（岩土工程专业论文）粒状土颗粒破碎机理的试验研究.pdf

摘要 目前国内对颗粒破碎的研究主要集中在低应力水平下的静、动土力学性质 上，对高应力水平下的工作开展得较少。随着堤坝、隧道等工程项目规模的不 断扩大，高应力下的土颗粒破碎越来越多，它的研究也逐渐得到人们的重视。 本文通过自制压缩装置对两种粒状土进行了高压应力下的侧限压缩试验，并对 压缩后的颗粒进行颗粒分析试验，探讨了它们的压缩机理，并结合分形理论、 图像分析等手段对颗粒破碎进行了详细分析。具体研究内容及主要研究成果如 下： ( 1 ) 对颗粒材料的侧限压缩试验及颗粒分析试验( 粒径大于o 0 7 4 r a m 的颗粒 采用筛分法，小于0 0 7 4 m m 的颗粒采用激光粒度仪) 进行了简单的介绍。 ( 2 ) 分析了粒状土在高压应力下的压缩变形特性，结果显示其压缩和回弹曲 线符合双线性压缩模型。 ( 3 ) 通过五种不同的方法( b 1 5 、b 6 0 、b 1 0 、h a r d i n 破碎率和e i n a v 破碎率) 来度 量颗粒的破碎，指出了颗粒级配、荷载等级与破碎量之间的关系：随着荷载等 级的增加，破碎使得颗粒级配朝更加良好的方向发展。重点对粒径小于0 0 7 4 m m 的颗粒破碎情况进行了分析，将极限破碎粒径设定为0 3 6 1 t m 来计算h a r d i n 破碎 率。以最高等级荷载2 0 4 8 m p a 为颗粒破碎的极限分布计算e i n a v 相对破碎率， 得出了与h a r d i n 类似的特征曲线。并以e i n a v 破碎率为基础，分析了孔隙比与 破碎率之间的关系。 ( 4 ) 利用分形理论对颗粒的破碎进行描述，并发现原级配土样存在分段分形 规律。破碎分维数d 与相对破碎率犀之间有着密切的关系，经线性拟合后，发 现二者的线性关系相当显著，相关系数介于0 9 4 6 6 至0 9 9 0 1 之间。说明分维数 d 作为度量颗粒破碎的一种量化指标是合理的。 ( 5 ) 利用图像分析对颗粒破碎前后的形状进行分析，根据颗粒图像的圆形 度、表面分维数等参数的变化，为解释颗粒的破碎机理提供了一种良好的手段。 最后，对本文的研究成果进行了总结，并就颗粒破碎的研究方向做出了展 望。 关键词：颗粒；破碎；侧限压缩试验；分维数；图像分析 a b s t r a c t c u r r e n t l y , t h er e s e a r c ho np a r t i c l ec r u s h i n gi sm a i n l yc o n c e n t r a t e di nt h es t a t i c a n d d y n a m i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs o i l si nt h el o w s t r e s sl e v e l ，b u tl e s si nt h eh i g h s t r e s sl e v e l s w i t ht h ed a m s ，t u n n e l sa n do t h e rp r o j e c t se x p a n d i n gt h es c a l e ，t h e r e s e a r c ho fs o i lp a r t i c l e su n d e rh ig hp r e s s u r ec r u s h i n gh a sg r a d u a l l yb e e np a i d a t t e n t i o n a c c o r d i n gt ot h ec o n f i n e dc o m p r e s s i o nt e s t sa n dt h eg r a i n s i z ea n a l y s i s t e s t su n d e rt h el l i 曲p r e s s u r e ，t w ok i n d so fg r a n u l a rm a t e r i a l s o fs o i lp a r t i c l e s c o m p r e s s i o nm e c h a n i s mi sd i s c u s s e d ，a n dt h ec o m b i n a t i o no ff r a c t a lt h e o r y , i m a g e a n a l y s i sb ym e a n so fad e t a i l e da n a l y