鈣質(zhì)砂顆粒破碎的研究進(jìn)展

楊超

（1. 五邑大學(xué)土木建筑學(xué)院，廣東江門529020；2. 湖南科技大學(xué)頁巖氣資源利用湖南省 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測(cè)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭411201）

我國(guó)南海擁有豐富的海洋資源，亦是我國(guó)“一帶一路”戰(zhàn)略的重要組成部分. 目前，我國(guó)正在南海開展大規(guī)模的島礁工程建設(shè)，島礁巖土工程問題正受到廣泛的關(guān)注. Blackwelder 等人先后對(duì)顆粒材料開展一維高壓壓縮試驗(yàn)，以研究該材料的顆粒破碎特性，結(jié)果表明，壓力高達(dá)8.5 MPa 時(shí)其破碎量依然較小[1]. 經(jīng)典土力學(xué)認(rèn)為土顆粒不可壓縮，土體發(fā)生的變形是由孔隙的壓縮產(chǎn)生的. 因此，土體顆粒破碎這一現(xiàn)象在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)并未引起人們注意[2]. 然而，鈣質(zhì)砂是一種具有多孔隙、形狀不規(guī)則、易破碎、顆粒易膠結(jié)等特殊性質(zhì)的材料[3-6]，其常在較低壓力下發(fā)生顆粒破碎現(xiàn)象[3]. 在島礁填筑、地基處理、基礎(chǔ)施工[7-9]等工程建設(shè)中不可避免地會(huì)遇到顆粒破碎的問題，顆粒破碎將引起材料的級(jí)配重新組合，材料的物理性質(zhì)與力學(xué)性質(zhì)發(fā)生較大變化[10-12]，進(jìn)而使其壓縮性增大、強(qiáng)度軟化，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)或破壞[13]. 顆粒破碎使鈣質(zhì)砂剪脹性減小、體積收縮應(yīng)變?cè)龃?、峰值?qiáng)度降低[14]. 為滿足南海島礁大規(guī)模工程建設(shè)的要求，需要全面、深入地研究顆粒破碎對(duì)鈣質(zhì)砂力學(xué)性質(zhì)的影響，以便正確評(píng)價(jià)鈣質(zhì)砂地層的工程性質(zhì)，解決施工、運(yùn)營(yíng)中可能出現(xiàn)的工程地質(zhì)問題. 因此，有必要對(duì)鈣質(zhì)砂顆粒破碎的研究方法與進(jìn)展進(jìn)行歸納總結(jié)，以期指導(dǎo)鈣質(zhì)砂顆粒破碎的研究工作.

1 鈣質(zhì)砂顆粒破碎的影響因素

影響土體顆粒破碎的因素很多，既有土體顆粒本身的物理力學(xué)性質(zhì)，如土體顆粒的地質(zhì)成因、礦物成分、微觀結(jié)構(gòu)、尺寸、形狀、表面粗糙程度等；也有其他的外在因素，如顆粒級(jí)配、中間粒徑、孔隙比、相對(duì)密度、應(yīng)力水平、應(yīng)力路徑、含水量、加載時(shí)間等因素[2]. 對(duì)于鈣質(zhì)砂顆粒破碎的研究主要集中在礦物成分、顆粒形狀、孔隙、粒徑、級(jí)配、圍壓、應(yīng)力水平等方面.

礦物成分對(duì)土體顆粒破碎的影響主要表現(xiàn)在其摩氏硬度上. 石英砂摩氏硬度為 7，在圍壓達(dá)到2 MPa 時(shí)石英砂才發(fā)生明顯的顆粒破碎[15]. 而鈣質(zhì)砂的礦物成分主要為方解石和文石，方解石摩氏硬度為2.5 ～3，文石摩氏硬度為3.5 ～4，因此，鈣質(zhì)砂在普通的圍壓下就發(fā)生了顆粒破碎現(xiàn)象[6,16].

