不同圍壓條件下石英砂破碎特性研究

王從顏，付小敏，熊魂，陶永勝

（成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059）

1 引言

近年來隨著大型土石壩和工業(yè)與民用建筑建設(shè)的興起，粗粒料由于其壓實(shí)性能好、透水性強(qiáng)、抗剪強(qiáng)度高、沉陷變形小、承載力高等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于水利、港口、交通等巖土工程建設(shè)中。但粗粒料與砂土相比，在相對(duì)比較低的圍壓下就會(huì)出現(xiàn)顆粒破碎的現(xiàn)象［1]。加之大型建筑和高土石壩產(chǎn)生的高應(yīng)力，導(dǎo)致粗粒料發(fā)生顆粒破碎的現(xiàn)象相對(duì)較為嚴(yán)重。如對(duì)300 m高的堆石壩，豎向應(yīng)力可達(dá)到6 MPa以上，橫向應(yīng)力也可達(dá)到3 MPa以上［2]。在高應(yīng)力作用下，粗粒料的顆粒結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，尤其是粗粒料的棱角破碎現(xiàn)象將會(huì)很明顯。據(jù)統(tǒng)計(jì)在三峽工程建設(shè)中，填筑材料花崗巖風(fēng)化料破碎率有時(shí)可達(dá)20%［3].，土體顆粒的破碎會(huì)引起級(jí)配的改變，從而使其物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。破碎現(xiàn)象越嚴(yán)重，其物理力學(xué)性質(zhì)變化也會(huì)越大。初步研究結(jié)果［2]證實(shí)，顆粒破碎會(huì)使土體變形加大，抗剪強(qiáng)度降低。

沈珠江［4]指出，堆石料的剪縮性是影響面板堆石壩應(yīng)力的決定性因素，而堆石料的體積收縮主要是顆粒的棱角破碎所造成。因而，研究粗粒料的顆粒破碎具有重要的工程意義。

國內(nèi)一些學(xué)者對(duì)不同地區(qū)的石英砂和鈣質(zhì)砂進(jìn)行了一維的試驗(yàn)研究如：黃文競（2007）［4]對(duì)武漢石英砂進(jìn)行了一維的壓縮試驗(yàn)，研究壓縮應(yīng)力、應(yīng)變、顆粒級(jí)配以及孔隙比之間的變化。?？〉龋?008）［5]研究不同粒徑、不同級(jí)配的南京石英砂壓力與其關(guān)系，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)顆粒粒徑越大顆粒破碎程度也會(huì)增大，顆粒在其他條件一定時(shí)其顆粒級(jí)配越好則破碎越少。張季如等（2008）［6]通過一維壓縮試驗(yàn)研究了高壓應(yīng)力下武漢石英粗砂和細(xì)礫的顆粒破碎特性，基于分形模型和粒徑分布資料，研究顆粒的破碎分形。張家銘等（2009）［7]對(duì)南海鈣質(zhì)砂進(jìn)行一維的壓縮試驗(yàn)，對(duì)壓縮應(yīng)力、應(yīng)變、顆粒級(jí)配以及孔隙比之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。

但在大型堆石壩、碎石路基、鐵路道砟等工程中，石英砂作為地基材料，往往處于地下一定深度，此時(shí)石英砂顆粒處于三向受力的作用且承受相當(dāng)大的壓力，所以有很大必要開展高圍壓應(yīng)力下石英砂三軸試驗(yàn)研究。目前對(duì)石英砂的高應(yīng)力側(cè)限壓縮及直剪試驗(yàn)研究的比較多，而對(duì)高圍壓應(yīng)力下石英砂的顆粒破碎特性研究的比較少。

本文擬用級(jí)配、密實(shí)度均相同的粗粒石英砂進(jìn)行圍壓為5 MPa、10 MPa、20 MPa、30 MPa、40 MPa等5個(gè)壓力級(jí)別的三向等壓固結(jié)壓縮試驗(yàn)，研究不同圍壓條件下石英砂顆粒破碎特性試驗(yàn)，對(duì)固結(jié)后的石英砂進(jìn)行顆粒分篩分，利用級(jí)配曲線計(jì)算相對(duì)破碎率，并分析總結(jié)了相對(duì)破碎率和不均勻系數(shù)與圍壓應(yīng)力的關(guān)系，并求得不均勻系數(shù)與圍壓的相關(guān)關(guān)系式。

2 試驗(yàn)儀器與方法

2.1 試驗(yàn)儀器

等向壓縮試驗(yàn)采用成都理工大學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室MTS－815程控伺服剛性試驗(yàn)機(jī)，如圖1，軸向最大荷載3 000 k N，框架整體剛度5.0×109N／m，最大試驗(yàn)圍壓可達(dá)100 MPa，該試驗(yàn)機(jī)主要有主機(jī)、壓力室、軸向加載裝置、圍壓加載裝置、充液油源和計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)等組成。顆粒篩分試驗(yàn)設(shè)備為Mastersizer 2 000激光粒度分析儀，根據(jù)激光照射到顆粒后，顆粒能使激光產(chǎn)生衍射或散射的現(xiàn)象來測(cè)試粒度分布，其粒度測(cè)量范圍從0.02～2 000 μm。

