不同粒度粗粒的極限孔隙比和破碎特征

戴仁輝, 李明東,, 陳士軍, 易進翔, 高玉峰

(1.東華理工大學 土木與建筑工程學院, 江西 南昌 330013; 2.河海大學 巖土工程科學研究所, 江蘇 南京 210024)

粗粒土越密實，強度越高、壓縮性越小、滲透性越低，工程性能越好.文獻[1-2]對于地基和填土的評價具有極高的指導價值，至今仍是最主要的評價指標[3-4].工程中常采用擊實方法來提高粗粒土密實度，而擊實過程會導致粗粒破碎，改變粗粒土的顆粒組成，繼而影響粗粒土的工程性能[1].最大孔隙比和最小孔隙比是確定相對密實度的關鍵參數，測定最大孔隙比的方法有量筒倒轉法、漏斗法及松砂器法，測定最小孔隙比的方法有錘擊法和振動法[5].對于砂土，量筒倒轉法的測定結果普遍優于漏斗法及松砂器法[5-6]，其最大孔隙比隨細粒摻量的增大而減小[7].當黏粒摻量不大于30%時，最小孔隙比隨細粒摻量的增大而減小[6].細粒摻量對極限孔隙比的影響機制相同[8-11].顆粒形狀也會影響到極限孔隙比，理想渾圓顆粒的最大、最小孔隙比分別為0.90986 和0.35407[7]，最大孔隙比隨顆粒球度的減小而增大，最小孔隙比則相反[12].顆粒級配對壓實的影響機制為不同粒徑顆粒的相互填充效應、顆粒的懸浮效應和小顆粒的虛填效應[13].顆粒破碎方面，研究發現貝殼砂顆粒破碎受試樣尺寸、圍壓、土粒比重的影響[14]，其顆粒破碎程度隨試樣尺寸及圍壓的增大而增大.隨著顆粒破碎程度加深，土粒均會從初始分布逐漸趨向自相似的分形分布[15-16].對顆粒破碎的定量分析以Hardin相對破碎率為主，砂土多發生棱角破碎，且多棱角顆粒的試樣變形大于渾圓顆粒試樣[17-18].因此，探明顆粒粒徑對極限孔隙比及顆粒破碎的影響，對于土體壓實及土顆粒破碎有著重要的意義.

本文采用量筒倒轉法、振動錘擊法測定了不同粒徑粗粒的極限孔隙比，分析了孔隙比變化范圍與粒度的關系，研究了粗粒的破碎特征.

1 試驗

1.1 試驗材料

1.1.1原料土

原料土取自南昌市贛江中下游左岸秋水廣場處(北緯N28°41′9.59″,東經E115°51′27.14″),主要成分為石英砂.其基本物理性能如表1所示.表中：Gs為相對密度；d60、d30和d10分別表示小于該粒徑的土顆粒質量占土顆粒總質量的60%、30%及10%；Cu、Cc分別表示土的不均勻系數及曲率系數.

表1 原料土的基本性質

1.1.2不同粒度粗粒

將原料土瀝水風干,然后進行篩分.各粒度粗粒均準備4kg,編號分別為1#～7#,如圖1所示.將各粒度粗粒分為2等份,進行平行試驗.

圖1 不同粒度的粗粒Fig.1 Different particle size of coarse particle

1.2 極限孔隙比試驗

1.2.1最大孔隙比

采用量筒倒轉法測定粗粒的最小干密度ρdmin,其中量筒容積為1000mL.利用式(2)計算粗粒的最大孔隙比emax.

emax=(Gsρ/ρdmin)-1

(2)

1.2.2最小孔隙比

采用室內錘擊法測定各粒度粗粒的最大干密度ρdmax,利用式(3)計算各粒度粗粒最小孔隙比emin.錘擊工具選用JDM-2型電動相對密實度儀,金屬圓筒體積為250mL,內徑為5cm,長度為12.7cm,錘體質量為1.25kg,直徑為5cm,下落高度為15cm.粗粒分3次倒入金屬圓筒進行錘擊,每次粗粒為金屬圓筒的1/3,錘擊32次/min,直至粗粒體積不變為止.

emin=(Gsρ/ρdmax)-1

(3)

1.3 顆粒破碎試驗

1.3.1不同粒度粗粒的顆粒破碎試驗

將最大干密度試驗擊實后的各粒度粗粒進行顆粒分析,獲得各粒度粗粒擊實后的粒度構成,分析各粒度粗粒在擊實過程中的顆粒破碎特征.

1.3.2原料土的顆粒破碎試驗

取4份原料土進行擊實試驗,擊實次數分別為96、192、288、384次,對擊實后的土樣進行顆粒分析試驗,分別測定各試驗組的粒度構成,分析原料土在不同擊實次數下的顆粒破碎特征.

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2 不同粒度粗粒的極限孔隙比

2.1 最大孔隙比

不同粒度粗粒的emax與d的關系如圖2所示.由圖2可見：emax與d在半對數坐標系上呈非線性關系,它隨粒徑的增大先快速減小后緩慢增大,存在1個最小值;在砂粒范圍內,即d從0.075mm逐漸增大到2mm時,emax逐漸減小,與李珊珊等[6]的結論一致;當d從2mm逐漸增大到10mm時,emax逐漸增大;emax的最小值為1,大于理論上假定土顆粒為均勻圓球所推導的emax=0.90986[7],原因在于實際粗粒并非圓球形,粒間孔隙量更大.