鈣質(zhì)砂多為生物成因，顆粒性質(zhì)受原生生物骨架的影響，其主要成分為珊瑚、貝殼、珊瑚藻、有孔蟲等碎屑[6]. 在鈣質(zhì)砂沉積過程中保留了原生生物骨架中的細(xì)小孔隙，形成了多孔隙(含有內(nèi)孔隙)[17-18]、形狀不規(guī)則的特點(diǎn)，鈣質(zhì)砂的典型顆粒形狀如圖1 所示[19]. 顆粒間以點(diǎn)-邊接觸和邊-邊接觸為主，點(diǎn)-邊接觸處易出現(xiàn)較高應(yīng)力而導(dǎo)致棱角發(fā)生斷裂、破碎. 鈣質(zhì)砂顆粒強(qiáng)度隨粒徑的增加而逐漸降低[20]，一般認(rèn)為，大顆粒里含有更多缺陷和裂隙，更易于破裂[21]，破碎后的小顆粒所含缺陷會(huì)越來越少，其被破壞程度也越低. 鈣質(zhì)砂等向壓縮試驗(yàn)中，1 ～2 mm 粒徑的顆粒在壓縮前后含量變化不大，0.1 ～0.25 mm 粒徑的顆粒含量變化較大[20]. 三軸排水剪切試驗(yàn)中，2 ～5 mm 粒徑的鈣質(zhì)砂試樣顆粒破碎程度最為嚴(yán)重；而0.075 ～0.25 mm 粒徑的試樣，除了粉粒增加約6.7%以外，級(jí)配基本無變化[10]；級(jí)配不良的鈣質(zhì)砂比級(jí)配良好的鈣質(zhì)砂更易發(fā)生顆粒破碎現(xiàn)象.

鈣質(zhì)砂受到壓縮時(shí)就會(huì)發(fā)生顆粒破碎，顆粒破碎隨壓力升高而加?。患羟凶饔孟骡}質(zhì)砂的破碎量隨著剪切應(yīng)變的增加而增大，但不會(huì)持續(xù)增大，破碎量達(dá)到一定程度時(shí)顆粒破碎現(xiàn)象將停止[10]. 總體而言，剪應(yīng)力作用下其顆粒破碎程度比等向壓縮大.

圖1 鈣質(zhì)砂顆粒典型形狀

2 鈣質(zhì)砂顆粒破碎的研究方法

2.1 顆粒破碎的度量方法

對(duì)于鈣質(zhì)砂顆粒破碎的度量方法研究成果較為單一，主要采用顆分曲線為分析手段. 除此之外，僅文獻(xiàn)[22-23]從能量方面解釋了鈣質(zhì)砂顆粒破碎現(xiàn)象，即采用Hardin 提出的破碎度量理論，分析鈣質(zhì)砂顆粒破碎機(jī)理，提出了顆粒破碎下剪脹耦合作用的破碎功表達(dá)式，并在試驗(yàn)中證明了相對(duì)破碎Br與軸向應(yīng)變X1、塑性功WP、破碎功WB之間的關(guān)系，建立了鈣質(zhì)砂顆粒破碎評(píng)價(jià)指標(biāo)與能量公式；以相對(duì)破碎量作為鈣質(zhì)砂顆粒破碎的評(píng)價(jià)指標(biāo).

2.2 理論研究

鈣質(zhì)砂顆粒破碎的理論研究常以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，引入損傷力學(xué)、彈塑性力學(xué)、概率統(tǒng)計(jì)、能量觀點(diǎn)等理論，建立了彈性損傷模型[24-25]、邊界面塑性模型[26]、彈性損傷統(tǒng)計(jì)本構(gòu)模型[27]、損傷邊界面模型[28]和彈塑性增量本構(gòu)模型[29]等，以此解釋低應(yīng)力水平下，鈣質(zhì)砂顆粒在微觀上存在的顆粒破碎與滑移兩種機(jī)制的耦合作用，和成樁時(shí)顆粒破碎使接觸面的法向剛度急劇降低導(dǎo)致樁側(cè)阻力低的特殊性質(zhì)，以及鈣質(zhì)砂與結(jié)構(gòu)接觸面的彈塑性增量本構(gòu)關(guān)系等.

