考慮縮尺效應(yīng)對堆石料顆粒破碎影響的壓縮試驗(yàn)研究

卿 云,馬愛娟,2,楊少博,2,邱珍鋒,2,鄧文杰

(1.重慶交通大學(xué) 國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心,重慶 400074; 2.重慶交通大學(xué) 水工建筑物健康診斷技術(shù)重慶市高校工程研究中心,重慶 400074; 3.重慶川東南工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司,重慶 400038)

0 引 言

堆石料因其具有抗剪強(qiáng)度高、造價(jià)低廉、沉陷變形小等特點(diǎn),多用于土石壩、道路、港口等填方工程中。在壩體高應(yīng)力條件下,材料容易發(fā)生顆粒破碎,使內(nèi)部的填充關(guān)系和局部強(qiáng)度發(fā)生改變,造成沉降變形。堆石料的壓縮性和顆粒破碎特性的研究通常是借助室內(nèi)試驗(yàn)完成,受限于室內(nèi)試驗(yàn)機(jī)容許的試樣直徑,需要對現(xiàn)場填料進(jìn)行縮尺后才能用于室內(nèi)試驗(yàn)研究,而試樣直徑、縮尺方法等發(fā)生變化都會(huì)對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。

縮尺方法的改變是通過調(diào)整土樣中粗、細(xì)顆粒的充填關(guān)系來影響試樣整體的強(qiáng)度和變形特性。傅華等[1]對不同縮尺方法的試樣開展了室內(nèi)三軸試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)等量替代法縮尺的級(jí)配不均勻系數(shù)最大、滲透系數(shù)最大,相似級(jí)配法縮尺的試樣破壞峰值最大、滲透系數(shù)最小,混合法縮尺的試樣抗剪強(qiáng)度最大、滲透系數(shù)介于其它2種方法之間。王思睿等[2]對一組花崗巖材料經(jīng)4種縮尺方法處理后的試樣進(jìn)行了相對密度試驗(yàn),研究發(fā)現(xiàn),縮尺方法對試樣密度影響顯著,4種方法縮尺后替代料密度由大到小分別為:相似級(jí)配法、剔除法、混合法、等量替代法。左永振等[3]研究發(fā)現(xiàn)試樣最大干密度與替代料最大粒徑之間呈一種非線性關(guān)系,最大粒徑由20 mm增至40 mm時(shí),試樣最大干密度變化幅度大于最大粒徑由40 mm增至60 mm時(shí)最大干密度的變化幅度。朱俊高等[4]用混合法得到級(jí)配最大粒徑為60 mm和20 mm的2組試樣,開展了三軸剪切試驗(yàn),研究發(fā)現(xiàn)試樣最大粒徑與彈性模量和內(nèi)摩擦角呈正相關(guān),與峰值偏應(yīng)力呈負(fù)相關(guān)。

對于同一種試驗(yàn)土料,由試驗(yàn)尺寸之間的差異導(dǎo)致測得的強(qiáng)度指標(biāo)、變形特性的不同稱之為尺寸效應(yīng)。馬剛等[5]用3種不同尺寸(300、400、500 mm)的數(shù)值試樣,模擬堆石料室內(nèi)試驗(yàn)三軸加載的過程,同一圍壓下的3組試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線有明顯偏移,初始切線模量與試樣直徑呈正相關(guān),峰值強(qiáng)度與試樣直徑呈負(fù)相關(guān)?？讘椌┑萚6]利用不同型號(hào)的設(shè)備構(gòu)建了一個(gè)用于研究堆石料尺寸效應(yīng)的試驗(yàn)平臺(tái),試樣直徑跨度從100 ～1 000 mm,總結(jié)大量試樣研究成果發(fā)現(xiàn),同種堆石料的尺寸效應(yīng)在不同圍壓下表現(xiàn)出的規(guī)律不完全相同。

