不同围压条件下石英砂破碎特性研究

王从颜，付小敏，熊魂，陶永胜

（成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059）

1 引言

近年来随着大型土石坝和工业与民用建筑建设的兴起，粗粒料由于其压实性能好、透水性强、抗剪强度高、沉陷变形小、承载力高等优点，而被广泛应用于水利、港口、交通等岩土工程建设中。但粗粒料与砂土相比，在相对比较低的围压下就会出现颗粒破碎的现象［1]。加之大型建筑和高土石坝产生的高应力，导致粗粒料发生颗粒破碎的现象相对较为严重。如对300 m高的堆石坝，竖向应力可达到6 MPa以上，横向应力也可达到3 MPa以上［2]。在高应力作用下，粗粒料的颗粒结构将发生变化，尤其是粗粒料的棱角破碎现象将会很明显。据统计在三峡工程建设中，填筑材料花岗岩风化料破碎率有时可达20%［3].，土体颗粒的破碎会引起级配的改变，从而使其物理力学性质发生变化。破碎现象越严重，其物理力学性质变化也会越大。初步研究结果［2]证实，颗粒破碎会使土体变形加大，抗剪强度降低。

沈珠江［4]指出，堆石料的剪缩性是影响面板堆石坝应力的决定性因素，而堆石料的体积收缩主要是颗粒的棱角破碎所造成。因而，研究粗粒料的颗粒破碎具有重要的工程意义。

国内一些学者对不同地区的石英砂和钙质砂进行了一维的试验研究如：黄文竞（2007）［4]对武汉石英砂进行了一维的压缩试验，研究压缩应力、应变、颗粒级配以及孔隙比之间的变化。常俊等（2008）［5]研究不同粒径、不同级配的南京石英砂压力与其关系，试验发现颗粒粒径越大颗粒破碎程度也会增大，颗粒在其他条件一定时其颗粒级配越好则破碎越少。张季如等（2008）［6]通过一维压缩试验研究了高压应力下武汉石英粗砂和细砾的颗粒破碎特性，基于分形模型和粒径分布资料，研究颗粒的破碎分形。张家铭等（2009）［7]对南海钙质砂进行一维的压缩试验，对压缩应力、应变、颗粒级配以及孔隙比之间的关系进行了研究。

但在大型堆石坝、碎石路基、铁路道砟等工程中，石英砂作为地基材料，往往处于地下一定深度，此时石英砂颗粒处于三向受力的作用且承受相当大的压力，所以有很大必要开展高围压应力下石英砂三轴试验研究。目前对石英砂的高应力侧限压缩及直剪试验研究的比较多，而对高围压应力下石英砂的颗粒破碎特性研究的比较少。

本文拟用级配、密实度均相同的粗粒石英砂进行围压为5 MPa、10 MPa、20 MPa、30 MPa、40 MPa等5个压力级别的三向等压固结压缩试验，研究不同围压条件下石英砂颗粒破碎特性试验，对固结后的石英砂进行颗粒分筛分，利用级配曲线计算相对破碎率，并分析总结了相对破碎率和不均匀系数与围压应力的关系，并求得不均匀系数与围压的相关关系式。

2 试验仪器与方法

2.1 试验仪器

等向压缩试验采用成都理工大学国家重点实验室MTS－815程控伺服刚性试验机，如图1，轴向最大荷载3 000 k N，框架整体刚度5.0×109N／m，最大试验围压可达100 MPa，该试验机主要有主机、压力室、轴向加载装置、围压加载装置、充液油源和计算机测控系统等组成。颗粒筛分试验设备为Mastersizer 2 000激光粒度分析仪，根据激光照射到颗粒后，颗粒能使激光产生衍射或散射的现象来测试粒度分布，其粒度测量范围从0.02～2 000 μm。

