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(jìn)翔, 高玉峰

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

粗粒土越密實(shí)，強(qiáng)度越高、壓縮性越小、滲透性越低，工程性能越好.文獻(xiàn)[1-2]對(duì)于地基和填土的評(píng)價(jià)具有極高的指導(dǎo)價(jià)值，至今仍是最主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)[3-4].工程中常采用擊實(shí)方法來(lái)提高粗粒土密實(shí)度，而擊實(shí)過(guò)程會(huì)導(dǎo)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(duì)密實(shí)度的關(guān)鍵參數(shù)，測(cè)定最大孔隙比的方法有量筒倒轉(zhuǎn)法、漏斗法及松砂器法，測(cè)定最小孔隙比的方法有錘擊法和振動(dòng)法[5].對(duì)于砂土，量筒倒轉(zhuǎn)法的測(cè)定結(jié)果普遍優(yōu)于漏斗法及松砂器法[5-6]，其最大孔隙比隨細(xì)粒摻量的增大而減小[7].當(dāng)黏粒摻量不大于30%時(shí)，最小孔隙比隨細(xì)粒摻量的增大而減小[6].細(xì)粒摻量對(duì)極限孔隙比的影響機(jī)制相同[8-11].顆粒形狀也會(huì)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(jí)配對(duì)壓實(shí)的影響機(jī)制為不同粒徑顆粒的相互填充效應(yīng)、顆粒的懸浮效應(yīng)和小顆粒的虛填效應(yīng)[13].顆粒破碎方面，研究發(fā)現(xiàn)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(huì)從初始分布逐漸趨向自相似的分形分布[15-16].對(duì)顆粒破碎的定量分析以Hardin相對(duì)破碎率為主，砂土多發(fā)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(duì)極限孔隙比及顆粒破碎的影響，對(duì)于土體壓實(shí)及土顆粒破碎有著重要的意義.

本文采用量筒倒轉(zhuǎn)法、振動(dòng)錘擊法測(cè)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(guān)系，研究了粗粒的破碎特征.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)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(chǎng)處(北緯N28°41′9.59″,東經(jīng)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(duì)密度；d60、d30和d10分別表示小于該粒徑的土顆粒質(zhì)量占土顆?？傎|(zhì)量的60%、30%及10%；Cu、Cc分別表示土的不均勻系數(shù)及曲率系數(shù).

表1 原料土的基本性質(zhì)

1.1.2不同粒度粗粒

將原料土瀝水風(fēng)干,然后進(jìn)行篩分.各粒度粗粒均準(zhǔn)備4kg,編號(hào)分別為1#～7#,如圖1所示.將各粒度粗粒分為2等份,進(jìn)行平行試驗(yàn).

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(yàn)

1.2.1最大孔隙比

采用量筒倒轉(zhuǎn)法測(cè)定粗粒的最小干密度ρdmin,其中量筒容積為1000mL.利用式(2)計(jì)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(nèi)錘擊法測(cè)定各粒度粗粒的最大干密度ρdmax,利用式(3)計(jì)算各粒度粗粒最小孔隙比emin.錘擊工具選用JDM-2型電動(dòng)相對(duì)密實(shí)度儀,金屬圓筒體積為250mL,內(nèi)徑為5cm,長(zhǎng)度為12.7cm,錘體質(zhì)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(jìn)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?yōu)橹?

emin=(Gsρ/ρdmax)-1

(3)

1.3 顆粒破碎試驗(yàn)

1.3.1不同粒度粗粒的顆粒破碎試驗(yàn)

將最大干密度試驗(yàn)擊實(shí)后的各粒度粗粒進(jìn)行顆粒分析,獲得各粒度粗粒擊實(shí)后的粒度構(gòu)成,分析各粒度粗粒在擊實(shí)過(guò)程中的顆粒破碎特征.

1.3.2原料土的顆粒破碎試驗(yàn)

取4份原料土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn),擊實(shí)次數(shù)分別為96、192、288、384次,對(duì)擊實(shí)后的土樣進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn),分別測(cè)定各試驗(yàn)組的粒度構(gòu)成,分析原料土在不同擊實(shí)次數(shù)下的顆粒破碎特征.

會(huì)上，農(nóng)藥領(lǐng)域?qū)＜摇W(xué)者結(jié)合當(dāng)前我國(guó)農(nóng)藥行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和國(guó)家相關(guān)政策，深度探討并剖析了目前我國(guó)農(nóng)藥行業(yè)發(fā)展中存在的問(wèn)題。大家紛紛表示，我國(guó)農(nóng)藥行業(yè)發(fā)展將朝著生態(tài)、高效、低毒、低殘留的綠色新型農(nóng)藥方向轉(zhuǎn)變，并逐步實(shí)現(xiàn)在傳承中創(chuàng)新，在創(chuàng)新中超越。

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(guān)系如圖2所示.由圖2可見(jiàn)：emax與d在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系上呈非線性關(guān)系,它隨粒徑的增大先快速減小后緩慢增大,存在1個(gè)最小值;在砂粒范圍內(nèi),即d從0.075mm逐漸增大到2mm時(shí),emax逐漸減小,與李珊珊等[6]的結(jié)論一致;當(dāng)d從2mm逐漸增大到10mm時(shí),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(dǎo)的emax=0.90986[7],原因在于實(shí)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(guān)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(guān)系如圖3所示.由圖3可見(jiàn),emin與d在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系上呈線性關(guān)系,它隨著粒徑的增大而逐漸減小.由此可得emin與d的關(guān)系如式(4)所示.