目前對堆石料的縮尺效應(yīng)研究成果對于開展縮尺效應(yīng)對顆粒破碎特性的影響研究具有較好的借鑒意義,但是不同學(xué)者就尺寸效應(yīng)對堆石料力學(xué)特性的影響規(guī)律尚未達(dá)成一致的看法,有必要進(jìn)行深入的探討。本文從縮尺方法、試樣最大粒徑及試樣直徑等方面開展研究縮尺效應(yīng)對壓縮參數(shù)、顆粒破碎的影響。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用堆石料為重慶市巫山縣廟堂水庫主堆石區(qū)微風(fēng)化灰?guī)r料,母巖為弱風(fēng)化中厚層塊狀泥晶生物灰?guī)r,成分主要以碳酸鹽為主,含少量白云巖,原巖抗壓強(qiáng)度為61.16 MPa,顆粒相對密度ρr為2.72。壓縮模量為104.2 MPa,含水量為0.05%。原級(jí)配最大粒徑為600 mm,級(jí)配曲線見圖1。側(cè)限壓縮試驗(yàn)采用的儀器是重慶交通大學(xué)與江蘇永昌科教儀器制造有限公司聯(lián)合研制的三聯(lián)式單向壓縮試驗(yàn)儀,位移傳感器精度0.001 mm,豎向應(yīng)力通過組合不同的砝碼施加,最大應(yīng)力為2.0 MPa。側(cè)限壓縮試驗(yàn)采用直徑為100、150、200 mm的壓縮桶,控制高寬比為1。試驗(yàn)采用分級(jí)加載的方式,調(diào)節(jié)砝碼控制加載等級(jí)為50、100、200、400、800、1 600 kPa,當(dāng)試樣在某一壓力等級(jí)下的每小時(shí)變形量不超過0.005 mm時(shí)視為變形穩(wěn)定,變形穩(wěn)定后加載至下一壓力等級(jí)。待最后一個(gè)壓力等級(jí)加載結(jié)束后對試樣進(jìn)行篩分試驗(yàn)。

圖1 級(jí)配曲線

控制試樣最大粒徑為20 mm時(shí),試樣縮尺方法采用混合法和相似級(jí)配法,相似級(jí)配法縮尺后的級(jí)配為級(jí)配1,其中控制混合法中的縮尺比為3、5、7、9,對應(yīng)級(jí)配2—級(jí)配5?？刂瓶s尺方法相同,試樣最大粒徑為40、20、10 mm,對應(yīng)級(jí)配6、級(jí)配4、級(jí)配7?？s尺后各級(jí)配曲線見圖1。結(jié)合研究目的制定具體試驗(yàn)方案見表1,每種級(jí)配的特征參數(shù)見表2。

表1 試驗(yàn)方案

表2 各級(jí)配特征參數(shù)

2 縮尺效應(yīng)對堆石料壓縮特性的影響

2.1 縮尺方法對堆石料壓縮特性的影響

P5含量指的是級(jí)配中>5 mm顆粒物的百分含量,在研究中常將其稱為粗顆粒含量。馬捷等[7]對級(jí)配最大粒徑相同、級(jí)配組成不同的若干組粗粒土試樣開展了壓縮試驗(yàn),研究了壓縮系數(shù)對P5含量影響的變化規(guī)律。蔡國軍等[8]研究了不同級(jí)配條件下土石混合體的強(qiáng)度特性,內(nèi)摩擦角隨著P5含量的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。結(jié)合相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),在級(jí)配最大粒徑相同的條件下,P5含量能夠反映級(jí)配曲線的部分特征,因此將P5含量作為級(jí)配曲線的一個(gè)特征因子,對通過不同縮尺方法得到的試樣壓縮性進(jìn)行討論。

