粗粒土三軸制樣過程中的顆粒破碎特性

孫逸飛　陳晨　鞠雯

摘要：粗粒土在制樣和加載的過程中常常會(huì)發(fā)生破碎，目前大多數(shù)室內(nèi)試驗(yàn)研究均集中在對(duì)粗粒土加載過程中破碎特性的描述，而忽視了其制樣過程中顆粒破碎的影響。為此，采用2種不同級(jí)配的粗粒土分層擊實(shí)制樣，分析其在不同相對(duì)密度條件下的制樣破碎特性。研究發(fā)現(xiàn)：粗粒土在制樣過程中存在一定程度的顆粒破碎現(xiàn)象，較大顆粒破碎較為顯著;但無論初始級(jí)配如何，粗粒土制樣過程中的顆粒破碎率都隨著制樣相對(duì)密度的增大而增大。

關(guān)鍵詞：顆粒破碎;壓實(shí);相對(duì)密度：粗粒土

中圖分類號(hào)：TU43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2019.06.030

粗粒土在經(jīng)受靜動(dòng)力加載時(shí)常常不可避免地發(fā)生破碎，從而改變其物理特性并進(jìn)一步影響其后期力學(xué)性質(zhì)。為此，許多學(xué)者[1-5]對(duì)粗粒土的顆粒破碎特性進(jìn)行了研究。然而，這些研究絕大部分集中在顆粒破碎對(duì)粗粒土強(qiáng)度和變形特性的影響上，如文獻(xiàn)[6-8]開展了一些針對(duì)不同初始狀態(tài)粗粒土的室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值試驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)，增大粗粒土的塑性變形會(huì)增大土體的顆粒破碎率[1]，除此之外，減小粗粒土的不均勻系數(shù)也會(huì)增大其顆粒破碎率。但是，目前關(guān)于相對(duì)密度或者孔隙比對(duì)粗粒土顆粒破碎的影響規(guī)律還不明確。Xiao等[3.7.9-10]研究認(rèn)為，增大試樣相對(duì)密度會(huì)減小其加載時(shí)的顆粒破碎率。然而，需要指出的是，上述研究均側(cè)重于粗粒土在加載過程中的破碎特性，對(duì)于制樣過程中顆粒破碎并無研究，其影響也沒有涉及。因此，筆者選擇了2種工況粗粒土和7種相對(duì)密度，著重對(duì)粗粒土制樣過程中的顆粒破碎特性進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)材料

本文所采用的粗粒土由棱角鮮明的花崗巖顆粒組成，根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》（ S1237-1999）[11]中介紹的方法測得其容重為2.56，該材料常作為堆石壩的筑壩料，試驗(yàn)中采用的2種工況初始級(jí)配曲線如圖1所示。根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》測得工況一和工況二試樣最大干密度[11]分別為2.20、2.20 g/cm³.最小干密度分別為1.69、1.60 g/cm，其他主要物理指標(biāo)見表1（其中d為最小粒徑、d50為中值粒徑、d為最大粒徑、C0為不均勻系數(shù)）。

2 試驗(yàn)方法與步驟

采用分層擊實(shí)的方法制備不同目標(biāo)相對(duì)密度的粗粒土試樣（相對(duì)密度Rd=0.70、0.75、0.80、0.85、0.90、0.95、1.00）。首先，將獲得的花崗巖顆粒進(jìn)行沖洗，沖洗完畢后放在自然陽光下風(fēng)干，風(fēng)干后采用篩分法將粗粒土分為6個(gè)粒徑區(qū)間，即20 - 10 mm、10-5 mm、5-2 mm、2-1 mm、1.0 - 0.5 mm、0.500 - 0.075 mm;然后將篩分好的顆粒根據(jù)試樣級(jí)配曲線進(jìn)行稱重、混合;接著將混合好的粗粒土分成5等份，分5次裝入制樣桶中，每次裝樣均擊實(shí)到所設(shè)定的目標(biāo)相對(duì)密度。擊實(shí)采用1.25 kg的錘子，落錘高度150 mm。制樣桶直徑100 mm、高度250 mm，內(nèi)部包裹一層三軸試驗(yàn)用的橡皮膜，橡皮膜表層抹勻潤滑劑。

試驗(yàn)結(jié)束后，將制備的試樣倒出，重新篩分，分別稱重，用于分析制樣過程中的顆粒破碎特性。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

制樣前后粗粒土的級(jí)配見圖2和圖3。分析發(fā)現(xiàn)：不論初始級(jí)配如何，試樣制備完畢后的級(jí)配曲線均向右偏移，這表明試樣在制備完畢后產(chǎn)生了新的細(xì)小顆粒。隨著制樣目標(biāo)相對(duì)密度的增大，級(jí)配的偏移程度變大，進(jìn)一步表明，制樣過程中粗粒土產(chǎn)生了可以觀察到的破碎。此外，分析各粒徑段顆粒含量的變化發(fā)現(xiàn)：10 - 20 mm大粒徑段顆粒含量顯著減小，表明有相當(dāng)一部分大顆粒在制樣過程中發(fā)生了破碎。5-10 mm和1-2 mm粒徑段的顆粒含量變化不大，這表明大粒徑顆粒發(fā)生破碎后產(chǎn)生了一部分處于這兩個(gè)粒徑區(qū)間的小顆粒，對(duì)該區(qū)間顆粒含量進(jìn)行了補(bǔ)充。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn).2-5 mm粒徑的顆粒含量增大最多，而0.5 -1.0 mm和0.075 - 0.500 m粒徑段顆粒增大較少，這表明大部分較大顆粒破碎成了2-5 mm粒徑的小顆粒。

本文采取Marsal[12]定義的顆粒破碎度（Bg）定量分析制樣過程中顆粒的破碎特性。Bg由各粒徑段顆粒含量增量相加得到。具體分析結(jié)果見圖4。

隨著目標(biāo)相對(duì)密度的增大，制樣過程導(dǎo)致的顆粒破碎度增大，兩者關(guān)系可以采用下列冪律來描述：

4 結(jié)論

本文針對(duì)制樣過程中粗粒土的破碎現(xiàn)象，選取2種工況粗粒土和7種相對(duì)密度開展室內(nèi)試驗(yàn)研究，得出以下主要結(jié)論。

（1）制樣完畢后粗粒土級(jí)配曲線發(fā)生了偏移，制樣過程導(dǎo)致了細(xì)小顆粒的生成。

（2）分層擊實(shí)條件下，試樣中大顆粒較小顆粒破碎明顯：無論初始級(jí)配如何，制樣過程中的顆粒破碎度都隨著目標(biāo)相對(duì)密度的增大而增大，但級(jí)配良好的土體在制樣過程中顆粒破碎度較小。

（3）粗粒土制樣時(shí)需特別注意相對(duì)密度較大試樣的制備，過多的顆粒破碎可能影響后期加載過程。

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