直剪條件下鈣質(zhì)砂強(qiáng)度及顆粒破碎

王青， 侯賀營*， 康鑫睿， 李天翔， 姜朋明,2， 周愛兆

(1.江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 鎮(zhèn)江 212110； 2.蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院， 蘇州 215009)

中國南海海域分布著大量的鈣質(zhì)砂，由于鈣質(zhì)砂生物沉積物的原因及其由海洋生物的骨骼遺骸組成，故鈣質(zhì)砂具有多孔隙、易破碎等特性[1-5]。近年來，島礁和海上工程日益增多，廣泛分布于南海地區(qū)的鈣質(zhì)砂引發(fā)了一系列工程問題。因此，亟需對(duì)鈣質(zhì)砂力學(xué)特性和顆粒破碎開展研究，這有利于解決一系列工程問題，同時(shí)對(duì)于中國海洋資源的開發(fā)和利用具有極其重要的意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者已對(duì)鈣質(zhì)砂開展了一系列研究，并取得了諸多成果。張家銘等[6]利用三軸排水剪切試驗(yàn)，研究了不同圍壓條件下鈣質(zhì)砂的相關(guān)物理特性，發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)砂剪切過程中其體變遠(yuǎn)大于普通陸源砂的體變，以及剪脹性與峰值應(yīng)力比和圍壓密切相關(guān)。Brandes等[7]分別對(duì)鈣質(zhì)砂和石英砂開展了循環(huán)單剪試驗(yàn)，建立了剛度和模量退化曲線，同時(shí)指出兩者之間的差異可能是由于顆粒幾何形狀、硬度、級(jí)配和內(nèi)孔隙數(shù)量等造成的。Kuang等[8]發(fā)現(xiàn)在低有效圍壓下，剪切峰值強(qiáng)度隨著粒徑的增大而增大，有效圍壓較大時(shí)，剪切峰值強(qiáng)度隨著粒徑的增大而減小。Wang等[9]采用三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)研究了鈣質(zhì)砂和石英砂剪脹性的差異。柴維等[10]通過直剪試驗(yàn)研究了剪切速率對(duì)鈣質(zhì)砂強(qiáng)度及變形特性的影響。陳青生等[11]對(duì)不同級(jí)配、不同高聚物含量的固化鈣質(zhì)砂試樣進(jìn)行了直剪試驗(yàn)，研究了其抗剪強(qiáng)度特性。

顆粒破碎是鈣質(zhì)砂區(qū)別于普通石英砂的一個(gè)重要特性，孫吉主等[12]建立了鈣質(zhì)砂的損傷邊界模型，分析了顆粒破碎、剪脹性和圍壓之間的關(guān)系。張季如等[13]在不同圍壓條件下對(duì)不同初始分布的鈣質(zhì)砂進(jìn)行了三軸試驗(yàn)，研究了顆粒破碎對(duì)強(qiáng)度及變形的影響。Habib等[14]用三軸試驗(yàn)研究了相對(duì)密度、圍壓等因素對(duì)鈣質(zhì)砂試樣顆粒破碎的影響，指出軸向應(yīng)變相對(duì)其他參數(shù)而言對(duì)顆粒破碎起主要因素。何建喬等[15]通過不同剪切位移的環(huán)剪試驗(yàn)，揭示了鈣質(zhì)砂在大位移剪切作用下的顆粒破碎演化規(guī)律。王剛等[16]利用三軸排水循環(huán)剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在循環(huán)剪切過程中，鈣質(zhì)砂的顆粒破碎以磨損為主，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，顆粒破碎程度也增加，但增長幅度降低。齊永正等[17]對(duì)鈣質(zhì)砂進(jìn)行了不同正應(yīng)力下的直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)砂的顆粒破碎程度隨著正應(yīng)力的增大而增大。蔡正銀等[18]利用側(cè)限壓縮試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)研究了鈣質(zhì)砂密度及應(yīng)力水平對(duì)珊瑚砂顆粒破碎的影響。張海濤等[19]研究了高壓對(duì)砂性材料顆粒破碎力學(xué)性能的影響。