圖1 MTS815程控伺服巖石剛性試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 MTS 815 rock mechanical test system

2.2 試驗(yàn)樣品

本次試驗(yàn)所用石英砂試樣中Si O2含量92.54%，表明礦物成分以石英為主，其顏色為乳白色、性脆無解理，貝殼狀斷口，油脂光澤，密度為2.65 g／cm3。

對(duì)石英砂進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，得到試驗(yàn)前石英砂粒徑分布如表1所示。

圖2 試驗(yàn)裝置及試樣示意圖Fig.2 Test apparatus

表1 粗粒石英砂初始級(jí)配Table 1 Initial grading of coarse quartz sand

2.3 試驗(yàn)方法

為了更好地研究粗粒石英砂的破碎特性，首先對(duì)天然粗粒石英砂進(jìn)行了烘干處理；將試件置于烘箱內(nèi)，在105℃～110℃溫度下烘烤24 h，取出放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫后備用。試驗(yàn)開始用真空泵抽出成模筒與橡膠模之間的空氣，使橡膠模緊貼成模筒內(nèi)壁。稱取經(jīng)烘干處理的石英砂125 g，并分五次均勻加入模具內(nèi)，然后卸下模具，制成規(guī)格為38 mm×76 mm的試樣；接上環(huán)向引伸計(jì)，安裝試樣如圖2所示，固定好圍壓腔。安裝好壓力室，注入液壓油，通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)定圍壓目標(biāo)值，以1 MPa／s的速度加載到目標(biāo)值后，穩(wěn)定圍壓直至環(huán)向位移穩(wěn)定后，然后以2 MPa／s的速度將圍壓卸除。試驗(yàn)過程中軸向應(yīng)力和圍壓通過壓力傳感器測(cè)定，而試樣變形通過軸向和環(huán)向位移傳感器測(cè)定，傳感器信號(hào)通過數(shù)字采集模塊由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集。固結(jié)壓縮試驗(yàn)結(jié)束后，將試樣烘干，進(jìn)行顆粒篩分試驗(yàn)，并繪制其粒徑分布與級(jí)配曲線。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 顆粒級(jí)配分析

顆粒破碎是一個(gè)與粒徑、級(jí)配、顆粒形狀、孔隙比和顆粒硬度等有關(guān)的復(fù)雜過程，顆粒破碎最明顯的表現(xiàn)就是壓縮前后試樣級(jí)配曲線的變化。對(duì)常規(guī)三軸試驗(yàn)試驗(yàn)前后粗粒料顆粒分布曲線變化情況的分析表明，粗粒料顆粒在加載過程中發(fā)生了破碎，粒徑發(fā)生了明顯變化。圖3為各圍壓條件下小于某粒徑的顆粒所占體積百分比的變化情況。

圖3 不同圍壓條件下小于某粒徑所占體積百分比的變化情況Fig.3 Changes，under different confining pressures，in volu me percentage of grains less than a certain size

通過不同圍壓應(yīng)力下，小于某粒徑石英砂顆粒所占體積百分比的變化曲線，可以得知隨著固結(jié)壓力的增加，小于某粒徑的顆粒所占的百分比是逐漸增加的；固結(jié)壓力在5 MPa時(shí)顆粒破碎較少，當(dāng)固結(jié)壓力達(dá)到10 MPa時(shí)，顆粒破碎明顯增多；而20 MPa和30 MPa時(shí)，小于某粒徑顆粒所占百分比沒有明顯區(qū)別，固結(jié)壓力從20 MPa到30 MPa時(shí)顆粒又出現(xiàn)較多的破碎，當(dāng)固結(jié)壓力從30 MPa到40 MPa時(shí)，顆粒破碎相對(duì)趨于穩(wěn)定；從圖中還可以得知，隨著固結(jié)壓力的增加，小于某粒徑顆粒所占百分比也逐漸增加，當(dāng)破碎達(dá)到一定程度后，試樣達(dá)到最佳級(jí)配，圍壓對(duì)其影響逐漸減弱。

3.2 顆粒破碎的度量

目前，顆粒破碎的度量主要有兩類方法，其一是利用單位體積顆粒在破碎前后的表面積變化作為破碎的量化尺度，以表面積的增量來衡量顆粒破碎的程度及顆粒破碎量。因測(cè)量顆粒表面積較困難，故此方法應(yīng)用較少；另一種方法是通過顆粒破碎前后顆粒級(jí)配曲線的變化定義顆粒破碎的程度。本文采用第二鐘方法來研究石英砂顆粒破碎的程度。

Hardin（1985）［9]定義了破碎潛能 Bp0（初始顆粒級(jí)配曲線與粉土最大粒徑線0.074 mm之間的面積）和總破碎量Bt（初始顆粒級(jí)配曲線與試驗(yàn)后顆粒級(jí)配曲線之間的面積）進(jìn)而提出了相對(duì)破碎的概念Br。其中Hardin假設(shè)顆粒粒徑0.074 mm以上都有破碎的可能，同時(shí)假設(shè)小于此粒徑就不再破碎，從而提出了顆粒粒徑大于0.074 mm破碎潛能Bp的表達(dá)式：