图1 MTS815程控伺服岩石刚性试验系统Fig.1 MTS 815 rock mechanical test system

2.2 试验样品

本次试验所用石英砂试样中Si O2含量92.54%，表明矿物成分以石英为主，其颜色为乳白色、性脆无解理，贝壳状断口，油脂光泽，密度为2.65 g／cm3。

对石英砂进行颗粒分析试验，得到试验前石英砂粒径分布如表1所示。

图2 试验装置及试样示意图Fig.2 Test apparatus

表1 粗粒石英砂初始级配Table 1 Initial grading of coarse quartz sand

2.3 试验方法

为了更好地研究粗粒石英砂的破碎特性，首先对天然粗粒石英砂进行了烘干处理；将试件置于烘箱内，在105℃～110℃温度下烘烤24 h，取出放入干燥器内冷却至室温后备用。试验开始用真空泵抽出成模筒与橡胶模之间的空气，使橡胶模紧贴成模筒内壁。称取经烘干处理的石英砂125 g，并分五次均匀加入模具内，然后卸下模具，制成规格为38 mm×76 mm的试样；接上环向引伸计，安装试样如图2所示，固定好围压腔。安装好压力室，注入液压油，通过计算机控制系统设定围压目标值，以1 MPa／s的速度加载到目标值后，稳定围压直至环向位移稳定后，然后以2 MPa／s的速度将围压卸除。试验过程中轴向应力和围压通过压力传感器测定，而试样变形通过轴向和环向位移传感器测定，传感器信号通过数字采集模块由计算机自动采集。固结压缩试验结束后，将试样烘干，进行颗粒筛分试验，并绘制其粒径分布与级配曲线。

3 试验结果与分析

3.1 颗粒级配分析

颗粒破碎是一个与粒径、级配、颗粒形状、孔隙比和颗粒硬度等有关的复杂过程，颗粒破碎最明显的表现就是压缩前后试样级配曲线的变化。对常规三轴试验试验前后粗粒料颗粒分布曲线变化情况的分析表明，粗粒料颗粒在加载过程中发生了破碎，粒径发生了明显变化。图3为各围压条件下小于某粒径的颗粒所占体积百分比的变化情况。

图3 不同围压条件下小于某粒径所占体积百分比的变化情况Fig.3 Changes，under different confining pressures，in volu me percentage of grains less than a certain size

通过不同围压应力下，小于某粒径石英砂颗粒所占体积百分比的变化曲线，可以得知随着固结压力的增加，小于某粒径的颗粒所占的百分比是逐渐增加的；固结压力在5 MPa时颗粒破碎较少，当固结压力达到10 MPa时，颗粒破碎明显增多；而20 MPa和30 MPa时，小于某粒径颗粒所占百分比没有明显区别，固结压力从20 MPa到30 MPa时颗粒又出现较多的破碎，当固结压力从30 MPa到40 MPa时，颗粒破碎相对趋于稳定；从图中还可以得知，随着固结压力的增加，小于某粒径颗粒所占百分比也逐渐增加，当破碎达到一定程度后，试样达到最佳级配，围压对其影响逐渐减弱。

3.2 颗粒破碎的度量

目前，颗粒破碎的度量主要有两类方法，其一是利用单位体积颗粒在破碎前后的表面积变化作为破碎的量化尺度，以表面积的增量来衡量颗粒破碎的程度及颗粒破碎量。因测量颗粒表面积较困难，故此方法应用较少；另一种方法是通过颗粒破碎前后颗粒级配曲线的变化定义颗粒破碎的程度。本文采用第二钟方法来研究石英砂颗粒破碎的程度。

Hardin（1985）［9]定义了破碎潜能 Bp0（初始颗粒级配曲线与粉土最大粒径线0.074 mm之间的面积）和总破碎量Bt（初始颗粒级配曲线与试验后颗粒级配曲线之间的面积）进而提出了相对破碎的概念Br。其中Hardin假设颗粒粒径0.074 mm以上都有破碎的可能，同时假设小于此粒径就不再破碎，从而提出了颗粒粒径大于0.074 mm破碎潜能Bp的表达式：

式中，D为颗粒的直径，当D ＜0.074 mm时，Bp＝0。

对于整个试样的破碎Bp为：

式中，df为bp相应粒径的筛分通过率，以微分表示。

试验前后的整体破碎势之差为总破碎率Bt，即：

式中，bp0为试验前的bp；bpl为试验后的bp。

总破碎Bt与初始破碎势Bp0之比即为相对破碎Br：

由于极限颗粒破碎的存在，Br的数值随着破碎的增加从0变化到一个小于1的数。Hardin提出的颗粒破碎很好的克服了以单个粒径描述颗粒破碎的整体情况，而是通过整个颗粒级配曲线描述颗粒破碎。通过试验证明本次试验的粗粒石英砂在围压作用下破碎所达到的最小粒径已经远小于粉土最大粒径（0.074 mm）。所以本次试验取破碎潜能Bp0，取初始颗粒级配曲线与0.02μm粒径线之间的面积，其它物理量与Hardin提出的概念保持一致，以有效粒径D10的变化来表示颗粒破碎的程度。同时通过不均匀系数CU（CU＝d60／d10）和曲率系数Cc（CC＝d230／d60d10）两个土工物理量来比较分析石英砂颗粒破碎级配曲线的特性。

