間斷級(jí)配吹填珊瑚砂剪切和顆粒破碎特性

徐剛敏,吳楊,吳毅航,黃義正,曾潤(rùn),廖靜容,李能

（廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣州 510006）

鈣質(zhì)沉積物廣泛分布在熱帶和亞熱帶區(qū)域并覆蓋了約40%的海域[1]。鈣質(zhì)沉積物有多種生物起源，主要由珊瑚礁或其他殼類生物的骨骼沉積而成，而珊瑚砂就是其最常見(jiàn)的表現(xiàn)形式。19 世紀(jì)以來(lái)，由于缺乏對(duì)珊瑚砂工程性質(zhì)的認(rèn)識(shí)，近海工程中發(fā)生了數(shù)起與珊瑚砂有關(guān)的工程災(zāi)害事故，引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注[2]。生物成因的珊瑚砂表現(xiàn)出單顆粒強(qiáng)度低、形狀不規(guī)則、內(nèi)孔隙豐富等與陸源砂顯著不同的特征[3-4]，因此，在常規(guī)工程應(yīng)力水平下珊瑚砂容易發(fā)生顆粒破碎[5-7]。研究珊瑚砂力學(xué)性質(zhì)與顆粒破碎特性對(duì)島礁吹填和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的影響具有重要意義。

學(xué)者們已采用不同測(cè)試方法對(duì)珊瑚砂的力學(xué)和顆粒破碎特性進(jìn)行了大量研究，如一維固結(jié)試驗(yàn)[3,8-10]、常規(guī)三軸剪切試驗(yàn)[6,11-14]、直剪試驗(yàn)[15-16]等。結(jié)果表明，珊瑚砂的剪切強(qiáng)度和顆粒破碎特性受顆粒粒徑、圍壓、密實(shí)度等條件影響[17]。Coop[3]對(duì)愛(ài)爾蘭Dogs Bay 珊瑚砂開(kāi)展一維壓縮和三軸剪切試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，相比陸源石英砂，珊瑚砂具有更高的摩擦角、剪脹性和破碎性等特性。Shahnazari 等[11]通過(guò)室內(nèi)三軸剪切試驗(yàn)對(duì)不同圍壓、密實(shí)度的珊瑚砂試樣進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明，圍壓和密實(shí)度越高珊瑚砂強(qiáng)度越高，其顆粒破碎程度越大。Tong 等[8]通過(guò)一維壓縮試驗(yàn)對(duì)不同粒徑的珊瑚砂進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，粒徑越大，珊瑚砂顆粒破碎越顯著。王剛等[6]探討了珊瑚砂在不同排水條件的破碎規(guī)律，發(fā)現(xiàn)排水狀態(tài)下珊瑚砂試樣剪切破碎明顯大于不排水狀態(tài)。大量的研究成果極大地促進(jìn)了人們對(duì)珊瑚砂材料工程性質(zhì)的認(rèn)識(shí)，但上述研究大都針對(duì)不含珊瑚礫的2.0 mm 以下的珊瑚砂。

對(duì)于砂礫或砂粉混合料，其力學(xué)行為受骨架結(jié)構(gòu)的影響，相較純砂表現(xiàn)得更為復(fù)雜。Thevanayagam等[12]對(duì)渥太華砂粉混合料進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在粗細(xì)混合物中，細(xì)粒在一定條件下參與了骨架結(jié)構(gòu)的力鏈傳遞，其參與程度受細(xì)粒含量、粒徑和孔隙比等的影響。薛亞?wèn)|等[15]對(duì)陸源間斷級(jí)配砂礫混合物進(jìn)行了直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)砂礫混合物的剪脹量與抗剪強(qiáng)度隨礫石含量的增加而增大。Xiao 等[13]和Rahman 等[14]亦從不同角度探討了間斷級(jí)配砂土的力學(xué)特性。然而，這些研究主要針對(duì)陸源砂土，而關(guān)于島礁地基材料珊瑚砂土的間斷級(jí)配力學(xué)特性卻鮮有報(bào)道。同時(shí)，島礁吹填區(qū)的地基材料顆粒級(jí)配分布極為廣泛，存在珊瑚砂礫混雜的間斷級(jí)配狀態(tài)，而珊瑚砂與珊瑚礫分布的質(zhì)量比例不同對(duì)珊瑚砂礫混合料力學(xué)性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生不同的影響。筆者針對(duì)不同含礫量（不同間斷級(jí)配條件）的珊瑚砂礫混合料開(kāi)展不同圍壓水平和密實(shí)度條件下的靜三軸排水剪切試驗(yàn)，研究不同含礫量條件下珊瑚砂礫混合料的強(qiáng)度和變形特性，探究珊瑚砂礫混合料顆粒破碎的演化規(guī)律。

