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域中作為最基本的建筑材料，其物理力學性能受到廣泛地重視。在大型建筑物如高堆石壩修建中，在高應力作用下顆粒破碎率較高的特殊現象。本文通過查閱各種試驗結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雜的過程，是多種影響因素協同作用的結果。

關鍵詞：顆粒破碎 高應力 臨界破碎應力 影響因素

顆粒破碎機理

引 言

根據經典土力學摩爾-庫倫強度理論，土的內摩擦角和黏聚力c是土體最重要的抗剪強度指標。經典土力學認為土顆粒是不可壓縮、破碎，在低應力作用下粗顆粒以滑移和轉動為主；而在高應力作用下，粗顆粒配位數較低，接觸點應力集中現象比較明顯，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典土力學理論中固定的強度指標和c值進行強度、穩定分析是不恰當的。

在高應力作用下，影響土體顆粒破碎的內在因素有土顆粒原有的物理力學性質、礦物成分、微觀結構、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，同時分析其內在機理。

1、臨界破碎應力

土體顆粒破碎現象早在20世紀末21世紀初就開始引起了科研學者的關注。經典土力學中的分析是基于低應力作用下的連續土體介質，而在高應力作用下土體顆粒破碎現象比較顯著，屬于顆粒力學范疇。因此，土體顆粒破碎存在臨界破碎應力，高于此應力，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現顆粒破碎現象十分明顯。

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

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

2、影響土體顆粒破碎內在因素

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時才發生顆粒破碎[2]，而鈣質砂其硬度遠低于石英，故在普通圍壓下即可發生顆粒破碎[3]。

2.2 顆粒粒徑

根據概率分布規律，大多數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為顆粒棱角在剪力作用下的折斷。顆粒形狀越不規則，顆粒間的點接觸力越易偏離形心，使顆粒產生較大的彎矩，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，級配發生改變。

3、 顆粒破碎內在機理分析

黃文熙認為高應力下砂土的抗剪強度由滑動摩擦強度分量、剪脹效應分量和破碎重排列作用分量組成[4]。在應力水平較低時，土體顆粒通過滑移、轉動消除較大的能量，故顆粒基本保持完整狀態。隨著應力逐漸增大，顆粒不斷調整位置，顆粒間接觸點緊密接觸，土體孔隙比變小，土體變密實。當接近到臨界應力時，土體顆粒滑移、轉動受阻，硬度較小的粗顆粒的配位數較少，其接觸點上的應力較大，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、通過不斷調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穩定，破碎后的顆粒與未破碎顆粒有足夠的時間進行重排列、重定位等自我調整，不同剪切速率試樣最終能夠達到較為一致的細觀狀態，表現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、 結論與建議

本文主要分析了在高應力下顆粒破碎現象。初步結論與建議如下：

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

（2）顆粒礦物成分與成因對顆粒破碎有影響，主要體現著硬度上，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，剪切應變、應力狀態、應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，體現為顆粒破碎可能性越大。

（4）顆粒破碎是一個相當復雜過程，各種影響因素不是單一地影響破碎過程的，而是協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， 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， 汪穩. 鈣質砂物理力學性質初探[J]. 巖土力學， 1995. 16（4）： 74-83

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