圖2 各粒度粗粒emax與d的關系Fig.2 Relationship of maximum void ratio versus particle size of coarse particle

2.2 最小孔隙比

不同粒度粗粒的emin與d的關系如圖3所示.由圖3可見,emin與d在半對數坐標系上呈線性關系,它隨著粒徑的增大而逐漸減小.由此可得emin與d的關系如式(4)所示.

圖3 各粒度粗粒emin與d的關系Fig.3 Relationship of minimum void ratio versus particle size of coarse particleemin=alg d+b

(4)

式中：a為曲線的斜率,表示d每變化1個對數周(10倍)所引起的emin的變化量,即a=-(Δemin/Δlgd);b為曲線在縱軸的截距,表示d=1mm 時,emin的值.這與王新志等[8]發現的當d從0.5mm逐漸增加到5mm時,鈣質砂ρdmax逐漸增大結論一致.

2.3 壓實容量

隨著粒徑的增大,不同粒度粗粒emin線性減小,emax先快速減小后緩慢增大.針對不同粒度粗粒這一特性,提出壓實容量ecap,如式(5)所示.ecap越小,表明粗粒的可壓實性越小,反映出粗粒的壓實性能.

ecap=emax-emin

(5)

圖4為粗粒ecap與d的關系曲線.圖5為ecap與平均粒度(D50)的關系曲線.由圖4可見：ecap與d在半對數坐標系上呈非線性關系,它隨粒徑的增大先逐漸減小后逐漸增大,存在一個最小值.

圖4 粗粒ecap與d的關系曲線Fig.4 Curve of compaction capacity versus the particle size of coarse particle

圖5 不同材料ecap與D50的關系曲線Fig.5 Curves of compaction capacity versus the mean particle size of different material(Ref.[7])

由圖5可見,當d從0.075mm逐漸增大到0.8mm 時,ecap逐漸減小,與Cubrinovski[7]發現的不同細粒含量砂土ecap隨D50的增大而增大的結論一致.當d從0.8mm逐漸增大到10mm時,ecap逐漸增大.Cubrinovski認為在礫粒范圍內,即d從2mm 逐漸增大到10mm時,ecap會隨著d的增大而逐漸減小,并擬合其關系如式(6)所示.在礫粒范圍內,ecap并無明顯減小趨勢,而隨粒徑的增大略有增大,其試驗結果更符合圖4.由圖4可見,ecap與lg(d/d0)呈雙曲線關系,可用式(7)表達.由式(4)、(5)、(7)可得emax與d的關系如式(8)所示.

emax-emin=0.23+0.06/D50

(6)

(7)

(8)

3 顆粒破碎特征

3.1 不同粒度粗粒的顆粒破碎

不同粒度粗粒的顆粒破碎情況與粒徑的關系如圖6、7所示.由圖6可見：各粒度粗粒在擊實后均有不同程度的破碎,其中1#粒度粗粒破碎量為5.7%,d從0.16mm逐漸增大到10mm時,各粒度粗粒破碎量在半對數坐標系上隨著粒徑的增大呈線性增加;顆粒粒徑對顆粒破碎影響很大,可能的原因是粒徑越大,在擊實作用下越容易產生應力集中,造成顆粒的破碎.與王新志等[8]發現南海鈣質砂在砂粒范圍內即d從0.075mm逐漸增大到2mm時,顆粒破碎量隨粒徑的增大而增加的結論一致.

圖6 各粒度粗粒顆粒破碎量Fig.6 Fragmentation content versus particle size of coarse particle

圖7 各粒度粗粒擊碎顆粒的粒徑分布Fig.7 Particle size distribution after soil compaction of coarse particle soil

由圖7可見,各粒度曲線斜率隨著粒徑減小均表現出不同程度的減小,說明本等級粒度粗粒被擊碎到更小等級粒度粗粒的趨勢隨著粒度的減小而逐漸減小.

各粒度粗粒在擊實過程中,粒徑較大的顆粒更容易被擊碎并填充于大顆粒的孔隙中,這也使得emin的測定結果偏小.隨著粒度的減小,粗粒顆粒破碎量逐漸減小,破碎顆粒的填充作用也逐漸減小.這與emin隨著d增大而逐漸減小的結論一致.

3.2 原料土顆粒破碎特征

原料土在不同擊實次數下的顆粒破碎特征如圖8所示.由圖8可見,原料土在擊實過程中同樣存在顆粒破碎現象,但隨著擊實次數的增加,單位擊實功引起的顆粒破碎量減少,擊實對原料土的顆粒破碎作用是有限的.

圖8 不同擊實次數粗粒的顆粒分布曲線Fig.8 Plot of particle size distribution in different compaction times of coarse particle

原料土在不同擊實次數下的不均勻系數Cu與曲率系數Cc如表2所示.由表2可見,隨著擊實次數的增加,Cc由0.71逐漸線性增大到1.03,Cu由5.65逐漸減小到4.10.說明增加擊實次數可以有效提高原料土的連續性,但原料土會逐漸趨于均勻化.土體在擊實過程中的應力集中現象逐漸減弱,這正解釋了隨著擊實次數的增加,單位擊實功引起的顆粒破碎量減少的現象.

表2 不同擊實次數時原料土級配參數

4 結論

(1)不同粒度石英砂粗粒的最小孔隙比emin隨著粒徑d的增大線性減小,emin與d的關系為emin=algd+b.

(4)原料土在擊實過程中存在顆粒破碎.不同粒度石英砂粗粒的顆粒破碎量隨粒徑的增大線性增大;擊實對原料土顆粒破碎作用是有限的,增加擊實次數可以有效提高原料土的連續性,但原料土會逐漸趨于均勻化.