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)材料

珊瑚砂作為島礁吹填地基的主要組成材料，在島礁吹填場(chǎng)地過(guò)渡區(qū)域中常以粗細(xì)顆?；旌稀⒘饺笔У拈g斷級(jí)配狀態(tài)存在[17]。試驗(yàn)材料取自南海某島礁，其外觀如圖1 所示，其中，左側(cè)為粒徑較小的珊瑚砂（0.5～1.0 mm），右側(cè)為粒徑較大的珊瑚礫（5.0～8.0 mm）。

圖1 珊瑚砂礫材料Fig.1 Coral sand-gravel materials

為調(diào)查含礫量（gravel content，Gc，即珊瑚礫質(zhì)量與總質(zhì)量的比值，對(duì)應(yīng)不同顆粒級(jí)配間斷條件）對(duì)珊瑚砂礫混合料靜力學(xué)性質(zhì)的影響，探究珊瑚砂礫混合料的顆粒破碎演化規(guī)律，制備了3 種含礫量不同的珊瑚砂礫混合料試樣，珊瑚礫分別占總質(zhì)量配制比例的0%、25%、50%。3 種珊瑚砂礫混合料的顆粒級(jí)配曲線如圖2 所示。

圖2 不同含礫量珊瑚砂礫混合料的顆粒級(jí)配曲線Fig.2 Particle grading curves of coral sand-gravel mixtures with different gravel contents

依照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）[18]中關(guān)于砂土物性指標(biāo)的測(cè)試方法，對(duì)使用的珊瑚砂礫混合料進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1 所示。從表1可以看出，含礫量為0%和25%時(shí)，混合料試樣的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)差異較小，含礫量增加至50%時(shí)，不均勻系數(shù)明顯增大，而曲率系數(shù)明顯減小。

表1 不同含礫量珊瑚砂礫混合料的物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of coral sand-gravel mixtures with different gravel contents

為進(jìn)一步調(diào)查含礫量對(duì)珊瑚砂礫混合料最大、最小孔隙比的影響，測(cè)定了含礫量分別為30%、40%、75%、100%的珊瑚砂礫混合料的最大、最小孔隙比，結(jié)果如圖3 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，珊瑚砂礫混合料的最大、最小孔隙比均隨含礫量的增加而表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，減小趨勢(shì)較為平緩，增大趨勢(shì)顯著。其中，孔隙比曲線最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的粗顆粒含量為閾值粗顆粒含量，此時(shí)，粗顆粒組成的孔隙空間被細(xì)顆粒完全填充，混合料骨架結(jié)構(gòu)處于由細(xì)顆粒主導(dǎo)轉(zhuǎn)為粗顆粒主導(dǎo)的過(guò)渡狀態(tài)；Gc=0% 和25%小于閾值粗粒含量，粗顆粒被細(xì)顆粒包裹，細(xì)顆粒主導(dǎo)混合料的骨架結(jié)構(gòu)；Gc=50%時(shí)，細(xì)顆粒部分填充粗顆粒骨架的孔隙空間，粗顆粒主導(dǎo)混合料的骨架結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)榘殡S粗顆粒含量的增加，細(xì)顆粒和粗顆粒的排列方式和接觸狀態(tài)發(fā)生了較大的變化，從而引起孔隙比的改變。