諸多學(xué)者通過不同的試驗(yàn)方法從不同影響因素對(duì)鈣質(zhì)砂力學(xué)特性及顆粒破碎規(guī)律進(jìn)行了研究，并未對(duì)各影響進(jìn)行系統(tǒng)分析?，F(xiàn)通過對(duì)不同粒徑、不同含水率、不同剪切速率及不同豎向壓力下的鈣質(zhì)砂試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)束后的試樣進(jìn)行干燥處理，然后進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，以研究不同條件下鈣質(zhì)砂的強(qiáng)度及顆粒破碎。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料來源于南海某島礁，如圖1所示。先利用烘箱將鈣質(zhì)砂烘干，利用標(biāo)準(zhǔn)篩將烘干后的鈣質(zhì)砂進(jìn)行篩分。天然鈣質(zhì)砂篩分后取0.25～0.5 mm、0.5～1.0 mm、1.0～2.0 mm三種粒徑進(jìn)行試驗(yàn)。

采用王新志等[20]提出的最大、最小干密度測試方法，分別對(duì)三種粒徑鈣質(zhì)砂的最大干密度和最小干密度進(jìn)行了測定，所得數(shù)據(jù)見表1。

分別對(duì)三種粒徑的鈣質(zhì)砂顆粒進(jìn)行電鏡掃描(scanning electron microscope, SEM)試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，不同粒徑的鈣質(zhì)砂顆粒內(nèi)部均存在較多的微孔隙，顆粒骨架之間交錯(cuò)復(fù)雜，骨架表面粗糙不平，分布著密密麻麻的凸起物，且從掃描圖像上可以明顯發(fā)現(xiàn)，粒徑為0.25～0.5 mm的顆粒骨架上的凸起更加圓潤、光滑，出現(xiàn)此種情況的原因，一是粒徑大的鈣質(zhì)砂顆粒更容易受到自然界的侵蝕等作用，二是小粒徑的鈣質(zhì)砂顆粒在形成過程中經(jīng)受了更多的摩擦作用。

圖1 不同粒徑的鈣質(zhì)砂Fig.1 Calcareous sand with different particle sizes

表1 不同粒徑下鈣質(zhì)砂的最大、最小干密度Table 1 Maximum and minimum dry density of calcareous sand under different particle sizes

圖2 不同粒徑的鈣質(zhì)砂電鏡掃描圖Fig.2 Scanning electron micrographs of calcareous sand with different particle sizes

1.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)為考慮不同粒徑、不同含水率、不同剪切速率條件下鈣質(zhì)砂的強(qiáng)度及顆粒破碎研究，試驗(yàn)儀器選用應(yīng)變控制式直剪儀，試樣高為2 cm，面積為30 cm2，試驗(yàn)方案見表2～表4。

表2 考慮粒徑因素的試驗(yàn)方案Table 2 Test scheme considering particle size factor

表3 考慮含水率因素的試驗(yàn)方案Table 3 Test scheme considering water content factor

表4 考慮剪切速率因素的試驗(yàn)方案Table 4 Test scheme considering shear rate factor

取相對(duì)密度Dr=0.5，每種因素均進(jìn)行5組平行試驗(yàn)。考慮到鈣質(zhì)砂的松散性，試驗(yàn)時(shí)預(yù)先計(jì)算出單個(gè)鈣質(zhì)砂試樣的質(zhì)量，稱量后均勻撒入剪切盒中，輕輕敲擊剪切盒側(cè)壁使得試樣達(dá)到指定高度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 粒徑對(duì)鈣質(zhì)砂強(qiáng)度及顆粒破碎影響

2.1.1 剪應(yīng)力-剪切位移曲線

圖3為不同粒徑鈣質(zhì)砂剪應(yīng)力與剪切位移之間的關(guān)系曲線，可以看出，隨著豎向壓力的增大，鈣質(zhì)砂的抗剪強(qiáng)度也增大。與粒徑1.0～2.0 mm相比，粒徑0.25～0.5 mm和0.5～1.0 mm的剪應(yīng)力-剪切位移曲線的應(yīng)變軟化特征更加明顯[圖3(a)、圖3(b)]。對(duì)于粒徑1.0～2.0 mm的試樣，在100 kPa的豎向應(yīng)力下，剪應(yīng)力-剪切位移曲線呈現(xiàn)輕微的應(yīng)變軟化特征，豎向應(yīng)力增大到200 kPa時(shí)，曲線呈明顯的應(yīng)變硬化特征，然而，當(dāng)豎向應(yīng)力增加到300 kPa和400 kPa時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)輕微的應(yīng)變軟化現(xiàn)象[圖3(c)]。