s i so fp a r t i c l eb r e a k a g e t h er e s e a r c hc o n t e n t a n dt h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w ： ( 1 ) t oi n t r o d u c et h ec o n f i n e dc o m p r e s s i o nt e s ta n d t h eg r a i ns i z ea n a l y s i st e s t ( s i z e o fp a r t i c l e sl a r g e rt h a no 0 7 4 m mw e r ea n a l y z e db ys i e v i n g ；l e s st h a n 0 0 7 4 m m p a r t i c l e sw e r ea n a l y z e db y l a s e rp a r t i c l es i z ea n a l y z e r ) ( 2 ) t oa n a l y z et h ec o m p r e s s i o nd e f o r m a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o m p r e s s i o na n d c o m p r e s s i o nm o d e l o fg r a n u l a rs o i l su n d e rt h eh i 曲p r e s s u r e r e b o u n dc u r v ec o n s i s t e n tw i t hb i l i n e a r ( 3 ) f i v ed i f f e r e n tm e t h o d s ( b 1 5 、b 6 0 、b i 0 、h a r d i n sa n d e i n a v sr e l a t i v eb r e a k a g e s ) a r e u s e dt om e a s u r et h ep a r t i c l eb r e a k a g e s ，i ti n d i c a t e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n , t h ep r e s s u r el e v e l s ，t h ep a r t i c l ei n t e n s i t ya n dt h eb r e a k a g e s w i t ht h ei n c r e a s eo fl o a dl e v e l ，f i a g m e n t a t i o nm a k e st h ep a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n t o w a r d sam o r ef a v o r a b l ed i r e c t i o n i nt h i sp a p e r ，f o c u so nt h eb r e a k a g es i t u a t i o no f t h es m a l lp a r t i c l es i z el e s st h a no 0 7 4 m mo ft h eb r o k e ns o i ls a m p l e s ，c o m b i n e dw i t h h a r d i n ，sr e l a t i v eb r e a k a g e s e tt h el i m i tb r o k e np a r t i c l es i z et oo 3 6 1 上mt oe x p l o r et h e m e c h a n i s mo ff r a g m e n t a t i o no fs m a l l e rp a r t i c l e sf u r t h e r s e tt h eh i g h e s tl e v e lo f l o a d 2 0 4 8 m p aa st h eu l t i m a t ed i s t r i b u t i o no fp a r t i c l eb r e a k a g e ，a c c o r d i n gt o e i n a v s r e l a t i v eb r