圖3 各粒度粗粒emin與d的關(guān)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(gè)對(duì)數(shù)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(shí),emin的值.這與王新志等[8]發(fā)現(xiàn)的當(dāng)d從0.5mm逐漸增加到5mm時(shí),鈣質(zhì)砂ρdmax逐漸增大結(jié)論一致.

2.3 壓實(shí)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(duì)不同粒度粗粒這一特性,提出壓實(shí)容量ecap,如式(5)所示.ecap越小,表明粗粒的可壓實(shí)性越小,反映出粗粒的壓實(shí)性能.

ecap=emax-emin

(5)

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

圖4 粗粒ecap與d的關(guān)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(guān)系曲線Fig.5 Curves of compaction capacity versus the mean particle size of different material(Ref.[7])

由圖5可見(jiàn),當(dāng)d從0.075mm逐漸增大到0.8mm 時(shí),ecap逐漸減小,與Cubrinovski[7]發(fā)現(xiàn)的不同細(xì)粒含量砂土ecap隨D50的增大而增大的結(jié)論一致.當(dāng)d從0.8mm逐漸增大到10mm時(shí),ecap逐漸增大.Cubrinovski認(rèn)為在礫粒范圍內(nèi),即d從2mm 逐漸增大到10mm時(shí),ecap會(huì)隨著d的增大而逐漸減小,并擬合其關(guān)系如式(6)所示.在礫粒范圍內(nèi),ecap并無(wú)明顯減小趨勢(shì),而隨粒徑的增大略有增大,其試驗(yàn)結(jié)果更符合圖4.由圖4可見(jiàn),ecap與lg(d/d0)呈雙曲線關(guān)系,可用式(7)表達(dá).由式(4)、(5)、(7)可得emax與d的關(guān)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(guān)系如圖6、7所示.由圖6可見(jiàn)：各粒度粗粒在擊實(shí)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(shí),各粒度粗粒破碎量在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系上隨著粒徑的增大呈線性增加;顆粒粒徑對(duì)顆粒破碎影響很大,可能的原因是粒徑越大,在擊實(shí)作用下越容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,造成顆粒的破碎.與王新志等[8]發(fā)現(xiàn)南海鈣質(zhì)砂在砂粒范圍內(nèi)即d從0.075mm逐漸增大到2mm時(shí),顆粒破碎量隨粒徑的增大而增加的結(jié)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(jiàn),各粒度曲線斜率隨著粒徑減小均表現(xiàn)出不同程度的減小,說(shuō)明本等級(jí)粒度粗粒被擊碎到更小等級(jí)粒度粗粒的趨勢(shì)隨著粒度的減小而逐漸減小.

各粒度粗粒在擊實(shí)過(guò)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(cè)定結(jié)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(jié)論一致.

3.2 原料土顆粒破碎特征

原料土在不同擊實(shí)次數(shù)下的顆粒破碎特征如圖8所示.由圖8可見(jiàn),原料土在擊實(shí)過(guò)程中同樣存在顆粒破碎現(xiàn)象,但隨著擊實(shí)次數(shù)的增加,單位擊實(shí)功引起的顆粒破碎量減少,擊實(shí)對(duì)原料土的顆粒破碎作用是有限的.

圖8 不同擊實(shí)次數(shù)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(shí)次數(shù)下的不均勻系數(shù)Cu與曲率系數(shù)Cc如表2所示.由表2可見(jiàn),隨著擊實(shí)次數(shù)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(shuō)明增加擊實(shí)次數(shù)可以有效提高原料土的連續(xù)性,但原料土?xí)饾u趨于均勻化.土體在擊實(shí)過(guò)程中的應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸減弱,這正解釋了隨著擊實(shí)次數(shù)的增加,單位擊實(shí)功引起的顆粒破碎量減少的現(xiàn)象.

表2 不同擊實(shí)次數(shù)時(shí)原料土級(jí)配參數(shù)

4 結(jié)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(guān)系為emin=algd+b.

(4)原料土在擊實(shí)過(guò)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(shí)對(duì)原料土顆粒破碎作用是有限的,增加擊實(shí)次數(shù)可以有效提高原料土的連續(xù)性,但原料土?xí)饾u趨于均勻化.