究其原因，在粒徑為1.0～2.0 mm的試樣中，相對(duì)于粒徑為0.25～0.5 mm和0.5～1.0 mm的試樣，顆粒間的接觸點(diǎn)相對(duì)較少，周圍顆粒對(duì)顆粒的約束作用較小，當(dāng)豎向應(yīng)力較小時(shí)，由于較少的接觸點(diǎn)和較小的約束作用，此時(shí)試樣中顆粒之間更易發(fā)生翻滾現(xiàn)象，進(jìn)而出現(xiàn)了100 kPa時(shí)曲線輕微軟化現(xiàn)象；當(dāng)豎向應(yīng)力較大時(shí)，此時(shí)較大的豎向壓力加大了顆粒之間的約束作用，鈣質(zhì)砂具有易破碎性，其在大豎向應(yīng)力作用下更易發(fā)生顆粒破碎，這也表明在大豎向應(yīng)力下，翻滾不再是出現(xiàn)應(yīng)力減小的原因，顆粒破碎是導(dǎo)致曲線后半段出現(xiàn)應(yīng)變軟化的主要原因。

圖3 不同粒徑鈣質(zhì)砂剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線Fig.3 Relationships of shear stress and shear displacement of calcareous sand under different particle sizes

2.1.2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

取剪應(yīng)力-剪切位移曲線上各個(gè)豎向應(yīng)力條件下的峰值剪應(yīng)力或剪切位移為4 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力作為鈣質(zhì)砂的抗剪強(qiáng)度，可得到不同粒徑鈣質(zhì)砂的摩爾強(qiáng)度包絡(luò)線，如圖4所示。

圖4 不同粒徑鈣質(zhì)砂摩爾強(qiáng)度包絡(luò)線Fig.4 The Mohr strength envelope of calcareous sand with different particle sizes

由圖4可知，鈣質(zhì)砂的抗剪強(qiáng)度隨著粒徑的增大而增大，各組試驗(yàn)的摩爾強(qiáng)度包絡(luò)線可近似看成是一條直線。對(duì)三種粒徑下的摩爾強(qiáng)度包絡(luò)線按照摩爾-庫倫公式進(jìn)行線性擬合。由于本次探究粒徑對(duì)鈣質(zhì)砂強(qiáng)度影響試驗(yàn)中，選取的試驗(yàn)材料均為粒徑小于2.0 mm的鈣質(zhì)砂，顆粒間的黏聚力作用較小，故僅從內(nèi)摩擦角的角度來研究粒徑等對(duì)強(qiáng)度特征的影響。

擬合出的結(jié)果中，粒徑0.25～0.5 mm、0.5～1.0 mm、1.0～2.0 mm的鈣質(zhì)砂試樣內(nèi)摩擦角分別為28.8°、34.3°和37.6°?？梢钥闯?，鈣質(zhì)砂的粒徑與內(nèi)摩擦角存在正相關(guān)的關(guān)系，其原因是大顆粒之間的咬合作用較強(qiáng)，盡管之前分析了小顆粒與小顆粒之間接觸點(diǎn)更多，但是大顆粒在空間中的分布更復(fù)雜，相對(duì)來說，小顆粒在空間中的分布更均勻一點(diǎn)，這就導(dǎo)致了在剪切過程中，大顆粒受到的阻力要比小顆粒大一點(diǎn)，這也是抗剪強(qiáng)度隨著粒徑的增大而增大的原因，且隨著豎向應(yīng)力的增加，周圍顆粒對(duì)顆粒的約束作用加大，這種現(xiàn)象也更明顯，從而導(dǎo)致了鈣質(zhì)砂內(nèi)摩擦角增大。另外，由于粒徑較大的顆粒表面粗糙度較大，所以鈣質(zhì)砂的內(nèi)摩擦角隨著粒徑的增大而增大。

2.1.3 顆粒破碎討論

Hardin[21]給出了相對(duì)破碎Br的概念，其計(jì)算公式為

(1)

式中：Bp為初始破碎勢，是初始粒徑分布曲線與粒徑0.074 mm豎線所圍成的面積；Bt為總破碎，是試驗(yàn)前后試樣粒徑分布曲線與粒徑0.074 mm豎線所圍成的面積。

