钙质砂颗粒破碎的研究进展

杨超

（1. 五邑大学土木建筑学院，广东江门529020；2. 湖南科技大学页岩气资源利用湖南省 重点实验室，岩土工程稳定控制与健康监测湖南省重点实验室，湖南湘潭411201）

我国南海拥有丰富的海洋资源，亦是我国“一带一路”战略的重要组成部分. 目前，我国正在南海开展大规模的岛礁工程建设，岛礁岩土工程问题正受到广泛的关注. Blackwelder 等人先后对颗粒材料开展一维高压压缩试验，以研究该材料的颗粒破碎特性，结果表明，压力高达8.5 MPa 时其破碎量依然较小[1]. 经典土力学认为土颗粒不可压缩，土体发生的变形是由孔隙的压缩产生的. 因此，土体颗粒破碎这一现象在相当长一段时间内并未引起人们注意[2]. 然而，钙质砂是一种具有多孔隙、形状不规则、易破碎、颗粒易胶结等特殊性质的材料[3-6]，其常在较低压力下发生颗粒破碎现象[3]. 在岛礁填筑、地基处理、基础施工[7-9]等工程建设中不可避免地会遇到颗粒破碎的问题，颗粒破碎将引起材料的级配重新组合，材料的物理性质与力学性质发生较大变化[10-12]，进而使其压缩性增大、强度软化，最终导致结构整体失稳或破坏[13]. 颗粒破碎使钙质砂剪胀性减小、体积收缩应变增大、峰值强度降低[14]. 为满足南海岛礁大规模工程建设的要求，需要全面、深入地研究颗粒破碎对钙质砂力学性质的影响，以便正确评价钙质砂地层的工程性质，解决施工、运营中可能出现的工程地质问题. 因此，有必要对钙质砂颗粒破碎的研究方法与进展进行归纳总结，以期指导钙质砂颗粒破碎的研究工作.

1 钙质砂颗粒破碎的影响因素

影响土体颗粒破碎的因素很多，既有土体颗粒本身的物理力学性质，如土体颗粒的地质成因、矿物成分、微观结构、尺寸、形状、表面粗糙程度等；也有其他的外在因素，如颗粒级配、中间粒径、孔隙比、相对密度、应力水平、应力路径、含水量、加载时间等因素[2]. 对于钙质砂颗粒破碎的研究主要集中在矿物成分、颗粒形状、孔隙、粒径、级配、围压、应力水平等方面.

矿物成分对土体颗粒破碎的影响主要表现在其摩氏硬度上. 石英砂摩氏硬度为 7，在围压达到2 MPa 时石英砂才发生明显的颗粒破碎[15]. 而钙质砂的矿物成分主要为方解石和文石，方解石摩氏硬度为2.5 ～3，文石摩氏硬度为3.5 ～4，因此，钙质砂在普通的围压下就发生了颗粒破碎现象[6,16].

钙质砂多为生物成因，颗粒性质受原生生物骨架的影响，其主要成分为珊瑚、贝壳、珊瑚藻、有孔虫等碎屑[6]. 在钙质砂沉积过程中保留了原生生物骨架中的细小孔隙，形成了多孔隙(含有内孔隙)[17-18]、形状不规则的特点，钙质砂的典型颗粒形状如图1 所示[19]. 颗粒间以点-边接触和边-边接触为主，点-边接触处易出现较高应力而导致棱角发生断裂、破碎. 钙质砂颗粒强度随粒径的增加而逐渐降低[20]，一般认为，大颗粒里含有更多缺陷和裂隙，更易于破裂[21]，破碎后的小颗粒所含缺陷会越来越少，其被破坏程度也越低. 钙质砂等向压缩试验中，1 ～2 mm 粒径的颗粒在压缩前后含量变化不大，0.1 ～0.25 mm 粒径的颗粒含量变化较大[20]. 三轴排水剪切试验中，2 ～5 mm 粒径的钙质砂试样颗粒破碎程度最为严重；而0.075 ～0.25 mm 粒径的试样，除了粉粒增加约6.7%以外，级配基本无变化[10]；级配不良的钙质砂比级配良好的钙质砂更易发生颗粒破碎现象.

钙质砂受到压缩时就会发生颗粒破碎，颗粒破碎随压力升高而加剧；剪切作用下钙质砂的破碎量随着剪切应变的增加而增大，但不会持续增大，破碎量达到一定程度时颗粒破碎现象将停止[10]. 总体而言，剪应力作用下其颗粒破碎程度比等向压缩大.