圖2為試樣直徑為100 mm時(shí)的土體e-p關(guān)系曲線圖,試樣直徑為150、200 mm時(shí)所呈現(xiàn)的變化趨勢與之相同。根據(jù)壓縮系數(shù)的定義可知,土體e-p曲線上某一點(diǎn)的斜率能夠反映此處土體沉降的速率,由此評價(jià)土的壓縮性能。由于土的壓縮曲線在使用函數(shù)描述方面還存在一些關(guān)鍵問題,在工程運(yùn)用中,通常用曲線上臨近兩點(diǎn)割線的斜率近似表示這一段土體的壓縮速率。用這種方法求得的不同壓力級(jí)別下的壓縮系數(shù)和P5含量關(guān)系曲線如圖3所示。

注:SS表示縮尺方法為相似級(jí)配法;HHx表示混合法,其中x為縮尺倍數(shù);100-10表示試樣直徑為100 mm,試樣最大粒徑為10 mm。

圖3 壓縮系數(shù)與P5含量關(guān)系曲線

由圖3可得,試樣的壓縮系數(shù)與P5含量之間存在一定的關(guān)系:在同一壓力等級(jí)下,壓縮系數(shù)隨著粗顆粒含量的增加大致呈現(xiàn)“V”型發(fā)展趨勢,即壓縮系數(shù)在本文研究的壓力范圍內(nèi)存在一個(gè)最小值。壓力等級(jí)為100 kPa時(shí),曲線上壓縮系數(shù)的最小值在P5含量75%處,隨著壓力等級(jí)的提高,曲線上壓縮系數(shù)的最小值向P5含量減小的方向發(fā)生偏移。豎向壓力提高至1 600 kPa時(shí),壓縮系數(shù)在P5含量70%處取得最小值。此外,壓縮系數(shù)與P5含量關(guān)系曲線的斜率表示壓縮系數(shù)隨著粗顆粒含量變化的速率,據(jù)此將壓縮曲線劃分為3個(gè)階段。第一階段在100 kPa壓力等級(jí)時(shí),壓縮系數(shù)在P5含量由40%增值60%的過程中下降緩慢。第二階段在P5含量由60%增至75%的過程中,壓縮系數(shù)的變化速率較前一階段大幅上升。第三階段在P5含量由75%繼續(xù)增大時(shí),為壓縮系數(shù)回升階段,曲線的斜率與第二階段斜率的絕對值接近。這一現(xiàn)象同樣受到豎向壓力的影響,第一、二階段曲線斜率的差值隨著豎向壓力的提高而減小,豎向壓力1 600 kPa時(shí),壓縮系數(shù)和P5含量關(guān)系曲線演化為一條關(guān)于軸線P5含量為70%對稱的折線。

級(jí)配中的粗顆粒在試樣中承擔(dān)骨架作用,細(xì)顆粒填充于骨架間的空隙中,從而形成一個(gè)試樣整體。在粗顆粒含量增加的過程中,試樣中的細(xì)顆粒含量逐漸填充骨架間的空隙部分,直到細(xì)顆粒能夠完全填充粗顆粒空隙,試樣整體達(dá)到最密實(shí)的狀態(tài)[9-10]。在這個(gè)過程中,越來越多的細(xì)顆粒參與到骨架的構(gòu)成中來,而顆粒的抗拉強(qiáng)度隨著粒徑的減小而增大,因此骨架中細(xì)顆粒含量的增加可以提高試樣整體抵抗變形的能力,對應(yīng)圖3中P5含量增加時(shí),壓縮系數(shù)與P5含量關(guān)系曲線首先出現(xiàn)下降的趨勢,在達(dá)到試樣最密實(shí)狀態(tài)時(shí),變形量相應(yīng)達(dá)到最小值。繼續(xù)增大粗顆粒料的含量,細(xì)顆粒料不足以填充這種空隙,導(dǎo)致填充效果下降,對應(yīng)圖3曲線中的上升部分,P5含量>75%時(shí),試樣的豎向變形隨著粗顆粒含量的增加呈增大趨勢。當(dāng)壓力等級(jí)較低時(shí),外部荷載不能克服顆粒間的摩擦阻力,產(chǎn)生的豎向變形量較小且不隨顆粒級(jí)配的改變產(chǎn)生大范圍的波動(dòng)。