將剪切后的試樣用標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分，得到試樣破碎后的級(jí)配曲線，將Hardin[21]提出的相對(duì)破碎Br用于本次研究中對(duì)顆粒破碎程度量化的指標(biāo)，得到了不同粒徑及不同豎向壓力條件下鈣質(zhì)砂相對(duì)破碎Br與粒徑之間的關(guān)系曲線，如圖5所示。從圖5中可以看出，在相同粒徑下，相對(duì)破碎Br隨著豎向壓力的增大而增大，粒徑越大，豎向壓力對(duì)相對(duì)破碎的影響越大，同一豎向壓力條件下，粒徑為0.5～1.0 mm和0.25～0.5 mm時(shí)，相對(duì)破碎雖有差異，但不明顯，此時(shí)相對(duì)破碎Br均小于1%，但當(dāng)粒徑增大到1.0～2.0 mm時(shí)，相對(duì)破碎達(dá)到了2.5%～5%，呈現(xiàn)一個(gè)劇增的現(xiàn)象。

圖5 不同豎向應(yīng)力下鈣質(zhì)砂相對(duì)破碎Br與粒徑之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between relative breakage Br and particle size of calcareous sand under different vertical stresses

由以上分析可知，在粒徑小于1.0 mm時(shí)，豎向應(yīng)力和粒徑對(duì)顆粒破碎的影響較小，粒徑和豎向壓力已不再是影響顆粒破碎的主要因素，其原因在于，隨著粒徑的減小，顆粒的形狀較規(guī)則，顆粒在空間中的分布更均勻，由此導(dǎo)致了顆粒間的咬合作用和摩擦作用減小，顆粒之間不易產(chǎn)生顆粒破碎。

2.2 含水率對(duì)鈣質(zhì)砂強(qiáng)度及顆粒破碎影響

2.2.1 剪應(yīng)力-剪切位移曲線

圖6為不同含水率下鈣質(zhì)砂的剪應(yīng)力與剪切位移之間的關(guān)系曲線。含水率為0時(shí)，即為圖3(c)所示粒徑為1.0～2.0 mm時(shí)剪應(yīng)力與剪切位移曲線，在此不再贅述。由圖6可知，當(dāng)含水率為8%時(shí)，剪應(yīng)力-剪切位移曲線總體呈現(xiàn)應(yīng)變硬化特征，隨著豎向應(yīng)力的增大，應(yīng)變硬化特征越顯著。含水率為16%和24%時(shí)的試驗(yàn)曲線都呈現(xiàn)較明顯的應(yīng)變硬化特征。

圖6 不同含水率條件下鈣質(zhì)砂剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線Fig.6 Relationships of shear stress and shear displacement of calcareous sand under different water contents

2.2.2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

根據(jù)剪應(yīng)力-剪切位移曲線上各個(gè)豎向應(yīng)力條件下的峰值剪應(yīng)力或剪切位移為4 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力，繪制的不同含水率下鈣質(zhì)砂的摩爾強(qiáng)度包絡(luò)線，如圖7所示。對(duì)4種含水率條件下的摩爾強(qiáng)度包絡(luò)線按照摩爾-庫倫公式進(jìn)行線性擬合，得到含水率為0、8%、16%和24%的鈣質(zhì)砂試樣的內(nèi)摩擦角分別為37.6°、35.5°、34.8°和34.4°。

由擬合結(jié)果可知，隨著含水率的升高，鈣質(zhì)砂的內(nèi)摩擦角逐漸減小，主要原因是隨著含水率的升高，鈣質(zhì)砂表面會(huì)附著一層水膜，使得鈣質(zhì)砂顆粒之間的摩擦力減小，從而降低了內(nèi)摩擦角。

圖7 不同含水率條件下鈣質(zhì)砂摩爾強(qiáng)度包絡(luò)線Fig.7 The Mohr strength envelope of calcareous sand with different water contents

繪制含水率與鈣質(zhì)砂的內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系圖，如圖8所示。將曲線進(jìn)行擬合，得到了含水率與內(nèi)摩擦角之間的一個(gè)函數(shù)關(guān)系，即

(2)

式(2)中：φ為內(nèi)摩擦角；ω為含水率；Δφ、b和φ0均為材料參數(shù)，對(duì)于本次試驗(yàn)的試樣，材料參數(shù)Δφ=3.35°，b=8.36，φ0=34.2°。

