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發生破碎，目前大多數室內試驗研究均集中在對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種不同級配的粗粒土分層擊實制樣，分析其在不同相對密度條件下的制樣破碎特性。研究發現：粗粒土在制樣過程中存在一定程度的顆粒破碎現象，較大顆粒破碎較為顯著;但無論初始級配如何，粗粒土制樣過程中的顆粒破碎率都隨著制樣相對密度的增大而增大。

關鍵詞：顆粒破碎;壓實;相對密度：粗粒土

中圖分類號：TU43

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2019.06.030

粗粒土在經受靜動力加載時常常不可避免地發生破碎，從而改變其物理特性并進一步影響其后期力學性質。為此，許多學者[1-5]對粗粒土的顆粒破碎特性進行了研究。然而，這些研究絕大部分集中在顆粒破碎對粗粒土強度和變形特性的影響上，如文獻[6-8]開展了一些針對不同初始狀態粗粒土的室內試驗和數值試驗研究。研究發現，增大粗粒土的塑性變形會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也會增大其顆粒破碎率。但是，目前關于相對密度或者孔隙比對粗粒土顆粒破碎的影響規律還不明確。Xiao等[3.7.9-10]研究認為，增大試樣相對密度會減小其加載時的顆粒破碎率。然而，需要指出的是，上述研究均側重于粗粒土在加載過程中的破碎特性，對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種相對密度，著重對粗粒土制樣過程中的顆粒破碎特性進行研究。

1 試驗材料

本文所采用的粗粒土由棱角鮮明的花崗巖顆粒組成，根據《土工試驗規程》（ 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，試驗中采用的2種工況初始級配曲線如圖1所示。根據《土工試驗規程》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）。

2 試驗方法與步驟

采用分層擊實的方法制備不同目標相對密度的粗粒土試樣（相對密度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行沖洗，沖洗完畢后放在自然陽光下風干，風干后采用篩分法將粗粒土分為6個粒徑區間，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試樣級配曲線進行稱重、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，每次裝樣均擊實到所設定的目標相對密度。擊實采用1.25 kg的錘子，落錘高度150 mm。制樣桶直徑100 mm、高度250 mm，內部包裹一層三軸試驗用的橡皮膜，橡皮膜表層抹勻潤滑劑。

試驗結束后，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 試驗結果分析

制樣前后粗粒土的級配見圖2和圖3。分析發現：不論初始級配如何，試樣制備完畢后的級配曲線均向右偏移，這表明試樣在制備完畢后產生了新的細小顆粒。隨著制樣目標相對密度的增大，級配的偏移程度變大，進一步表明，制樣過程中粗粒土產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現：10 - 20 mm大粒徑段顆粒含量顯著減小，表明有相當一部分大顆粒在制樣過程中發生了破碎。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生破碎后產生了一部分處于這兩個粒徑區間的小顆粒，對該區間顆粒含量進行了補充。進一步分析發現.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。具體分析結果見圖4。

隨著目標相對密度的增大，制樣過程導致的顆粒破碎度增大，兩者關系可以采用下列冪律來描述：

4 結論

本文針對制樣過程中粗粒土的破碎現象，選取2種工況粗粒土和7種相對密度開展室內試驗研究，得出以下主要結論。

（1）制樣完畢后粗粒土級配曲線發生了偏移，制樣過程導致了細小顆粒的生成。

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

（3）粗粒土制樣時需特別注意相對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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