e a k a g e ，t h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e sa r ea c q u i r e ds i m i l a rt oh a r d i n s a tt h a t l l t i m e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es o i lr a t i oa n dt h eb r e a k a g ei sa l s oa n a l y z e d ( 4 ) u s i n gt h ef r a c t a lt h e o r yt od e s c r i b ep a r t i c l ee r u s h i n g ，i ti sf o u n dt h a tt h eo r i g i n a l p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o ns a m p l e sh a v eaf r a c t a ll o wi ng r a d e s ，w h i c he x p l a i n st h el a w o fn a t u r ef r a c t a l w i d e s p r e a d t h e r ei s ac l o s er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef r a c t a l d i m e n s i o no f b r e a k a g ed a n dt h er e l a t i v eb r e a k a g eb t al i n e a rr e g r e s s i o nr e v e a l e da l i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et w oq u i t es i g n i f i c a n t ；t h ec o e l a t i o nc o e f f i c i e n ti s b e t w e e nt h er a n g e sf r o mo 9 4 6 6t o0 9 9 0 1 i ti n d i c a t e st h a tt h ef i a c t a ld i m e l l s i o nd a s aq u a n t i t a t i v em e a s u r eo f p a r t i c l eb r e a k a g ei n d e xi sr e a s o n a b l e ( 5 ) t h ei m a g ea n a l y s i so nt h es h a p eo fp a g i d eb r e a k a g eb e f o r ea n da f t e rt h e c o m p r e s s i o nh a sb e e nd o w n , a c c o r d i n gt ot h ep a r t i c l er o u n d n e s s ，t h es u r f a c ef r a c t a l d i m e n s i o n sa n do t h e rp a r a m e t e r s i tp r o v i d e sa g o o dm e a n st oe x p l a i nt h em e c h a n i s m o fp a r t i c l eb r e a k a g e s f i n a l l y , t h i sa r t i c l es u m m a r i z e st h er e s e a r c hr e s u l t s ，a n dm a k e sap r o s p e c to np a r t i c l e b r e a k a g er e s e a r c h k e yw o r d s ：p a r t i c l e ；c r u s h i n g ；c o n f i n e dc o m p r e s s i o nt e x t ；f r a c t a ld i m e n s i o n ；i m a g e a n a l y s i s i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特i i i i 以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) 南i 过 导师( 签名嘞期 洲 武汉理下大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 土材料( 包括粘土和砂土) 是粒状颗粒的集合体，作为一种摩擦材料，它具 有压硬性和剪胀性( 含剪胀与剪缩) 。