2.2 試樣最大粒徑對堆石料壓縮特性的影響

將150-10、150-20、150-40(150表示試樣直徑為150 mm,10、20、40表示試樣最大粒徑(mm))試驗(yàn)組數(shù)據(jù)繪于試樣最大粒徑-壓縮系數(shù)坐標(biāo)系中,如圖4所示。

圖4 壓縮系數(shù)與試樣最大粒徑關(guān)系曲線

根據(jù)圖4可知,在試樣直徑為150 mm的試驗(yàn)組中,豎向壓力為50 kPa時(shí),壓縮系數(shù)隨試樣最大粒徑的波動(dòng)較大,其余豎向壓力等級(jí)下,堆石料的壓縮系數(shù)隨著試樣最大粒徑的增大呈規(guī)律性的變化。當(dāng)試樣最大粒徑由10 mm增大至20 mm時(shí),不同豎向壓力下的壓縮系數(shù)有不同程度的上升,當(dāng)試樣最大粒徑由20 mm增至40 mm時(shí),豎向壓力1 600 kPa條件下,壓縮系數(shù)呈減小趨勢,其余豎向壓力下壓縮系數(shù)呈上升趨勢。若以試樣最大粒徑-壓縮系數(shù)曲線斜率的大小表示壓縮系數(shù)受試樣最大粒徑的影響程度。從總體上看,試樣最大粒徑10 ～20 mm段,壓縮系數(shù)受試樣最大粒徑的影響較大,試樣最大粒徑20 ～40 mm段,壓縮系數(shù)受試樣最大粒徑的影響較小。

2.3 試樣直徑對堆石料壓縮特性的影響

分析最大粒徑為20 mm時(shí)的3組數(shù)據(jù),得到試樣的壓縮系數(shù)隨著試樣直徑的變化趨勢,如圖5。

圖5 壓縮系數(shù)與試樣直徑關(guān)系曲線

根據(jù)圖5可知,當(dāng)試樣級(jí)配曲線相同時(shí),隨著試樣直徑的增加,壓縮系數(shù)隨之發(fā)生顯著變化。試樣最大粒徑相同的條件下,均表現(xiàn)出壓縮系數(shù)隨著試樣直徑的增大而減小的趨勢。當(dāng)dmax=20 mm時(shí),不同豎向壓力下試樣直徑與壓縮系數(shù)近似線性函數(shù)關(guān)系,且直線斜率隨著豎向壓力的上升而降低。當(dāng)dmax=20 mm時(shí),除了豎向壓力為50 kPa和800 kPa的情況,試樣直徑由100 mm增至150 mm壓縮系數(shù)的減小量要高于試樣直徑由150 mm增至200 mm壓縮系數(shù)的減小量。認(rèn)為在試驗(yàn)研究的尺寸范圍內(nèi),壓縮系數(shù)的變化率隨著試樣直徑的增大而降低。陳堅(jiān)等[11]在研究了徑-徑比對灰?guī)r顆粒料干密度的影響后發(fā)現(xiàn),當(dāng)徑-徑比>6.8時(shí),干密度隨著徑-徑比的增大趨于穩(wěn)定,當(dāng)徑-徑比<6.8時(shí),干密度隨著徑-徑比的增大顯著增大。在上述試驗(yàn)組中,試樣直徑由100 mm增至200 mm的過程中,對應(yīng)徑-徑比由5增至10。當(dāng)徑-徑比由5增至6.8時(shí),試樣干密度的變化幅度較大,壓縮系數(shù)隨之發(fā)生明顯變化,當(dāng)徑-徑比由6.8增至10時(shí),試樣干密度趨于穩(wěn)定,壓縮系數(shù)的變化速率低于前一階段。