图1 钙质砂颗粒典型形状

2 钙质砂颗粒破碎的研究方法

2.1 颗粒破碎的度量方法

对于钙质砂颗粒破碎的度量方法研究成果较为单一，主要采用颗分曲线为分析手段. 除此之外，仅文献[22-23]从能量方面解释了钙质砂颗粒破碎现象，即采用Hardin 提出的破碎度量理论，分析钙质砂颗粒破碎机理，提出了颗粒破碎下剪胀耦合作用的破碎功表达式，并在试验中证明了相对破碎Br与轴向应变X1、塑性功WP、破碎功WB之间的关系，建立了钙质砂颗粒破碎评价指标与能量公式；以相对破碎量作为钙质砂颗粒破碎的评价指标.

2.2 理论研究

钙质砂颗粒破碎的理论研究常以试验为基础，引入损伤力学、弹塑性力学、概率统计、能量观点等理论，建立了弹性损伤模型[24-25]、边界面塑性模型[26]、弹性损伤统计本构模型[27]、损伤边界面模型[28]和弹塑性增量本构模型[29]等，以此解释低应力水平下，钙质砂颗粒在微观上存在的颗粒破碎与滑移两种机制的耦合作用，和成桩时颗粒破碎使接触面的法向刚度急剧降低导致桩侧阻力低的特殊性质，以及钙质砂与结构接触面的弹塑性增量本构关系等.

2.3 室内试验研究

钙质砂的物理力学性质是工程技术人员重点关注的问题之一. 然而，钙质砂颗粒在较低压力下就会发生破碎，从而导致级配发生巨大变化，其结果是使钙质砂级配得到了改良和优化；此时的测试结果不能代表原始级配下钙质砂的物理力学性质和设计指标，最终可能因为使用了错误的钙质砂地层设计指标而影响工程的安全. 学者们分别从不同的应力条件和试验条件等方面开展了钙质砂颗粒破碎试验，研究了不同应力环境[10,14,30-46]、排水条件[10]、粒径[10]、颗粒形状[10]、加载方式[10,14,30-46]下钙质砂的力学性质与颗粒破碎现象，并尝试建立考虑颗粒破碎的钙质砂力学模型. 此外，吕海波等[47]利用电镜扫描和汞压仪对钙质砂进行了细观试验，对钙质砂细观形态和宏观力学性质进行了分析，并指出在低应力水平下钙质砂就会发生明显的体积缩小，主要是颗粒破碎造成的；颗粒形状不规则以及内孔隙发育是钙质砂容易产生破碎的重要原因. 对单个钙质砂的颗粒强度与破碎特征也进行了相关研究，并取得了一些成果[19,48-49]，结果表明钙质砂颗粒强度符合weibull 分布特征.

2.4 数值模拟

数值模拟能全面反馈颗粒破碎的演化过程和力学机制，获得地基中破碎带的发展过程. 张家铭等[7]基于二维离散单元法，对沉桩过程中钙质砂颗粒的破碎情况进行了模拟，研究了不同桩型的沉桩过程、桩周土体的力学响应和沉桩过程中钙质砂的颗粒破碎现象.

2.5 模型试验研究

钙质砂场地由于颗粒破碎引起的工程事故被人们广泛关注，且该研究主要以室内模型试验为主. 江浩等[50-51]利用室内模型试验研究了钙质砂中单桩、群桩的承载与变形性能以及其影响因素. 徐学勇等[52]测试不同参数作用时钙质砂爆炸前后的声波特性和表面沉降规律，研究了饱和钙质砂爆炸的密实动力特性. 秦月等[53]根据实际工程中单桩受力特点，对足尺桩基进行等比例缩尺，开展室内小尺寸模型单桩的竖向拉拔、水平推移和竖向压载试验. 以上研究表明，钙质砂地基中颗粒破碎和重分布引起的桩周水平有效应力的大幅降低导致了桩侧摩阻力衰减；同时，钙质砂的高孔隙比和颗粒破碎特性对爆炸密实效果有重要影响.

3 钙质砂颗粒破碎研究存在的问题

3.1 钙质砂颗粒破碎影响因素的描述

目前关于钙质砂颗粒破碎的研究主要集中于颗粒破碎现象以及其影响因素，而颗粒破碎对钙质砂物理力学性质的影响机制等方面的研究仍不够深入，对钙质砂破碎机理的认识仍处于定性描述阶段，各因素的影响模式仍需通过大量实验进行进一步研究，且如何定量描述颗粒破碎对钙质砂工程特性的影响仍然是钙质砂颗粒破碎研究成果在工程应用中面临的一道难题.