影响土的宏观力学特性的因素，除了土颗 粒本身的力学性质外，还有土颗粒间相互作用的力学特性，颗粒间的相互接触 方式等重要方面。 在平均主应力p 不大的情况下，土颗粒一般不会发生破碎，土的变形和强度 是仅由土颗粒间的相互作用所决定。在平均主应力矽较大的情况下，砂土的颗 粒易发生破碎，这种情况下，影响砂土变形和强度的因素不仅有颗粒间的相互 作用，还有颗粒破碎对砂土力学特性的影响。相对砂土来说，粘土的颗粒粒径 非常小，颗粒不易发生破碎，只有在极高压力作用下，才会考虑粘土颗粒破碎 对变形和强度的影响。而砂土的破碎在工程实际中出现较多，颗粒的破碎对土 的力学性能起到了至关重要的作用，现已有不少学者对颗粒的破碎进行了相关 的研究。 随着堤坝、隧道等工程项目的规模不断扩大，高压应力下的岩土工程课题日 益增多，岩土颗粒材料在高应力下的物理力学特性研究也越来越重要了。颗粒 破碎是颗粒材料在高应力水平下的一种基本现象，分析破碎情况对颗粒材料的 力学变形和强度特性的影响，既有理论研究价值，又有实际工程意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 土颗粒的破碎 土颗粒的破碎是指在外荷载的作用下，颗粒破裂成若干个粒径不相等的小颗 粒，导致颗粒粒径级配发生改变，从而改变了土的物理力学性质。 2 0 世纪初，b l a c k w e l d e r ( 1 9 2 0 ) 、t e r z a g h i ( 1 9 2 5 ) 、a t h y ( 1 9 3 5 ) 、b o t s e t 和 r e e d ( 1 9 3 5 ) 等通过一系列简单的压缩试验研究，得出颗粒在8 5 m p a 的压力下的 破碎量很小，导致在相当长的一段时期内，颗粒破碎的研究并没有得到人们重 武汉理工大学硕士学位论文 视。自从19 4 8 年t e r z a g h i 和p e e k 在对砂样进行高压力( 9 6 5 m p a ) 一维压缩试验 时，发现颗粒的破碎十分明显，颗粒破碎现象的研究才逐渐展开。 麻省理工学院的一些学者就颗粒破碎进行了一系列试验研究。d e s o u z a ( 1 9 5 8 ) 、h a r r e m o e s ( 1 9 5 9 ) 、r o b e r t s ( 1 9 6 4 ) 、h e n d r o n ( 1 9 6 3 ) 等人分别在相 对较高的压应力下进行了颗粒破碎研究。试验结果表吲l 】： 1 在压缩过程中，压缩指数在某处会发生突变，出现了一个临界破碎点。在 高于破碎点的应力作用下，破碎程度相当明显；初始相对密度越高，相对应的 破碎点的应力也就越高；颗粒棱角度的增加则会使破碎点的应力降低。 2 在高压( 13 8 m p a ) 应力作用下，矿物和晶体尺寸的改变并不会对破碎点的应 力产生影响。 3 还有学者提出相对密度的提高也会使破碎应力增加，在破碎应力以上，颗 粒表现出的破碎性质与上述提到的性质相类似。棱角度的增加会使破碎应力降 低，但是中间粒径变大反而会使破碎应力提高。 2 0 世纪6 0 年代，许多学者对颗粒的破碎进行了相关的研究，研究结果如下 4 - 1 0 】： 1 在给定的某一应力下，表面粗糙、形状不规则的颗粒相对来说更易发生破 碎，级配良好的砂的破碎程度要比级配不良的砂小得多。 2 材料受力后应力状态发生改变时引起的颗粒本身的破碎是影响材料抗剪 强度与压缩特性的重要因素。 3 有学者提出了临界破碎点的概念。临界破碎点是消除了初始孔隙比影响的 一个临界点，在该点以上，任何初始孔隙比的影响都不考虑，压缩曲线趋于一 致。 4 还有学者提出了一种表示破碎的新方法，用破碎前后试样某含量的粒径比 值来表示破碎率，该方法表示的破碎率为试验前后级配曲线上某含量相应点数 值上的差异，相对比较简单、直观，但是它并不能反映整体的变化情况【9 1 。 2 0 世纪6 0 年代以后，相继有许多学者提出了不同的度量破碎的方法。包括 以下几点【l l - 1 3 】： 1 用试样颗粒比表面积增量来表示颗粒破碎数量。 