对各所述SRP试件的弹性模量和抗压强度进行细观数值模拟，得到各所述SRP试件的弹性模量模拟结果和抗压强度模拟结果；同时，对各所述SRP试件进行单轴抗压破坏，基于各所述SRP试件的弹性模量模拟结果、抗压强度模拟结果以及单轴抗压破坏结果，获取碎石颗粒形状对SRP轴压性能的影响结果。
8.根据权利要求6所述的基于细观结构特性的高聚物碎石料力学性能分析方法，其特征在于，碎石含量对SRP轴压性能的影响结果的获取方法包括：
获取若干种不同碎石含量的SRP试件，通过所述SRP三相细观有限元模型分别对各所述SRP试件的弹性模量和抗压强度进行细观数值模拟，得到各所述SRP试件的弹性模量模拟结果和抗压强度模拟结果；同时，对各所述SRP试件进行单轴抗压破坏，基于各所述SRP试件的弹性模量模拟结果、抗压强度模拟结果以及单轴抗压破坏结果，获取碎石含量对SRP轴压性能的影响结果。
9.根据权利要求6所述的基于细观结构特性的高聚物碎石料力学性能分析方法，其特征在于，碎石粒径对SRP轴压性能的影响结果的获取方法包括：
获取若干种不同碎石粒径范围的SRP试件，通过所述SRP三相细观有限元模型分别对各所述SRP试件的弹性模量和抗压强度进行细观数值模拟，得到各所述SRP试件的弹性模量模拟结果和抗压强度模拟结果；同时，对各所述SRP试件进行单轴抗压破坏，基于各所述SRP试件的弹性模量模拟结果、抗压强度模拟结果以及单轴抗压破坏结果，获取碎石粒径对SRP轴压性能的影响结果。
10.根据权利要求1所述的基于细观结构特性的高聚物碎石料力学性能分析方法，其特征在于，所述SRP轴压性能的影响因素包括：基体高聚物密度、低密度界面相对含量、界面过渡区宽度以及碎石含量。
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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040253759A1 (en) * 2003-06-12 2004-12-16 Valery Garber Steady-state non-equilibrium distribution of free carriers and photon energy up-conversion using same
WO2016078522A1 (zh) * 2014-11-18 2016-05-26 南京明程贝路桥工程有限公司 一种提高路用水泥混凝土抗弯拉强度的配合比设计方法
CN106908369A (zh) * 2017-03-21 2017-06-30 河海大学 测量碎石‑高聚物复合材料孔隙特性的装置及操作方法
EP3476812A1 (en) * 2017-10-25 2019-05-01 Povazská cementáren, a.s. The process of production of the aggregate for concrete and mortar
CN110442922A (zh) * 2019-07-15 2019-11-12 郑州大学 不锈钢筋混凝土细观数值模型的建立方法
CN111751188A (zh) * 2020-07-08 2020-10-09 郑州大学 一种大掺量橡胶混凝土细观断裂力学分析方法
CN112082919A (zh) * 2020-08-21 2020-12-15 西南交通大学 一种级配碎石-高聚物注浆固化体的渗透性能测试装置
CN112329318A (zh) * 2020-11-27 2021-02-05 华中科技大学 重构多组分复合材料的离散元建模方法及应用

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040253759A1 (en) * 2003-06-12 2004-12-16 Valery Garber Steady-state non-equilibrium distribution of free carriers and photon energy up-conversion using same
WO2016078522A1 (zh) * 2014-11-18 2016-05-26 南京明程贝路桥工程有限公司 一种提高路用水泥混凝土抗弯拉强度的配合比设计方法
CN106908369A (zh) * 2017-03-21 2017-06-30 河海大学 测量碎石‑高聚物复合材料孔隙特性的装置及操作方法
EP3476812A1 (en) * 2017-10-25 2019-05-01 Povazská cementáren, a.s. The process of production of the aggregate for concrete and mortar
CN110442922A (zh) * 2019-07-15 2019-11-12 郑州大学 不锈钢筋混凝土细观数值模型的建立方法
CN111751188A (zh) * 2020-07-08 2020-10-09 郑州大学 一种大掺量橡胶混凝土细观断裂力学分析方法
CN112082919A (zh) * 2020-08-21 2020-12-15 西南交通大学 一种级配碎石-高聚物注浆固化体的渗透性能测试装置
CN112329318A (zh) * 2020-11-27 2021-02-05 华中科技大学 重构多组分复合材料的离散元建模方法及应用

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
WANG HER-YUNG等: "The study on the interfacial transition zone of tire rubber powder mortar", 《2011 INTERNATIONAL CONFERENCE ON CONSUMER ELECTRONICS, COMMUNICATIONS AND NETWORKS (CECNET)》 *
杜修力等: "考虑过渡区界面影响的混凝土宏观力学性质研究", 《工程力学》 *
王娟等: "高聚物碎石混合料单轴受压性能试验研究", 《建筑材料学报》 *

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