圖3 最大、最小孔隙比與含礫量的關(guān)系Fig.3 Relationship between maximum and minimum void ratios and gravel contents

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方案

采用的儀器為廣州大學(xué)的GDS 三軸剪切測(cè)試系統(tǒng)（見(jiàn)圖4），由基座、壓力室、壓力控制系統(tǒng)（圍、反壓）、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等4 部分組成，其中，軸向加載由基座內(nèi)含的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)提供，提供的最大軸向力為10.0 kN，圍、反壓由壓力控制系統(tǒng)提供，其量程均為2.0 MPa，試驗(yàn)過(guò)程中飽和試樣體積變化可由反壓管內(nèi)部水量的變化測(cè)得。

圖4 GDS 三軸剪切系統(tǒng)Fig.4 GDS triaxial shear apparatus

為探究相對(duì)密實(shí)度Dr、圍壓σ3和含礫量Gc對(duì)珊瑚砂礫混合料力學(xué)性質(zhì)的影響，采用取自南海某島礁的珊瑚砂礫材料，分別制備了相對(duì)密實(shí)度Dr為40%（松散狀態(tài)）和80%（密實(shí)狀態(tài)）的試樣。三軸試驗(yàn)中，圓柱體珊瑚砂礫混合料試樣高為100 mm，直徑為50 mm。每種密實(shí)程度下，將珊瑚砂與珊瑚礫以不同比例混合，制備含礫量不同的珊瑚砂礫混合料試樣，含礫量Gc分別為0%、25%、50%。試樣制備的具體步驟為：根據(jù)不同的目標(biāo)含礫量，用天平分別稱出小粒徑珊瑚砂和大粒徑珊瑚礫的質(zhì)量，將兩種珊瑚砂材料混合并分層制樣；為避免發(fā)生珊瑚砂礫分離現(xiàn)象，在分層制樣過(guò)程中，保證每層混合料質(zhì)量相近且砂礫質(zhì)量比接近目標(biāo)值，此外，在質(zhì)量不均勻的位置適當(dāng)補(bǔ)充砂或礫。制備密實(shí)試樣（Dr=80%）時(shí)需采用振動(dòng)錘輕擊對(duì)開(kāi)模外壁和鋪壓的方式進(jìn)行。

在開(kāi)展三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)前，應(yīng)先對(duì)試樣進(jìn)行飽和處理。采用先通入CO2、再通水飽和、最后分級(jí)施加反壓的飽和方法，從而使B值達(dá)到0.96 以上，確保所有試樣均近似處于飽和狀態(tài)。為探究有效圍壓的影響，將不同密實(shí)度和含礫量的珊瑚砂礫混合料試樣分別在100、200、400、800 kPa 的有效壓力水平下完成固結(jié)，隨后開(kāi)展排水剪切。剪切速率恒定設(shè)置為0.2 mm/min，加載至軸向應(yīng)變達(dá)20%時(shí)即停止試驗(yàn)。試驗(yàn)條件如表2 所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 應(yīng)力—應(yīng)變曲線

不同含礫量條件下，珊瑚砂礫混合料試樣在三軸排水剪切下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖5 所示。圖5（a）～（c）均繪制出了兩種相對(duì)密實(shí)度條件（Dr=40%、80%）下，3 種含礫量（Gc=0%、25%、50%）試樣在4 種有效圍壓水平（100、200、400、800 kPa）下的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線。

圖5 珊瑚砂礫混合料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of coral sand-gravel mixtures