3 縮尺效應(yīng)對堆石料顆粒破碎的影響

3.1 粗顆粒含量P5對堆石料顆粒破碎的影響

材料的顆粒破碎指標(biāo)按照其計(jì)算方法可以分為三類:第一類是以單個(gè)或多個(gè)特征粒徑的變化來反映顆粒破碎程度,第二類是以各粒組破碎前后質(zhì)量的變化表示顆粒破碎程度,第三類是定義與級(jí)配曲線相關(guān)的破碎勢,通過研究破碎前后級(jí)配曲線的變化求出顆粒的破碎耗能,以此計(jì)算破碎率。其中由Hardin[12]提出的基于破碎勢建立的顆粒破碎指標(biāo)Br被廣大學(xué)者證實(shí)能夠很好地描述材料的顆粒破碎過程。按照Hardin等人的理論,大粒徑的顆粒最后都會(huì)破碎成d=0.074 mm的細(xì)顆粒。EINAV[13]等則認(rèn)為顆粒破碎的過程存在一個(gè)限度,發(fā)生破碎后的級(jí)配曲線趨向于一個(gè)極限級(jí)配,以極限級(jí)配曲線作為計(jì)算破碎勢能的積分上限更符合實(shí)際的顆粒破碎情況,基于此提出了顆粒破碎率BE。郭萬里等[14]認(rèn)為BE描述顆粒破碎程度的實(shí)質(zhì)是顆粒發(fā)生破碎消耗的勢能與一個(gè)同量綱的定值相除,得到了修正后的顆粒破碎指標(biāo)相對破碎率BW。

(1)

式中:Sa為初始級(jí)配曲線與試驗(yàn)后級(jí)配曲線圍成的面積;Sb為初始級(jí)配曲線與d=dmax和橫坐標(biāo)軸圍成的面積。

顆粒的相對破碎率隨著豎向荷載的增大而增加,并且增長速度隨著豎向荷載的增大而減緩。劉萌成等[15]研究了珊瑚礁鈣質(zhì)砂側(cè)限壓縮下的顆粒破碎特性,顆粒相對破碎率與豎向荷載間的關(guān)系顆粒用冪函數(shù)表示為

(2)

式中:b1、c1為相關(guān)參數(shù);σv為豎向荷載;Pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,公式擬合情況見圖6。

經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果得到P5含量與b1、c1的關(guān)系如圖7所示。

由圖7可知b1與P5呈指數(shù)關(guān)系,c1與P5含量呈線性關(guān)系,擬合式如下:

b1=d1ef1P5+g1;

(3)

c1=h1P5+j1。

(4)

式中:d1、f1、g1為擬合參數(shù),R2=0.966;h1、j1為擬合參數(shù),R2=0.927。將式(3)和式(4)代入式(2)中,可得考慮縮尺方法對粗顆粒含量影響的顆粒破碎率演化方程為

(5)

式中d1、f1、g1、h1、j1為擬合參數(shù),取值同上。

3.2 試樣最大粒徑對顆粒破碎的影響

以試樣最大粒徑dmax為橫坐標(biāo),相對破碎率BW為縱坐標(biāo),得到相對顆粒破碎率與試樣最大粒徑的關(guān)系曲線(圖8)。

圖8 相對破碎率與試樣最大粒徑關(guān)系

根據(jù)圖8可知,試樣的相對破碎率與試樣最大粒徑有關(guān),隨著試樣最大粒徑的增大,試樣的相對破碎率相應(yīng)也隨之增大。本文進(jìn)行試樣最大粒徑對堆石料壓縮特性的影響時(shí)保證了制樣方法相同,即均采用混合法,先將原級(jí)配等比例縮尺后根據(jù)最大粒徑的不同再進(jìn)行等量替代。由相對破碎率BW的定義可知,級(jí)配曲線與最大粒徑線和坐標(biāo)橫軸所圍成的面積表示顆粒破碎的勢能。隨著級(jí)配曲線中最大粒徑的增加,圍成的面積也相應(yīng)地增大,即具有更高的破碎勢能,容易發(fā)生顆粒破碎,相較于小粒徑顆粒,大粒徑顆粒更易發(fā)生顆粒破碎。圖8中曲線的斜率表示相對破碎率隨著最大粒徑變化速率的快慢,顯然,在試樣直徑為100 mm時(shí),相對破碎率隨著試樣最大粒徑增大的變化速度較快,隨著試樣直徑的增大,破碎率-試樣最大粒徑曲線的斜率有所降低,表示隨著試樣直徑的增大,試樣最大粒徑對相對破碎率的影響減弱。