2.3 室內(nèi)試驗(yàn)研究

鈣質(zhì)砂的物理力學(xué)性質(zhì)是工程技術(shù)人員重點(diǎn)關(guān)注的問題之一. 然而，鈣質(zhì)砂顆粒在較低壓力下就會(huì)發(fā)生破碎，從而導(dǎo)致級(jí)配發(fā)生巨大變化，其結(jié)果是使鈣質(zhì)砂級(jí)配得到了改良和優(yōu)化；此時(shí)的測(cè)試結(jié)果不能代表原始級(jí)配下鈣質(zhì)砂的物理力學(xué)性質(zhì)和設(shè)計(jì)指標(biāo)，最終可能因?yàn)槭褂昧隋e(cuò)誤的鈣質(zhì)砂地層設(shè)計(jì)指標(biāo)而影響工程的安全. 學(xué)者們分別從不同的應(yīng)力條件和試驗(yàn)條件等方面開展了鈣質(zhì)砂顆粒破碎試驗(yàn)，研究了不同應(yīng)力環(huán)境[10,14,30-46]、排水條件[10]、粒徑[10]、顆粒形狀[10]、加載方式[10,14,30-46]下鈣質(zhì)砂的力學(xué)性質(zhì)與顆粒破碎現(xiàn)象，并嘗試建立考慮顆粒破碎的鈣質(zhì)砂力學(xué)模型. 此外，呂海波等[47]利用電鏡掃描和汞壓儀對(duì)鈣質(zhì)砂進(jìn)行了細(xì)觀試驗(yàn)，對(duì)鈣質(zhì)砂細(xì)觀形態(tài)和宏觀力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析，并指出在低應(yīng)力水平下鈣質(zhì)砂就會(huì)發(fā)生明顯的體積縮小，主要是顆粒破碎造成的；顆粒形狀不規(guī)則以及內(nèi)孔隙發(fā)育是鈣質(zhì)砂容易產(chǎn)生破碎的重要原因. 對(duì)單個(gè)鈣質(zhì)砂的顆粒強(qiáng)度與破碎特征也進(jìn)行了相關(guān)研究，并取得了一些成果[19,48-49]，結(jié)果表明鈣質(zhì)砂顆粒強(qiáng)度符合weibull 分布特征.

2.4 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬能全面反饋顆粒破碎的演化過程和力學(xué)機(jī)制，獲得地基中破碎帶的發(fā)展過程. 張家銘等[7]基于二維離散單元法，對(duì)沉樁過程中鈣質(zhì)砂顆粒的破碎情況進(jìn)行了模擬，研究了不同樁型的沉樁過程、樁周土體的力學(xué)響應(yīng)和沉樁過程中鈣質(zhì)砂的顆粒破碎現(xiàn)象.

2.5 模型試驗(yàn)研究

鈣質(zhì)砂場(chǎng)地由于顆粒破碎引起的工程事故被人們廣泛關(guān)注，且該研究主要以室內(nèi)模型試驗(yàn)為主. 江浩等[50-51]利用室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了鈣質(zhì)砂中單樁、群樁的承載與變形性能以及其影響因素. 徐學(xué)勇等[52]測(cè)試不同參數(shù)作用時(shí)鈣質(zhì)砂爆炸前后的聲波特性和表面沉降規(guī)律，研究了飽和鈣質(zhì)砂爆炸的密實(shí)動(dòng)力特性. 秦月等[53]根據(jù)實(shí)際工程中單樁受力特點(diǎn)，對(duì)足尺樁基進(jìn)行等比例縮尺，開展室內(nèi)小尺寸模型單樁的豎向拉拔、水平推移和豎向壓載試驗(yàn). 以上研究表明，鈣質(zhì)砂地基中顆粒破碎和重分布引起的樁周水平有效應(yīng)力的大幅降低導(dǎo)致了樁側(cè)摩阻力衰減；同時(shí)，鈣質(zhì)砂的高孔隙比和顆粒破碎特性對(duì)爆炸密實(shí)效果有重要影響.