從圖5 可以看出，3 組含礫量不同的試樣在低圍壓條件下（即100～400 kPa）均展現(xiàn)出剪脹和應(yīng)變軟化現(xiàn)象，即試樣的偏應(yīng)力在達(dá)到峰值后又隨著軸向應(yīng)變的增大而降低；當(dāng)圍壓為800 kPa 時(shí)，試樣的偏應(yīng)力—軸向應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)變?yōu)檩p微的應(yīng)變硬化。觀察圖5 中的體積應(yīng)變—軸向應(yīng)變曲線可以發(fā)現(xiàn)，低圍壓條件下試樣體積先剪縮后剪脹（體積應(yīng)變正值表示剪縮，負(fù)值表示剪脹），且剪脹現(xiàn)象顯著；隨著有效圍壓的增大及破碎量的增加，試樣體積由剪脹狀態(tài)逐漸過(guò)渡到剪縮狀態(tài)。

2.2 摩擦角與剪脹角

滑動(dòng)摩擦角φ是描述土體強(qiáng)度的一個(gè)重要指標(biāo)，其數(shù)值可通過(guò)式（1）計(jì)算得到。

式中：η為廣義剪應(yīng)力比，其值可由η=q/pˊ計(jì)算得到，q為偏應(yīng)力，pˊ為有效平均應(yīng)力。

在三軸剪切試驗(yàn)中，通常將峰值剪應(yīng)力對(duì)應(yīng)的摩擦角定義為峰值摩擦角φpeak。圖6（a）、（b）分別為松散和密實(shí)狀態(tài)下不同含礫量珊瑚砂礫混合料的峰值摩擦角與有效圍壓的關(guān)系。從圖6 可以看出，不管是松散狀態(tài)（Dr=40%）還是密實(shí)狀態(tài)（Dr=80%）的珊瑚砂礫混合料，在同一含礫量條件下，其峰值摩擦角均隨著有效圍壓的增大而減小。在圖6（b）中觀察到，同一有效圍壓水平下，密實(shí)狀態(tài)的珊瑚砂礫混合料峰值摩擦角隨著含礫量的增加而增大；但在圖6（a）中卻觀察到同一有效圍壓水平下，松散狀態(tài)的珊瑚砂礫混合料峰值摩擦角隨著含礫量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)。說(shuō)明含礫量對(duì)不同密實(shí)度的珊瑚砂礫混合料的強(qiáng)度和變形行為會(huì)產(chǎn)生不同的影響。

圖6 珊瑚砂礫混合料峰值摩擦角與有效圍壓的關(guān)系Fig.6 Relationship between the friction angle at peak shear stress state for coral sand-gravel mixtures and effective confining pressure

由圖3 中孔隙比曲線可知，含礫量存在一個(gè)閾值，且該閾值與Gc=25%較為接近，珊瑚礫組成的骨架結(jié)構(gòu)中孔隙被砂顆粒完全填充。Gc=0%、25%時(shí)，試樣的含礫量處于閾值之下，此時(shí)珊瑚砂直接接觸，珊瑚礫懸浮于珊瑚砂中，小粒徑的珊瑚砂組成珊瑚砂礫混合料的受力骨架，混合料的強(qiáng)度主要由珊瑚砂提供。含礫量增加至25%時(shí)，與閾值較為接近，絕大部分孔隙被珊瑚砂填充，因此混合料的強(qiáng)度得到提高；Gc=50%時(shí)，試樣的含礫量大于閾值，此時(shí)珊瑚礫直接接觸，珊瑚砂充填孔隙，珊瑚礫組成混合料的骨架，混合料的強(qiáng)度主要取決于珊瑚礫的組構(gòu)。

由圖6（a）可以看出，當(dāng)試樣處于松散狀態(tài)時(shí)，Gc=50%的珊瑚砂礫混合料的峰值摩擦角小于Gc=25%混合料的峰值摩擦角，這是因?yàn)楹[量超過(guò)閾值時(shí)，珊瑚砂充填孔隙不充分，且此時(shí)珊瑚礫骨架結(jié)構(gòu)力鏈傳遞不完整，導(dǎo)致骨架結(jié)構(gòu)受力易發(fā)生變形；由圖6（b）可以看出，當(dāng)試樣處于密實(shí)狀態(tài)時(shí)，Gc=50%混合料的峰值摩擦角大于Gc=25%混合料的峰值摩擦角，這是因?yàn)樯汉魃俺涮羁紫遁^充分，珊瑚礫組構(gòu)力鏈傳遞較完整。