2.2.3 顆粒破碎討論

試驗(yàn)結(jié)束后將剪切后的試樣置于烘箱之中烘干再置于標(biāo)準(zhǔn)篩中進(jìn)行篩分，得到了試樣剪切后的級(jí)配曲線，計(jì)算出相對(duì)破碎Br，得到不同含水率及不同豎向壓力條件下鈣質(zhì)砂含水率和相對(duì)破碎之間的關(guān)系，如圖9所示。由圖9可知，不同含水率的試樣相對(duì)破碎Br均在5%以下，同一含水率條件下，相對(duì)破碎Br隨著豎向壓力的增大而增大，同一豎向應(yīng)力下，隨著含水率的升高，相對(duì)破碎Br總體上呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，即存在一臨界含水率，當(dāng)含水率低于臨界含水率時(shí)，Br隨含水率的升高而降低，含水率高于臨界含水率時(shí)，Br隨含水率的升高而升高，臨界含水率在16%左右。

圖8 含水率與鈣質(zhì)砂內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系Fig.8 Relationship between water content and internal friction angle of calcareous sand

圖9 不同豎向應(yīng)力下鈣質(zhì)砂相對(duì)破碎Br與含水率之間的關(guān)系Fig.9 Relationship between relative breakage Br and water content of calcareous sand under different vertical stresses

究其原因，當(dāng)含水率低于臨界含水率時(shí)，隨著含水率的升高，由于顆粒表面附著的水膜，降低了顆粒之間的摩擦作用，使得顆粒之間的運(yùn)動(dòng)形式趨于滑動(dòng)，顆粒之間發(fā)生破碎的可能性降低，當(dāng)含水率進(jìn)一步升高時(shí)，高含水率破壞了顆粒表面附著的水膜，使得顆粒更易發(fā)生破碎。

2.3 剪切速率對(duì)鈣質(zhì)砂強(qiáng)度及顆粒破碎的影響

2.3.1 剪應(yīng)力-剪切位移曲線

圖10為不同剪切速率條件下鈣質(zhì)砂剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系曲線。由圖10可知，剪切速率為1.2 mm/min時(shí)，在豎向壓力為100 kPa和200 kPa時(shí)，曲線呈應(yīng)變軟化特征，且豎向壓力為200 kPa時(shí)的軟化特征較明顯，豎向應(yīng)力為300 kPa和400 kPa時(shí)，曲線總體呈現(xiàn)應(yīng)變硬化特征；剪切速率為1.6 mm/min時(shí)的剪應(yīng)力-剪切位移曲線，豎向應(yīng)力為100、200、300 kPa時(shí)，曲線呈應(yīng)變軟化特征，但軟化特征不明顯，豎向應(yīng)力為400 kPa時(shí)，有較為明顯的硬化段；剪切速率為2.0 mm/min時(shí)的剪應(yīng)力-剪切位移曲線均呈應(yīng)變硬化特征。

圖10 不同剪切速率條件下鈣質(zhì)砂剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線Fig.10 Relationships of shear stress and shear displacement of calcareous sand under different shear rates

究其原因，剪切速率較小時(shí)，顆粒之間更易產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，而隨著豎向應(yīng)力的增大，導(dǎo)致顆粒與顆粒之間約束作用的增大，旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象會(huì)逐漸消失，這就是剪切速率較小時(shí)，低應(yīng)力情況下曲線呈現(xiàn)應(yīng)變軟化，高應(yīng)力情況下曲線呈現(xiàn)應(yīng)變硬化的原因，這種旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象在一定速率范圍內(nèi)，也會(huì)隨著剪切速率的增大而愈加明顯，也是圖10(c)所呈現(xiàn)的剪切速率為1.6 mm/min時(shí)的強(qiáng)度明顯小于其他三種剪切速率的強(qiáng)度的原因，當(dāng)速率進(jìn)一步增大，此時(shí)過大的剪切速率將使得試樣中的顆粒還來不及旋轉(zhuǎn)而直接從顆粒體內(nèi)開始剪切，由此導(dǎo)致了圖10 (d)曲線呈現(xiàn)應(yīng)變硬化的現(xiàn)象。

