土體顆粒破碎影響因素分析

鄭培鑫

摘 要：顆粒狀土在巖土工程領(lǐng)域中作為最基本的建筑材料，其物理力學(xué)性能受到廣泛地重視。在大型建筑物如高堆石壩修建中，在高應(yīng)力作用下顆粒破碎率較高的特殊現(xiàn)象。本文通過查閱各種試驗結(jié)果來分別考慮顆粒礦物成分與成因、顆粒粒徑、顆粒形狀、顆粒級配等內(nèi)在因素，分析其對顆粒破碎過程的貢獻。同時也揭示了顆粒破碎是一個復(fù)雜的過程，是多種影響因素協(xié)同作用的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：顆粒破碎 高應(yīng)力 臨界破碎應(yīng)力 影響因素

顆粒破碎機理

引 言

根據(jù)經(jīng)典土力學(xué)摩爾-庫倫強度理論，土的內(nèi)摩擦角和黏聚力c是土體最重要的抗剪強度指標。經(jīng)典土力學(xué)認為土顆粒是不可壓縮、破碎，在低應(yīng)力作用下粗顆粒以滑移和轉(zhuǎn)動為主；而在高應(yīng)力作用下，粗顆粒配位數(shù)較低，接觸點應(yīng)力集中現(xiàn)象比較明顯，隨荷載增大逐漸破碎，顆粒破碎改變了土體原有的顆粒級配，使級配向良好的方向發(fā)展，從而間接地改變了土體的抗剪強度指標[1]。因此，在這種情況下再采用經(jīng)典土力學(xué)理論中固定的強度指標和c值進行強度、穩(wěn)定分析是不恰當?shù)摹?/p>

在高應(yīng)力作用下，影響土體顆粒破碎的內(nèi)在因素有土顆粒原有的物理力學(xué)性質(zhì)、礦物成分、微觀結(jié)構(gòu)、尺寸形狀、土體的顆粒級配、相對密度、土體的含水率等。本文將主要圍繞其中幾個因素來進行描述與分析，同時分析其內(nèi)在機理。

1、臨界破碎應(yīng)力

土體顆粒破碎現(xiàn)象早在20世紀末21世紀初就開始引起了科研學(xué)者的關(guān)注。經(jīng)典土力學(xué)中的分析是基于低應(yīng)力作用下的連續(xù)土體介質(zhì)，而在高應(yīng)力作用下土體顆粒破碎現(xiàn)象比較顯著，屬于顆粒力學(xué)范疇。因此，土體顆粒破碎存在臨界破碎應(yīng)力，高于此應(yīng)力，土體顆粒破碎相當明顯，反之，顆粒破碎不顯著。

Terzaghi、Peek（1948）對砂樣在96.5MPa做一維壓縮試驗時發(fā)現(xiàn)顆粒破碎現(xiàn)象十分明顯。

De Souza（1958）對三種不同的砂在138MPa進行了試驗。結(jié)果表明，在壓縮的過程中壓縮指數(shù)發(fā)生變化處出現(xiàn)了一個破碎點。

De Beer（1963）為了對Terzaghi、Peek（1948）提出的說法進行驗證，即在9.8MPa的應(yīng)力以下，破碎可以忽略不計；在9.8MPa以上，隨著應(yīng)力的增加，破碎急劇降低。

2、影響土體顆粒破碎內(nèi)在因素

2.1 顆粒礦物成分與成因

土體顆粒破碎是由顆粒接觸點高應(yīng)力集中而引起的。對于不同的硬度，顆粒破碎情況不一定.

顆粒的硬度主要體現(xiàn)在土的成因和礦物成分上。比如石英砂（SiO2） 在圍壓達到2MPa時才發(fā)生顆粒破碎[2]，而鈣質(zhì)砂其硬度遠低于石英，故在普通圍壓下即可發(fā)生顆粒破碎[3]。

2.2 顆粒粒徑

根據(jù)概率分布規(guī)律，大多數(shù)人認為顆粒粒徑越大，顆粒破碎的概率會更大，因為大顆粒內(nèi)含潛在裂紋和缺陷較多，更容易破碎。類似地，當大顆粒破碎成若干細顆粒時，細顆粒所含的缺陷會越來越少，破碎的難度加大。