2 引入了破碎势的概念，认为颗粒破碎的可能性即破碎势( 砩) ，随颗粒粒径 的增大而增大，指出在高压应力作用下大颗粒将破碎成细小的粉粒，而粉粒则 被认为是不可继续破碎的，同时还定义了相对破碎率。 2 武汉理工大学硕士学位论文 3 松散的试样在压力作用下要比密实的试样的破碎明显得多。随着压力的增 大，破碎变得非常显著。 4 随着颗粒棱角度和尺寸的增加，颗粒的破碎明显加剧；疏松砂样的初始破 碎应力要比密实砂样的低。 1 9 9 9 年召开的国际土体破碎会议上人们系统的总结了几十年来土体颗粒破 碎的研究成果，对后续的研究具有极其重要的历史意义。 国内颗粒破碎的研究主要集中在低应力下颗粒材料的破碎研究。一些学者通 过扫描电镜、声发射仪等工具，从图像分析，声发射导致能量变化等角度对颗 粒的破碎进行了研究，研究结果显示【1 o 】： 1 利用扫描电子显微镜( s e m ) ，对砂土进行了微结构观测，结合围压对强度 影响的宏观特征分析发现，在高压下颗粒的破碎导致了冻土强度的急剧下降。 2 综合分析了颗粒破碎规律及物理力学特性，总结了颗粒破碎与剪胀及破碎 强度分量之间的关系。在高压下，土的剪胀已不是影响应力应变特性的主要因 素，而颗粒破碎则是主要影响因素。 3 在对强风化防渗土料的渗透特性研究时，发现增加击实功可大幅提高土料 的颗粒破碎程度。土料含水量的增加，也会逐渐加剧土颗粒的破碎程度。 4 在对钙质砂的研究时，发现颗粒破碎会导致钙质砂的声发射，它是由于颗 粒破裂使聚积的能量突然释放而产生的一种弹性波。声发射活动一定程度上反 映了钙质砂的损伤程度。在低应力水平下的变形，可分别采用弹性损伤模型和 边界面塑性模型来描述，微观上存在的颗粒破碎与滑移两种机制的耦合作用【2 2 1 。 综观目前国内外颗粒破碎的研究近况，发现人们的焦点还主要集中在对破碎 的成因方面的研究上，对颗粒破碎的机理还是缺乏系统的研究，至于颗粒破碎 对土体宏观力学性质的影响的研究工作开展得更少，最多也只处于定性分析阶 段，如何定量分析颗粒破碎的力学性质是当前的研究的重要方向。此外，低应 力下土颗粒的破碎研究较多，而高应力下的试验研究，由于试验条件等因素， 相对来说就比较缺乏，本文利用自制的压缩装置对高应力下的两种土颗粒进行 了侧限压缩试验，有一定的实际意义。 1 2 2 土颗粒的分形 分形( f r a c t a l ) ，这一概念的产生，最早出现在由美籍法国数学家曼德布罗特 ( m a n d e l b r o t ) 于1 9 6 7 年在美国科学杂志上发表的“英国海岸线有多长”这篇 武汉理工大学硕十学1 奇= 论文 论文中，并于1 9 7 3 在法兰西学院讲学期间提出分形几何的思想，随后又于1 9 7 5 年正式提出了f r a c t a l 这个词。 曼德布罗特( m a n d e l b r o t ) t 2 3 】给出的分形定义是：分形是指其组成部分以某种 方式与整体相似的形态。分形概念产生以后，许多自然界复杂现象都可以借助 这一概念来给予解释和分析。 自然界中所固有的物理分形具有复杂性、随机性和尺度有限性等特性。虽然 在自然界中不存在严格意义上的数学分形，但人们可以对具有某些分形特性的 对象建立近似的分形模型，然后利用分形这一手段，对这些对象进行研究和分 析【2 4 1 。 土体是由形状不同、大小各异的土颗粒集合而成的复杂集合体，具有杂乱无 章、随机分布、不规则等特性，而分形理论正好是研究这样杂乱的、不规则的、 随机性很强的统计规律，它为研究土颗粒的压缩破碎提供了一种全新的思路和 方法【2 5 1 。到目前为止，已有不少学者运用分形理论对多孔分散介质结构的定量 化描述做了大量的研究工作，并建立了一些颗粒破碎的分形模型，并且定量描 述了破碎指标，一定程度上揭示了分形维数与颗粒破碎程度之间的相关关系。 中国工程院谢和平院士最早将分形理论应用到岩石工程领域，并创立了“分 形一岩石力学”理论，倡导在岩石力学问题的分析与求解过程中考虑分形效应 及其影响1 2 引。 谢和平( 19 9 3 ) 【2 7 】指出，分形理论在力学领域中的应用已很普遍，从微结构的 位错分布、局部剪切场到地壳的运动和变形都已观察到了分形结构和分形行为。 他还给出了微结构、混沌与分形的关系及塑性、局部剪切的分形模型，同时讨 论了损伤断裂的分形描述以及分形熵与热力学等相关问题。岩土介质是晶粒状 材料，存在大量的孔隙。这些孔隙的存在严重地影响岩土介质的力学、物理和 化学性能【2 8 1 。分形几何已被广泛用来研究岩土的孔隙率、运输特性和渗透性等 方面。 