3.2 钙质砂颗粒破碎的研究方法

钙质砂颗粒破碎的理论方面的研究主要从能量、统计学、损伤力学以及弹塑性力学等方面描述了钙质砂的颗粒破碎特性，建立了本构模型. 既有成果主要从宏观方面研究了颗粒破碎对钙质砂力学性质的影响，尚未从微观角度分析钙质砂的微观变形机制以及颗粒破碎的发生机理.

钙质砂颗粒破碎的度量方法有的以颗分曲线为基础，该方法操作容易，但难以应用到实际工程；也有的从能量观点出发，采用相对破碎Br度量钙质砂颗粒的破碎程度，但颗粒破碎产生的破碎功和塑性功测量困难. 目前，钙质砂颗粒破碎试验主要有一维压缩试验、三轴剪切试验和室内击实试验等，测试分析方法主要以力学性质分析结合试验前后的颗粒分析为主，尚未考虑加载时间对钙质砂颗粒破碎的影响，缺乏钙质砂颗粒破碎的动态观测，亦缺乏动荷载作用下钙质砂颗粒破碎机理的相关研究.

3.3 钙质砂的物理力学性质测试方法

钙质砂颗粒的破碎机制不仅与颗粒自身属性有关，还与其所处的环境密切相关. 钙质砂颗粒间的接触特征、运动状态和运动轨迹都会造成土颗粒不同部位、不同程度发生破碎；同时，钙质砂颗粒的应力环境、干湿程度同样会影响其破碎特征. 工程建设需要准确获取地基的物理力学性质来指导设计施工和保证工程质量，目前尚未有专门针对易破碎的岩土材料的物理力学性质的测试方法，现有工程仍主要以传统试验规程作为参考来测试钙质砂的物理力学性质；因此，在进行钙质砂这类易碎岩土材料的物理力学性质测试时，势必会引起颗粒破碎而影响测试结果的可靠性，以此参数来开展工程设计存在较大风险. 在进行土的物理力学性质测试时，颗粒间的接触方式、测试环境都是复杂多变的，如，相对密实度试验需测试土的最大干密度和最小干密度. 最大干密度采用最小孔隙比来测试，测试在振动金属容器侧壁的同时还要分层锤击；最小干密度采用最大孔隙比来测试，量筒法测试最大孔隙比时需将量筒反复几次倒转，并缓慢回到原来位置，在倒转过程中颗粒在量筒内翻滚并相互摩擦、撞击. 无论是外部荷载的锤击还是颗粒的翻滚都会造成钙质砂颗粒不同程度的破碎. 因而，测试结果并不能代表原始状态下钙质砂的物理性质. 由于对钙质砂颗粒破碎认识不清，仍采用传统方式进行钙质砂地层工程建设而引起的工程事故已给人们带来了惨痛的教训.

3.4 钙质砂颗粒破碎的工程影响研究

钙质砂颗粒破碎的工程影响研究较少，主要以数值模拟和室内模型试验为主. 这些研究主要从钙质砂地基的工程性质入手，且偏重于工程现象的解释，并未深入研究钙质砂地层颗粒破碎的影响机制. 对工程施工、爆破等过程中钙质砂的颗粒破碎现象有一定研究，但还不够深入，研究成果较少，其机理仍不明晰，难以应用于实际工程.

4 结语

20 多来年对钙质砂颗粒破碎的研究取得了丰硕成果，但相关成果仍不能满足工程建设的需要. 钙质砂的特殊力学性质主要源于颗粒破碎，这是有别于陆源砂的一个重要特征. 当前我国在开展大规模的南海岛礁工程建设，厘定钙质砂颗粒破碎机制，正确评价钙质砂地层的工程性质，解决施工、运营中可能出现的工程地质问题，对南海岛礁工程建设具有重要的指导意义. 笔者认为今后钙质砂颗粒破碎的研究可从以下几个方面着手：

1）分析各因素的影响形式，量化描述颗粒破碎对钙质砂工程特性的影响；

2）完善钙质砂颗粒破碎的度量方法；

3）考虑加载时间的影响，对钙质砂颗粒破碎进行动态观测；

4）颗粒破碎微观发生机制及其力学模型；

5）动荷载作用下钙质砂颗粒破碎机理；

6）钙质砂室内试验测试方法；

7）施工荷载作用下钙质砂颗粒破碎机理以及对工程性质的影响.