2.3 顆粒形狀

不同形狀的顆粒抵抗破碎的能力相差懸殊，硬度相同時，圓形或橢圓形的顆粒破碎較小，而條狀、片狀顆粒破碎強烈。顆粒破碎在很大程度上表現(xiàn)為顆粒棱角在剪力作用下的折斷。顆粒形狀越不規(guī)則，顆粒間的點接觸力越易偏離形心，使顆粒產(chǎn)生較大的彎矩，顆粒容易在這種較大彎矩的作用下折斷，表現(xiàn)為破碎率較高。

2.4 顆粒級配

顆粒破碎瞬間土體強度會瞬間降低，土體中粗顆粒破碎為細顆粒，填入原有孔隙，使土體孔隙比降低，密實度增加。顆粒破碎后顆粒重新排列，級配發(fā)生改變。

3、 顆粒破碎內(nèi)在機理分析

黃文熙認為高應(yīng)力下砂土的抗剪強度由滑動摩擦強度分量、剪脹效應(yīng)分量和破碎重排列作用分量組成[4]。在應(yīng)力水平較低時，土體顆粒通過滑移、轉(zhuǎn)動消除較大的能量，故顆?；颈３滞暾麪顟B(tài)。隨著應(yīng)力逐漸增大，顆粒不斷調(diào)整位置，顆粒間接觸點緊密接觸，土體孔隙比變小，土體變密實。當接近到臨界應(yīng)力時，土體顆?；?、轉(zhuǎn)動受阻，硬度較小的粗顆粒的配位數(shù)較少，其接觸點上的應(yīng)力較大，超過顆粒極限強度后開始破碎為細顆粒，細顆粒填充孔隙，孔隙比加快減小。

高應(yīng)力下砂土的剪切過程是破碎顆粒與未破碎顆粒偏離了原平衡狀態(tài)、通過不斷調(diào)整自身位置以消耗外力（法向力和切向力）功的過程。若剪切速率較慢，剪切過程中大顆粒的配位數(shù)穩(wěn)定，破碎后的顆粒與未破碎顆粒有足夠的時間進行重排列、重定位等自我調(diào)整，不同剪切速率試樣最終能夠達到較為一致的細觀狀態(tài)，表現(xiàn)為各試樣的宏觀抗剪強度基本一致。若剪切速率較快，顆粒之間不能充分的接觸，大顆粒的配位數(shù)變化的速度快，力在顆粒之間的傳遞時間短，顆粒破碎的可能性變小。

4、 結(jié)論與建議

本文主要分析了在高應(yīng)力下顆粒破碎現(xiàn)象。初步結(jié)論與建議如下：

（1）顆粒破碎存在臨界應(yīng)力，該應(yīng)力與顆粒礦物成分、含水率、顆粒級配等有關(guān)。低于臨界應(yīng)力，顆粒在受力過程中基本不會出現(xiàn)破碎；高于臨界應(yīng)力，顆粒破碎現(xiàn)象較為顯著。

（2）顆粒礦物成分與成因?qū)︻w粒破碎有影響，主要體現(xiàn)著硬度上，硬度越大，顆粒越難破碎。一般地，顆粒粒徑越大，顆粒越容易破碎。表面粗糙、棱角較多的顆粒越容易破裂。級配良好的顆粒比級配不良的顆粒更不容易破碎。

（3）圍壓越大，顆粒破碎率越大，剪切應(yīng)變、應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力路徑對顆粒破碎亦有較大影響。加載速率越大，顆粒破碎率越大，體現(xiàn)為顆粒破碎可能性越大。

（4）顆粒破碎是一個相當復(fù)雜過程，各種影響因素不是單一地影響破碎過程的，而是協(xié)同參與顆粒破碎過程的。

參考文獻

[1] 張家銘， 汪稔， 張陽明， 等. 土體顆粒破碎研究進展[J]. 巖土力學(xué)， 2003， 24（增刊）： 661-665.

[2] Lee， K.L.&Seed， H.B.. Drained strength characteristics of sand. Proc. ASCE， JSMFD， 1967， 93（SM6）

[3] 劉崇權(quán)， 汪穩(wěn). 鈣質(zhì)砂物理力學(xué)性質(zhì)初探[J]. 巖土力學(xué)， 1995. 16（4）： 74-83

[4] 黃文熙. 土的工程性質(zhì)[M]. 北京： 水利水電出版社， 1983.