3 鈣質(zhì)砂顆粒破碎研究存在的問題

3.1 鈣質(zhì)砂顆粒破碎影響因素的描述

目前關(guān)于鈣質(zhì)砂顆粒破碎的研究主要集中于顆粒破碎現(xiàn)象以及其影響因素，而顆粒破碎對(duì)鈣質(zhì)砂物理力學(xué)性質(zhì)的影響機(jī)制等方面的研究仍不夠深入，對(duì)鈣質(zhì)砂破碎機(jī)理的認(rèn)識(shí)仍處于定性描述階段，各因素的影響模式仍需通過大量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步研究，且如何定量描述顆粒破碎對(duì)鈣質(zhì)砂工程特性的影響仍然是鈣質(zhì)砂顆粒破碎研究成果在工程應(yīng)用中面臨的一道難題.

3.2 鈣質(zhì)砂顆粒破碎的研究方法

鈣質(zhì)砂顆粒破碎的理論方面的研究主要從能量、統(tǒng)計(jì)學(xué)、損傷力學(xué)以及彈塑性力學(xué)等方面描述了鈣質(zhì)砂的顆粒破碎特性，建立了本構(gòu)模型. 既有成果主要從宏觀方面研究了顆粒破碎對(duì)鈣質(zhì)砂力學(xué)性質(zhì)的影響，尚未從微觀角度分析鈣質(zhì)砂的微觀變形機(jī)制以及顆粒破碎的發(fā)生機(jī)理.

鈣質(zhì)砂顆粒破碎的度量方法有的以顆分曲線為基礎(chǔ)，該方法操作容易，但難以應(yīng)用到實(shí)際工程；也有的從能量觀點(diǎn)出發(fā)，采用相對(duì)破碎Br度量鈣質(zhì)砂顆粒的破碎程度，但顆粒破碎產(chǎn)生的破碎功和塑性功測(cè)量困難. 目前，鈣質(zhì)砂顆粒破碎試驗(yàn)主要有一維壓縮試驗(yàn)、三軸剪切試驗(yàn)和室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)等，測(cè)試分析方法主要以力學(xué)性質(zhì)分析結(jié)合試驗(yàn)前后的顆粒分析為主，尚未考慮加載時(shí)間對(duì)鈣質(zhì)砂顆粒破碎的影響，缺乏鈣質(zhì)砂顆粒破碎的動(dòng)態(tài)觀測(cè)，亦缺乏動(dòng)荷載作用下鈣質(zhì)砂顆粒破碎機(jī)理的相關(guān)研究.