m ed o w e l l 等) l ( 1 9 9 6 ) t 2 9 】徐永；谣( 2 0 0 6 ) 1 3 0 1 运用分形理论对颗粒破碎进行了研 究，并对其进行了简单的二维分形模拟，认为颗粒破碎的分维数介于2 肚3 0 之 间，岩石颗粒的破碎分维数接近2 6 0 ，冰粒的破碎分维数接近2 5 0 。 而在土壤学领域，许多学者已将分形理论运用于土壤结构、土壤持水、水分 运动参数等的研究。研究表明：反映土壤结构状况的某些参量，比如土壤粒径 分布、孔隙度、孔隙结构、孔隙连通状况及曲折性都具有分形特征，用分维数 4 武汉理工大学硕士学位论文 可以定量反映土壤结构状况【3 。研究成果表明 3 2 - 3 4 】： 1 土壤颗粒的累积数量与每一粒级粒径的分布具有分形特征，颗粒的数量随 粒径减小呈指数关系增加，该指数即为颗粒数量与粒径分布的分维数，其值在 2 7 0 3 4 8 之间。 2 在假定土粒的质量密度不变且不考虑不同土颗粒形状差异的基础上，建立 了土颗粒的累积重量随粒径分布的分形关系，从而简化了土颗粒粒径分布分维 数的计算。 3 运用小角度光散射分析方法研究颗粒粒径范围对粒径重量分布分形关系 的影响，发现测量精度存在局限性。认为不断提高测量精度和分析技术，更加 充分地利用粒径分布的丰富信息，才能确定更加精确的粒径分布分维数，更好 地反映土壤结构状况和土壤质地。 另一方面，土壤孔隙结构同样表现出十分显著的分形特征。最常用的研究土 壤孔隙大小及空间分布分形特性的方法是土壤切片的数字化图像分析法。包括 以下学者：h o r g a n ( 1 9 9 4 。1 9 9 6 ) 3 5 1 、z e n g ( 1 9 9 6 ) 3 6 1 、a n d e r s o n ( 1 9 9 6 ) 3 9 1 、y o u n g ( 1 9 9 7 ) 3 7 】等人。 他们分别采用图像分析方法和c t 技术对土壤切片等技术进行分形研究，结 果显示： 1 粉砂质土壤的质量和孔隙表面积都具有分形特性： 2 孑l 隙度也具有分形特性； 3 利用土壤切片的二元图像，在二维空间下，分析了描述孔隙分布特征的质 量分维数和孔隙边缘粗糙度的表面分维数。指出孔隙度、孔隙表面积表现出的 分形特征与土壤粒径分布分形特征是一致的，它是土壤孔隙和固体颗粒在空间 分布的综合反映。 目前，质量分维数和表面分维数作为描述土壤孔隙结构的有效指标已成为众 多学者的共识。由此可知，分形理论的应用，不论是在岩石力学领域、土颗粒 破碎还是土壤结构特征等方面都具有极其重要的意义。本文结合分形理论对颗 粒破碎前后的粒径级配曲线进行分析，总结了颗粒质量分维数与颗粒破碎率、 试验荷载等级之间的关系，特别指出了小颗粒( 粒径小于0 0 7 4 r a m ) 同样具有 分形规律。 武汉理工大学硕七学位论文 1 3 本文主要工作 1 3 1 目的及内容 粒状土颗粒的破碎在许多实际工程中都出现过，随着荷载的不断增加，颗粒 破碎越来越明显，破碎程度不断加深。本文以深入探究土颗粒的破碎特性为目 的，采取高压应力下的侧限压缩试验，对两种不同的颗粒材料进行试验分析， 通过不同的颗粒分析方法对试样压缩前后的颗粒分布进行描述，进一步探究颗 粒的破碎机理。 主要包括以下内容： ( 1 ) 对于两类不同的粒状土颗粒材料，在不同粒径，不同级配，不同荷载等 级等不同条件下的破碎情况进行分析研究。分析破碎前后颗粒材料的粒径分布、 级配组成，绘制压缩e l o g p 曲线，计算相关压缩系数。 ( 2 ) 通过颗粒分析试验，得出颗粒级配累积曲线。针对粒径大于o 0 7 4 m m 的 颗粒采用筛分法；粒径小于o 0 7 4 m m 的小颗粒，利用激光粒度仪进行颗粒分析， 并结合分形理论进一步寻找更合适的描述破碎情况的物理参量。根据不同的破 碎度量方法，分别计算出试样的破碎参数，并进行比较，总结各度量方法的优 劣。 ( 3 ) 将大颗粒和小颗粒的颗粒分析结果整合起来，组成完整的颗分曲线，结 合分形理论，研究质量与粒径分布之间的关系，计算分形维数，解释颗粒破碎 的分形现象。 ( 4 ) 通过图像分析，测定颗粒压缩前后的圆形度、表面分维数等参数，进一 步描述颗粒的破碎机理。 1 3 2 研究方法 ( 1 ) 压缩试验：通过高应力条件下的侧限压缩试验( 可达2 0 0 m p a 以上) ，研 究高应力下粒状土颗粒的压缩特性以及颗粒破碎机理。 ( 2 ) 颗粒分析试验：对于大颗粒采用筛分试验，获得试验前后试样粒径的分 布情况；对于小颗粒采用激光粒度仪分析试验前后土颗粒的粒径分布情况。 ( 3 ) 图像分析试验：使用高像素照相机对压缩前后的土颗粒进行拍摄，利用 图像分析软件分析颗粒的圆形度、表面分维数等参量，进一步揭示颗粒的破碎 机理。