3.3 試樣直徑對顆粒破碎的影響

同樣的,以試樣直徑D為橫坐標(biāo),相對破碎率BW為縱坐標(biāo),得到相對破碎率隨著試樣直徑的變化曲線,如圖9。

圖9 相對破碎率與試樣直徑關(guān)系

根據(jù)圖9可知,試樣的相對破碎率與試樣直徑有關(guān),當(dāng)試樣最大粒徑相同時(shí),相對破碎率隨著試樣直徑的增大而減小。朱俊高等[16]研究了試樣直徑對粗粒土三軸剪切特性的影響后發(fā)現(xiàn),試樣最大粒徑相同的條件下,小直徑試樣的體積應(yīng)變和顆粒破碎率都低于大尺寸試樣,產(chǎn)生這種差異的原因是試樣的加載方式不同。三軸剪切試驗(yàn)時(shí),不同尺寸試樣的端部約束條件不同,并且大尺寸試樣在制樣過程相較小尺寸試樣更容易產(chǎn)生不均勻區(qū),使局部區(qū)域的強(qiáng)度不能完全發(fā)揮,導(dǎo)致顆粒破碎,壓縮變形量增大。側(cè)限壓縮試驗(yàn)限制了試樣在側(cè)方向上的變形,與三軸加載相比沒有圍壓σ3這一影響條件,弱化了試樣直徑對端部約束的影響。正是因?yàn)閭?cè)限壓縮試驗(yàn)只反映在豎向加載方向上的變形,側(cè)壁與試樣的接觸情況成為影響變形的主要條件,隨著試樣直徑的增大,更多的顆粒與側(cè)壁接觸,側(cè)壁摩擦增大。在豎向壓力相同時(shí),因?yàn)閭?cè)壁摩擦的存在,小尺寸試樣的有效豎向壓力大于大尺寸試樣,表現(xiàn)為隨著試樣直徑的增大,相對破碎率減小。關(guān)于由試樣直徑增大引起的產(chǎn)生不均勻區(qū)的可能性增大的問題,可以通過開展平行試驗(yàn)取平均值,從而將誤差控制在一定的范圍內(nèi)。

將以上數(shù)據(jù)置于ORIGIN軟件中擬合得到三維曲面圖,如圖10。

圖10 相對破碎率曲面

由圖8和圖9可知,相對破碎率與試樣最大粒徑之間呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系,與試樣直徑之間也呈對數(shù)關(guān)系,據(jù)此可以將相對破碎率BW表示為試樣最大粒徑dmax和試樣直徑D構(gòu)成的函數(shù),BW=f(dmax,D)。經(jīng)擬合得到曲面的函數(shù)表達(dá)式為

BW=b2lnDlndmax+ln(dmaxc2Dd2)+f2。

(6)

式中:b2、c2、d2、f2為擬合參數(shù),b2取-0.809,c2取4.559,d2取1.409,f2取-6.021。

3.4 縮尺效應(yīng)對顆粒破碎影響的討論

根據(jù)圖10可知,在試樣直徑和試驗(yàn)最大粒徑構(gòu)成的坐標(biāo)系中,相對破碎率為一個(gè)空間曲面,由式(5)可得,在試樣直徑和試樣最大粒徑不變時(shí),試樣的相對破碎率隨著豎向荷載的增加而單調(diào)遞增。圖10為豎向荷載為1 600 kPa時(shí)對應(yīng)的顆粒破碎曲面,荷載低于1 600 kPa的顆粒破碎曲面在上述曲面的下方,且隨著豎向荷載的減小而朝著原點(diǎn)方向移動(dòng),同樣的,荷載高于1 600 kPa的顆粒破碎曲面在上述曲面的上方。為了使式(6)能夠反映豎向壓力對顆粒破碎率的影響,結(jié)合式(5)對其進(jìn)行修正