為定量描述不同條件下珊瑚砂礫混合料的體積變形特征，采用文獻(xiàn)[19]定義的剪脹角對(duì)珊瑚砂礫混合料試樣的變形特性進(jìn)行分析，剪脹角ψ可由式（2）確定。

式中：D為剪脹率，可由式（3）計(jì)算得到。

式中：dεv為體積應(yīng)變?cè)隽浚籨εa為軸向應(yīng)變?cè)隽俊?/p>

根據(jù)不同含礫量條件下珊瑚砂礫混合料達(dá)到峰值偏應(yīng)力時(shí)所對(duì)應(yīng)的剪脹率計(jì)算得到峰值剪脹角ψpeak，整理繪制于圖7。

圖7 珊瑚砂礫混合料峰值剪脹角與有效圍壓的關(guān)系Fig.7 Relationship between the dilatancy angle at peak state for coral sand-gravel mixtures and effective confining pressure

圖7（a）、（b）分別表示Dr為40%、80%的珊瑚砂礫混合料峰值剪脹角與有效圍壓的關(guān)系。

從圖7 中可以看出：1）隨著有效圍壓的增大，峰值剪脹角呈逐漸減小的趨勢(shì)，試樣的應(yīng)變軟化程度也隨之降低。這主要是因?yàn)?，在高圍壓條件下試樣約束壓力增大，珊瑚砂顆粒承受應(yīng)力過(guò)大而發(fā)生顆粒破碎，抑制了試樣的剪脹行為；2）與松散試樣（Dr=40%）相比，密實(shí)試樣（Dr=80%）的峰值剪脹角顯著增大，表明同等條件下試樣密實(shí)程度越高，試樣內(nèi)可供顆粒在壓縮條件下重排列的空間就越少，其剪脹變形越明顯；3）峰值剪脹角沒(méi)有隨著含礫量的增大而增大或減小，而是Gc=25%時(shí)峰值剪脹角最大，Gc=0%次之，Gc=50%時(shí)峰值剪脹角最小。這是因?yàn)楹[量為25%時(shí)混合料的最大、最小孔隙比均位于曲線的最低點(diǎn)（如圖3 所示），即在相同的相對(duì)密實(shí)度條件下，Gc=25%試樣具有更低的天然孔隙比，導(dǎo)致其峰值剪脹角明顯高于其他含礫量的混合料試樣。同理，在天然孔隙比的影響下，不含珊瑚礫的純砂表現(xiàn)出比Gc=50%混合料更顯著的剪脹行為，表明天然孔隙比是影響試樣剪脹行為的重要因素。

圖8 繪出了珊瑚砂礫混合料峰值摩擦角φpeak與臨界狀態(tài)摩擦角φcs的差值與有效圍壓σ3的關(guān)系。從圖8 中可以看出，不同含礫量的珊瑚砂礫混合料的峰值和臨界狀態(tài)摩擦角差值隨有效圍壓的增大而減小，說(shuō)明有效圍壓越大，峰值摩擦角越接近臨界摩擦角。隨著圍壓的增大珊瑚砂礫混合料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線關(guān)系，由應(yīng)變軟化逐漸轉(zhuǎn)化為應(yīng)變硬化，直至峰值和臨界狀態(tài)摩擦角差值為0 時(shí)，峰值狀態(tài)和臨界狀態(tài)達(dá)到統(tǒng)一。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在有效圍壓相同的情況下，含礫量為25%的混合料峰值和臨界狀態(tài)摩擦角差值明顯大于含礫量為0%和50%的混合料，50%次之，0%最小。