2.3.2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

取4種豎向應(yīng)力下的峰值剪應(yīng)力或剪切位移為4 mm時(shí)所對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力，繪制抗剪強(qiáng)度-豎向應(yīng)力關(guān)系圖，并進(jìn)行線性擬合，得到不同剪切速率條件下摩爾強(qiáng)度包絡(luò)線，如圖11所示。從圖11中可以看出，剪切速率從0.8 mm/min增大到1.6 mm/min時(shí)，內(nèi)摩擦角降低，增大到2.0 mm/min時(shí)，內(nèi)摩擦角大幅度升高。

擬合出的結(jié)果中，剪切速率為0.8、1.2、1.6、2.0 mm/min時(shí)所對(duì)應(yīng)的內(nèi)摩擦角分別為37.6°、36.8°、33.2°和40.8°。由此可以推斷出，隨著剪切速率的增大，鈣質(zhì)砂的內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)先減小再增大的規(guī)律，其中，內(nèi)摩擦角最小時(shí)的臨界剪切速率應(yīng)當(dāng)在1.6 mm/min左右。

圖11 不同剪切速率條件下鈣質(zhì)砂摩爾強(qiáng)度包絡(luò)線Fig.11 The Mohr strength envelope of calcareous sand with different shear rats

究其原因，當(dāng)剪切速率小于臨界剪切速率，隨著剪切速率的升高，試樣內(nèi)部顆粒旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象會(huì)加劇，各豎向應(yīng)力下試樣抗剪強(qiáng)度降低，由此導(dǎo)致了內(nèi)摩擦角的減小，而當(dāng)剪切速率大于臨界剪切速率時(shí)，此時(shí)過高的剪切速率使得顆粒在剪切過程中來不及產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，直接從顆粒內(nèi)部剪切，抗剪強(qiáng)度升高，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)摩擦角的升高。

2.3.3 顆粒破碎討論

根據(jù)篩分后得到的級(jí)配曲線，計(jì)算出相對(duì)破碎Br，得到不同剪切速率及不同豎向應(yīng)力條件下鈣質(zhì)砂相對(duì)破碎Br與剪切速率之間的關(guān)系，如圖12所示。從圖12中可以看出，同一剪切速率條件下，相對(duì)破碎Br隨著豎向壓力的增大而增大。當(dāng)豎向壓力相同時(shí)，隨著剪切速率增大，相對(duì)破碎Br逐漸先減小后增大。

圖12 不同剪切速率及不同豎向應(yīng)力條件下鈣質(zhì)砂相對(duì)破碎Br與剪切速率之間的關(guān)系Fig.12 Relationship between shear rate and relative breakage(Br) of calcareous sand under different shear rates and normal stresses

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能在于，當(dāng)剪切速率小于1.6 mm/min時(shí)，隨著剪切速率的增大，顆粒之間可能更多是發(fā)生翻滾效應(yīng)，這種情況下，鈣質(zhì)砂不易破碎；當(dāng)剪切速率大于1.6 mm/min時(shí)，雖然此時(shí)顆粒之間仍然有翻滾效應(yīng)，但高剪切速率所帶來的動(dòng)能使得鈣質(zhì)砂產(chǎn)生破碎。

3 結(jié)論

通過直剪試驗(yàn)，研究了鈣質(zhì)砂在不同粒徑、不同含水率和不同剪切速率條件下的強(qiáng)度特性及破碎情況，得到如下主要結(jié)論。

(1)鈣質(zhì)砂的抗剪強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角與粒徑存在正相關(guān)的關(guān)系，粒徑小于1 mm時(shí)，粒徑和豎向壓力不再是影響顆粒破碎的主要因素，粒徑大于1 mm，顆粒破碎出現(xiàn)劇增現(xiàn)象，這主要是由于顆粒之間的咬合作用及粒間約束所決定的。

(2)由于粒間水膜的存在，鈣質(zhì)砂的內(nèi)摩擦角與含水率的呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，含水率與內(nèi)摩擦角之間成指數(shù)函數(shù)關(guān)系，相對(duì)破碎Br隨著含水率的升高呈先減小后增大趨勢。

(3)顆粒在剪切過程中存在翻滾現(xiàn)象，但剪切速率過大會(huì)導(dǎo)致顆粒來不及產(chǎn)生翻滾而直接從顆粒中間剪切，由此導(dǎo)致了鈣質(zhì)砂試樣隨著剪切速率的增大，內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)先增大后減小再增大的現(xiàn)象，相對(duì)破碎Br呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。