式中，D為顆粒的直徑，當(dāng)D ＜0.074 mm時(shí)，Bp＝0。

對(duì)于整個(gè)試樣的破碎Bp為：

式中，df為bp相應(yīng)粒徑的篩分通過率，以微分表示。

試驗(yàn)前后的整體破碎勢(shì)之差為總破碎率Bt，即：

式中，bp0為試驗(yàn)前的bp；bpl為試驗(yàn)后的bp。

總破碎Bt與初始破碎勢(shì)Bp0之比即為相對(duì)破碎Br：

由于極限顆粒破碎的存在，Br的數(shù)值隨著破碎的增加從0變化到一個(gè)小于1的數(shù)。Hardin提出的顆粒破碎很好的克服了以單個(gè)粒徑描述顆粒破碎的整體情況，而是通過整個(gè)顆粒級(jí)配曲線描述顆粒破碎。通過試驗(yàn)證明本次試驗(yàn)的粗粒石英砂在圍壓作用下破碎所達(dá)到的最小粒徑已經(jīng)遠(yuǎn)小于粉土最大粒徑（0.074 mm）。所以本次試驗(yàn)取破碎潛能Bp0，取初始顆粒級(jí)配曲線與0.02μm粒徑線之間的面積，其它物理量與Hardin提出的概念保持一致，以有效粒徑D10的變化來表示顆粒破碎的程度。同時(shí)通過不均勻系數(shù)CU（CU＝d60／d10）和曲率系數(shù)Cc（CC＝d230／d60d10）兩個(gè)土工物理量來比較分析石英砂顆粒破碎級(jí)配曲線的特性。

根據(jù)圖3所示的級(jí)配曲線，通過計(jì)算得到不同固結(jié)壓力下石英砂的物理量參數(shù)如表2所示，并繪制關(guān)系曲線如圖4、圖5所示。從中可以得知隨著圍壓的增加，顆粒相對(duì)破碎率Br和曲率系數(shù)Cc呈增加的趨勢(shì)，當(dāng)超過一定壓力時(shí)，兩者趨向于穩(wěn)定；不均勻系數(shù)Cu則隨著圍壓的增大呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，根據(jù)顆粒級(jí)配優(yōu)良的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)同時(shí)滿足Cu≥5，Cc＝1～3時(shí)，土的級(jí)配良好，否則，級(jí)配不良，可知隨著圍壓的增加，顆粒級(jí)配由較差向良好方向發(fā)展。

圖4 顆粒相對(duì)破碎率、破碎指數(shù)與圍壓的關(guān)系圖Fig.4 Relationship between the rate and coefficient of grain cr ushing and confining pressures

表2 不同固結(jié)壓力下顆粒的級(jí)配組成物理量Table 2 Graded physical composition of grains under different consolidation pressures

圖5 不均勻系數(shù)與圍壓的關(guān)系圖Fig.5 Relationship between confining pressures and non－unifor mity coefficient

4 結(jié)論

（1）隨著固結(jié)壓力的增加，小于某粒徑的顆粒所占的百分比是逐漸增加的；固結(jié)壓力在5 MPa時(shí)顆粒破碎較少，當(dāng)固結(jié)壓力達(dá)到10 MPa時(shí)，顆粒破碎明顯增多；而20 MPa和30 MPa時(shí)，小于某粒徑顆粒所占百分比沒有明顯區(qū)別，固結(jié)壓力從20 MPa到30 MPa時(shí)顆粒又出現(xiàn)較多的破碎，當(dāng)固結(jié)壓力從30 MPa到40 MPa時(shí)，顆粒破碎相對(duì)趨于穩(wěn)定。從圖中還可以得知，隨著固結(jié)壓力的增加，當(dāng)破碎達(dá)到一定程度后，顆粒級(jí)配趨于良好，圍壓對(duì)其影響逐漸減弱。

（2）隨著圍壓的增加，顆粒相對(duì)破碎率Br和曲率系數(shù)Cc呈增加的趨勢(shì)，當(dāng)超過一定壓力時(shí)，兩者趨向于穩(wěn)定；而不均勻系數(shù)Cu則隨著圍壓的增大呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。顆粒級(jí)配由較差向良好方向發(fā)展。

本文通過對(duì)不同圍壓應(yīng)力下石英砂的固結(jié)壓縮試驗(yàn)，研究了高壓應(yīng)力下石英砂的顆粒破碎情況，由于本次試驗(yàn)前對(duì)石英砂顆粒進(jìn)行了烘干處理，未考慮含水率對(duì)顆粒破碎的影響，而施工過程中，石英砂顆粒大都處于不同含水率情況下，故以后研究工作中還需考慮含水率這個(gè)因素。目前關(guān)于粗粒料顆粒破碎的研究仍然有限，有待于進(jìn)一步積累試驗(yàn)成果和進(jìn)行深入的理論研究，以應(yīng)用指導(dǎo)于工程實(shí)踐。

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