圖8 φpeak-φcs與有效圍壓的關(guān)系Fig.8 Relationship between (φpeak-φcs) with effective confining pressure

從圖8 中峰值和臨界狀態(tài)摩擦角差值與有效圍壓的線性擬合曲線與橫軸的截距可以看出，峰值摩擦角與臨界摩擦角為0 時(shí)的有效圍壓pcr隨含礫量Gc的增長(zhǎng)規(guī)律與峰值和臨界狀態(tài)摩擦角差值增長(zhǎng)規(guī)律一致，都是Gc=25% 時(shí)最大，表明使含礫量為25%的珊瑚砂礫混合料試樣剪脹行為完全消失時(shí)所需的有效圍壓最大。

3 分析與討論

3.1 顆粒破碎

珊瑚砂是一種易破碎的顆粒材料。為探究珊瑚砂礫混合料的顆粒破碎演化規(guī)律，并建立描述顆粒破碎程度指標(biāo)和力學(xué)參數(shù)間的聯(lián)系，對(duì)前述經(jīng)一系列排水三軸剪切試驗(yàn)后的試樣開(kāi)展篩分試驗(yàn)，篩分后得到的顆粒破碎級(jí)配曲線如圖9 所示。

圖9 試驗(yàn)前后珊瑚砂礫混合料顆粒級(jí)配曲線Fig.9 Grain size distribution curves for coral sand-gravel mixtures before and after testing

圖9（a）～（c）分別描述的是松散狀態(tài)（Dr=40%）下含礫量為0%、25%、50%的混合料試樣的顆粒級(jí)配曲線；圖9（d）～（f）分別表示的是密實(shí)狀態(tài)（Dr=80%）下含礫量為0%、25%、50%的混合料試樣級(jí)配曲線。由圖9（a）可知，0.5～1 mm 粒組含量減少，0.075～0.5 mm 各粒組含量增加，其中，0.355～0.5 mm 粒組含量增加最顯著，由圖9（b）、（c）可知，5～8 mm 粒組向5 mm 以下粒組遷移[20]，級(jí)配演化規(guī)律總體向小粒徑方向轉(zhuǎn)移，大粒徑顆粒含量減小。圖9 給出了不同有效圍壓條件下的顆粒級(jí)配曲線，隨著有效圍壓的增大，粒組遷移越明顯，顆粒破碎量越大。

為了進(jìn)一步調(diào)查含礫量、有效圍壓和相對(duì)密實(shí)度對(duì)顆粒破碎程度的影響，采用Hardin[21]提出的相對(duì)破碎指數(shù)Br定量分析顆粒級(jí)配曲線的變化規(guī)律。圖10 描述的是不同密實(shí)度和含礫量條件下相對(duì)破碎指數(shù)與有效圍壓的關(guān)系。由圖10 可知，相對(duì)破碎指數(shù)隨有效圍壓的增大而增大，說(shuō)明有效圍壓越大，顆粒破碎越明顯；對(duì)比圖10 中松散和密實(shí)狀態(tài)下的相對(duì)破碎指數(shù)可知，相對(duì)密實(shí)度越大，相對(duì)破碎指數(shù)就越大，顆粒破碎越明顯，試樣處于密實(shí)狀態(tài)比松散狀態(tài)更容易發(fā)生顆粒破碎。當(dāng)相對(duì)密實(shí)度和有效圍壓一定時(shí)，含礫量Gc越大，相對(duì)破碎指數(shù)Br越大。

圖10 相對(duì)破碎指數(shù)與有效圍壓的關(guān)系Fig.10 Relationship between the relative breakage index and effective confining pressure

3.2 塑性功

研究結(jié)果表明，剪切過(guò)程中的顆粒破碎是一個(gè)能量不斷耗散的過(guò)程。顆粒破碎過(guò)程中耗散的總能量等于塑性功Wp與彈性功We之和。Lade 等[22]基于一系列Cambria 砂試驗(yàn)，建立了顆粒破碎與總能量耗散之間的關(guān)系；Zhang 等[23]則證實(shí)了相對(duì)破碎指數(shù)與塑性功[24]存在著密切的聯(lián)系。塑性功可由式（4）計(jì)算得到。