根据图3所示的级配曲线，通过计算得到不同固结压力下石英砂的物理量参数如表2所示，并绘制关系曲线如图4、图5所示。从中可以得知随着围压的增加，颗粒相对破碎率Br和曲率系数Cc呈增加的趋势，当超过一定压力时，两者趋向于稳定；不均匀系数Cu则随着围压的增大呈现良好的线性关系，根据颗粒级配优良的标准，当同时满足Cu≥5，Cc＝1～3时，土的级配良好，否则，级配不良，可知随着围压的增加，颗粒级配由较差向良好方向发展。

图4 颗粒相对破碎率、破碎指数与围压的关系图Fig.4 Relationship between the rate and coefficient of grain cr ushing and confining pressures

表2 不同固结压力下颗粒的级配组成物理量Table 2 Graded physical composition of grains under different consolidation pressures

图5 不均匀系数与围压的关系图Fig.5 Relationship between confining pressures and non－unifor mity coefficient

4 结论

（1）随着固结压力的增加，小于某粒径的颗粒所占的百分比是逐渐增加的；固结压力在5 MPa时颗粒破碎较少，当固结压力达到10 MPa时，颗粒破碎明显增多；而20 MPa和30 MPa时，小于某粒径颗粒所占百分比没有明显区别，固结压力从20 MPa到30 MPa时颗粒又出现较多的破碎，当固结压力从30 MPa到40 MPa时，颗粒破碎相对趋于稳定。从图中还可以得知，随着固结压力的增加，当破碎达到一定程度后，颗粒级配趋于良好，围压对其影响逐渐减弱。

（2）随着围压的增加，颗粒相对破碎率Br和曲率系数Cc呈增加的趋势，当超过一定压力时，两者趋向于稳定；而不均匀系数Cu则随着围压的增大呈现良好的线性关系。颗粒级配由较差向良好方向发展。

本文通过对不同围压应力下石英砂的固结压缩试验，研究了高压应力下石英砂的颗粒破碎情况，由于本次试验前对石英砂颗粒进行了烘干处理，未考虑含水率对颗粒破碎的影响，而施工过程中，石英砂颗粒大都处于不同含水率情况下，故以后研究工作中还需考虑含水率这个因素。目前关于粗粒料颗粒破碎的研究仍然有限，有待于进一步积累试验成果和进行深入的理论研究，以应用指导于工程实践。

［1]日本土质工学会.粗粒料的现场压实［M].郭熙灵，文丹，译.北京：中国水利水电出版社，1998.

［2]孔德志.堆石料的颗粒破碎应变及其数学模拟［D].北京：清华大学，2008.

［3]张家铭，汪稔，张阳明，等.土体颗粒破碎研究进展［J].岩土力学，2004，24（增）：661－665.

［4]黄文竞.高压应力下石英砂颗粒破碎机理的试验研究［D].武汉：武汉理工大学，2007.

［5]常俊，陈新民，吕扬.高应力条件下南京砂破碎特性的试验［J].南京工业大学学报（自然科学版），2008，30（4）：88－92.

［6]张季如，祝杰，黄文竞.侧限压缩下石英砂砾的颗粒破碎特性及其分形描述［J].岩土工程学报，2008，30（6）：783－789.

［7]张家铭，蒋国盛，汪稔.颗粒破碎及剪胀对钙质砂抗剪强度影响研究［J].岩土力学，2009，30（7）：2043－2048.

［8]Marsal R J.Large－scale testing of rockfill materials［J].Journal of Soils Mechanics and Foundation Division，ASCE，1967，93（2）：27－43.

［9]Hardin.Cr ushing of soil particles［J].Journal of Geotechnical Engineering Mechanics，ASCE，1985，111（10）：1177－1192.