BW=b2lnDlndmax+ln(dmaxc2Dd2)+

(7)

于際都等[17]利用染色石膏顆粒研究散粒材料的顆粒破碎規(guī)律,對不同初始級(jí)配的試樣開展側(cè)限壓縮試驗(yàn),按照式(5)計(jì)算800 kPa和1 600 kPa時(shí)的顆粒破碎率BW為2.474%和4.971%。將dmax、D、σa代入式(7)中,得到顆粒破碎率理論計(jì)算值為2.302%和4.702%。比較可得,理論計(jì)算值低于實(shí)測值,但總體相差不大。魏浩等[18]對5種不同級(jí)配的粗粒料利用大型壓縮試驗(yàn)儀開展了壓縮破碎特性試驗(yàn),試樣直徑為Φ300 mm×150 mm,最大荷載為2 000 kN。原文中試樣5對應(yīng)的試樣最大粒徑為20 mm,且試樣級(jí)配與本文中級(jí)配3相似,若將D=300 mm,dmax=20 mm代入式(7)中,計(jì)算得到豎向荷載為2 000 kPa時(shí)的相對破碎率為3.21%,原文中豎向荷載為2 000 kPa時(shí)的顆粒破碎率BW為5.02%。

式(7)是根據(jù)式(6)在豎直方向平移得到的,即認(rèn)為不同豎向壓力條件下,試樣直徑和試樣最大粒徑對顆粒破碎的影響規(guī)律是一致的。由上述驗(yàn)證結(jié)果可知,式(7)僅在試樣直徑和試樣最大粒徑一定范圍內(nèi)適用,超出這一范圍后對顆粒破碎描述的準(zhǔn)確性下降,說明不同壓力條件下,試樣直徑和試樣最大粒徑對顆粒破碎的影響存在差異。在討論式(6)對不同壓力等級(jí)的適用性時(shí),需要從參數(shù)b2、c2、d2入手,分別研究壓力等級(jí)與試樣直徑、壓力等級(jí)與試樣最大粒徑對顆粒破碎的共同作用。研究不同壓力等級(jí)下,試樣直徑和試樣最大粒徑對顆粒破碎的影響涉及大量的試驗(yàn)組,工作量較大,本文并未涉及相關(guān)研究,仍需要進(jìn)一步開展試驗(yàn)研究。

4 結(jié) 論

通過對不同縮尺方法、不同試樣最大粒徑、不同試樣直徑的試樣開展側(cè)限壓縮試驗(yàn)和顆粒篩分試驗(yàn),研究了尺寸效應(yīng)對堆石料壓縮特性和顆粒破碎特性的影響。

(1)堆石料的壓縮系數(shù)受縮尺方法影響顯著,不同縮尺方法導(dǎo)致試樣中粗顆粒含量發(fā)生變化,壓縮系數(shù)隨著粗顆粒含量的上升呈先降低后增加的趨勢。壓縮系數(shù)隨著試樣最大粒徑的增加而增大,隨著試樣直徑的增大而降低。

(2)堆石料的相對顆粒破碎率隨著試樣中粗顆粒含量的上升而增大,可以用冪函數(shù)描述兩者間的對應(yīng)關(guān)系。顆粒破碎率隨著試樣最大粒徑的增大而增大,隨著試樣直徑的增大而減小。在縮尺方法相同時(shí),相對破碎率與試樣最大粒徑和試樣直徑間的關(guān)系可以表示為一個(gè)空間曲面。討論了空間曲面表達(dá)式對不同壓力等級(jí)下顆粒破碎程度的適用性,在試樣直徑和最大粒徑超出一定范圍后對顆粒破碎描述的準(zhǔn)確性下降,需要進(jìn)一步開展試驗(yàn)研究。