式中：dεv為總體積應(yīng)變?cè)隽浚籨εd為剪切應(yīng)變?cè)隽?，為彈性體積應(yīng)變?cè)隽俊?/p>

彈性功相較總能量耗散較小，可忽略不計(jì)，因此，總能量耗散與塑性功近似相同。塑性功可采用式（5）簡(jiǎn)化計(jì)算得到。

對(duì)比平均有效應(yīng)力pˊ和偏應(yīng)力q的應(yīng)力—應(yīng)變曲線面積可知，塑性功的大小主要取決于偏應(yīng)力和剪切應(yīng)變的大小，這與Miura 等[25]的發(fā)現(xiàn)一致。

圖11 描述的是珊瑚砂礫混合料相對(duì)破碎指數(shù)和塑性功之間的關(guān)系。由圖11 可以發(fā)現(xiàn)，隨著塑性功的不斷增加，相對(duì)破碎指數(shù)的增長(zhǎng)速度加快。此外，圖11 中給出了3 組不同含礫量條件下相對(duì)破碎指數(shù)和塑性功的擬合曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，含礫量越大，相對(duì)破碎指數(shù)隨塑性功的增長(zhǎng)速度越快。含礫量Gc=50%時(shí)，對(duì)試樣施加相同的塑性功，顆粒破碎程度最大，隨著含礫量的減小，顆粒破碎程度也最小。因此，在建立合理的珊瑚砂礫混合料本構(gòu)模型過(guò)程中，引入相對(duì)破碎指數(shù)和塑性功的經(jīng)驗(yàn)方程時(shí)，應(yīng)該充分考慮含礫量的影響。

圖11 相對(duì)破碎指數(shù)與塑性功的關(guān)系Fig.11 Relationship between the relative breakage index and plastic work

4 結(jié)論

為深入研究間斷級(jí)配珊瑚砂礫混合料在靜力荷載下的強(qiáng)度與變形特性，隨著圍壓和含礫量的增長(zhǎng)研究珊瑚砂礫混合料顆粒破碎的演化規(guī)律，針對(duì)不同含礫量條件下的珊瑚砂礫混合料進(jìn)行一系列三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，得到的主要結(jié)論如下：

1）不同含礫量條件下珊瑚砂礫混合料試驗(yàn)結(jié)果均表明，圍壓和密實(shí)度顯著影響混合料試樣的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。圍壓增大會(huì)抑制試樣的剪脹趨勢(shì)，隨著圍壓的增大,珊瑚砂礫混合料應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的應(yīng)變軟化行為最終轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變硬化行為。

2）珊瑚砂礫混合料的峰值摩擦角和峰值剪脹角均隨有效圍壓的增大而減小，隨密實(shí)度的增大而增大。在同一圍壓和密實(shí)度條件下，不同含礫量條件下珊瑚砂礫混合料峰值摩擦角的變化規(guī)律受珊瑚砂礫混合料骨架結(jié)構(gòu)和傳力途徑的影響，孔隙比是影響試樣剪脹行為的重要因素。

3）珊瑚砂礫混合料發(fā)生顆粒破碎時(shí)，會(huì)發(fā)生粒組遷移，級(jí)配演化規(guī)律總體向小粒徑方向轉(zhuǎn)移。珊瑚砂礫混合料顆粒破碎隨著有效圍壓、密實(shí)度和含礫量的增大而增大。

4）珊瑚砂礫混合料的相對(duì)破碎指數(shù)與塑性功成反比例函數(shù)關(guān)系，并隨塑性功的增大而增大，此關(guān)系不依賴于密實(shí)度和圍壓，但是會(huì)受到含礫量的影響。