3.3 鈣質(zhì)砂的物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試方法

鈣質(zhì)砂顆粒的破碎機(jī)制不僅與顆粒自身屬性有關(guān)，還與其所處的環(huán)境密切相關(guān). 鈣質(zhì)砂顆粒間的接觸特征、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡都會(huì)造成土顆粒不同部位、不同程度發(fā)生破碎；同時(shí)，鈣質(zhì)砂顆粒的應(yīng)力環(huán)境、干濕程度同樣會(huì)影響其破碎特征. 工程建設(shè)需要準(zhǔn)確獲取地基的物理力學(xué)性質(zhì)來指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工和保證工程質(zhì)量，目前尚未有專門針對(duì)易破碎的巖土材料的物理力學(xué)性質(zhì)的測(cè)試方法，現(xiàn)有工程仍主要以傳統(tǒng)試驗(yàn)規(guī)程作為參考來測(cè)試鈣質(zhì)砂的物理力學(xué)性質(zhì)；因此，在進(jìn)行鈣質(zhì)砂這類易碎巖土材料的物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試時(shí)，勢(shì)必會(huì)引起顆粒破碎而影響測(cè)試結(jié)果的可靠性，以此參數(shù)來開展工程設(shè)計(jì)存在較大風(fēng)險(xiǎn). 在進(jìn)行土的物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試時(shí)，顆粒間的接觸方式、測(cè)試環(huán)境都是復(fù)雜多變的，如，相對(duì)密實(shí)度試驗(yàn)需測(cè)試土的最大干密度和最小干密度. 最大干密度采用最小孔隙比來測(cè)試，測(cè)試在振動(dòng)金屬容器側(cè)壁的同時(shí)還要分層錘擊；最小干密度采用最大孔隙比來測(cè)試，量筒法測(cè)試最大孔隙比時(shí)需將量筒反復(fù)幾次倒轉(zhuǎn)，并緩慢回到原來位置，在倒轉(zhuǎn)過程中顆粒在量筒內(nèi)翻滾并相互摩擦、撞擊. 無論是外部荷載的錘擊還是顆粒的翻滾都會(huì)造成鈣質(zhì)砂顆粒不同程度的破碎. 因而，測(cè)試結(jié)果并不能代表原始狀態(tài)下鈣質(zhì)砂的物理性質(zhì). 由于對(duì)鈣質(zhì)砂顆粒破碎認(rèn)識(shí)不清，仍采用傳統(tǒng)方式進(jìn)行鈣質(zhì)砂地層工程建設(shè)而引起的工程事故已給人們帶來了慘痛的教訓(xùn).

3.4 鈣質(zhì)砂顆粒破碎的工程影響研究

鈣質(zhì)砂顆粒破碎的工程影響研究較少，主要以數(shù)值模擬和室內(nèi)模型試驗(yàn)為主. 這些研究主要從鈣質(zhì)砂地基的工程性質(zhì)入手，且偏重于工程現(xiàn)象的解釋，并未深入研究鈣質(zhì)砂地層顆粒破碎的影響機(jī)制. 對(duì)工程施工、爆破等過程中鈣質(zhì)砂的顆粒破碎現(xiàn)象有一定研究，但還不夠深入，研究成果較少，其機(jī)理仍不明晰，難以應(yīng)用于實(shí)際工程.

4 結(jié)語

20 多來年對(duì)鈣質(zhì)砂顆粒破碎的研究取得了豐碩成果，但相關(guān)成果仍不能滿足工程建設(shè)的需要. 鈣質(zhì)砂的特殊力學(xué)性質(zhì)主要源于顆粒破碎，這是有別于陸源砂的一個(gè)重要特征. 當(dāng)前我國(guó)在開展大規(guī)模的南海島礁工程建設(shè)，厘定鈣質(zhì)砂顆粒破碎機(jī)制，正確評(píng)價(jià)鈣質(zhì)砂地層的工程性質(zhì)，解決施工、運(yùn)營(yíng)中可能出現(xiàn)的工程地質(zhì)問題，對(duì)南海島礁工程建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義. 筆者認(rèn)為今后鈣質(zhì)砂顆粒破碎的研究可從以下幾個(gè)方面著手：

1）分析各因素的影響形式，量化描述顆粒破碎對(duì)鈣質(zhì)砂工程特性的影響；

2）完善鈣質(zhì)砂顆粒破碎的度量方法；

3）考慮加載時(shí)間的影響，對(duì)鈣質(zhì)砂顆粒破碎進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)；

4）顆粒破碎微觀發(fā)生機(jī)制及其力學(xué)模型；

5）動(dòng)荷載作用下鈣質(zhì)砂顆粒破碎機(jī)理；

6）鈣質(zhì)砂室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試方法；

7）施工荷載作用下鈣質(zhì)砂顆粒破碎機(jī)理以及對(duì)工程性質(zhì)的影響.