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 3 技术路线 本文拟采用的技术路线如图1 - 1 1 4 本文的特色与创新点 图1 1 技术路线 本文采用的试验手段先进，技术方法新颖，理论思路创新，对粒状土颗粒的 破碎研究具有定的开拓性，文章的创新点体现在以下几个方面： ( 1 ) 高压应力下的颗粒破碎试验目前来说还比较少见，本文中的最高应力达 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 0 4 8 m p a ，对两种粒状土颗粒来说，基本达到完全破碎的状态，对颗粒破碎的 分析提供了有力的保障。 ( 2 ) 颗粒破碎的度量方法很多，以h a r d i n 的相对破碎率研为主，他认为在 高应力作用下大颗粒将破碎成粉粒之后则不再继续破碎，所以他以粉粒粒径上 限0 0 7 4 m m 作为破碎的极限粒径。本试验中，利用激光粒度仪对小于0 0 7 4 r a m 的小颗粒进行了颗粒分析试验，分析其破碎情况，并以量测的最小粒径0 0 3 6 i t m 为破碎的极限粒径来计算h a r d i n 相对破碎率研。 ( 3 ) e i n a v 提出以极限破碎曲线为边界来计算相对破碎率研，本文中试验均 在高压应力下进行，在此假设终级荷载下颗粒完全破碎，即为极限破碎，并用 该破碎率对颗粒的破碎进行了相关描述，同时还分析了该破碎率与压力、分维 数等参数间的相互关系。 ( 4 ) 对粒径小于0 0 7 4 m m 的颗粒进行颗粒分析，结合大颗粒的筛分试验数 据，整合完整的颗粒级配曲线，并利用分形理论研究颗粒的分形现象。 ( 5 ) 使用高像素照相机对压缩前后的土颗粒进行拍摄，利用图像分析软件分 析颗粒的圆形度、表面分维数等参量的变化情况，进一步揭示颗粒的破碎机理。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 前言 第2 章粒状土颗粒材料的试验 颗粒材料的压缩广泛存在于岩土工程中，有时甚至会出现颗粒材料的破碎现 象。实践表明，颗粒破碎的诱因主要有以下两个：一是材料本身强度低，容易 受力破碎，如钙质砂、煤矸石等颗粒材料易发生破碎；二是高强度的颗粒材料 在极高应力的作用下发生破碎，如高土石坝底端和端桩持力层等位霞易发生颗 粒破碎现象。本试验则是基于后者，研究高压力下颗粒材料的破碎情况。 2 2 试验材料 2 2 1 材料来源 颗粒材料在建筑工程中使用广泛，本次试验使用的颗粒材料分为两种，一种 为取自长江武汉段江砂( 图2 - 1 ) ，另一种为武汉某工地使用的白色碎石( 图2 - 2 ) o 此两种颗粒材料在长江中下游地区均十分常见，具有一定的代表性，研究他们 的力学特性对许多工程都有重要的指导意义。 图2 - 1 石英砂图2 - 2 白云石 根据y t 0 1 6 - 1 9 9 6 波长色散型x 射线荧光光谱仪方法通则，采用荷兰 p a n a l y t i c a l 公司生产的( a x i o sa d v a n e e d ) x 射线荧光光谱仪r 如图2 3 1 ，定量分析 武汉理工大学硕士学位论文 i譬2粒-1毫黧sioi2897 2 簖= = 。一 份。由表可知，江砂样的l i ； 含量达到，可判断其主要y m鼢go鬻篓缀28麓64f，辫?，233044 的含量分别为和fa 羹矿、 ，并且伴有7 4 的烧失 量，可判断其主要成分为钙镁碳酸 盐，即白云石，化学成分为 一 c a m g ( c 嘶 l 图i i 高赢谱莜蔷一 了o ! 石英砂白云石 s l o ： 2 9 5 a 1 2 0 3 0 0 0 f v 2 0 30 0 8 0 c a o m g o 2 3 3 0 27 2 未检出 n 来检出 t i q 未捡出 未捡出 b 0 5 未检出 m n o 来检出 来检出 烧失量 2 2 2 材料的基本物理性质 2 221 基本物理参数 试验前先将试样烘干，待做具体分析。石英砂试样的基本物理参数列于表 2 - 2 。经过对初始石英砂样的颗粒分析得出了砂样颗粒分析曲线( 图2 _ 4 ) 。对于白 云石颗粒，经筛分后得到其粒径为2 - s m m ，较为单一。 习 武汉理工大学硕士学位论文 表2 2 石英砂样的基本物理参数 最d , t l 隙比最大孔隙比限定粒径中间粒径有效粒径不均匀系数曲率系数 兰婴亟星堂5望鲤f 堡里!旦! q f 堡坐2旦! q ! 里婴2垦女 0 7 00 8 50 7 00 3 5 0 2 03 50 8 7 5 粒径( 姗) 图2 4石英砂颗粒分析曲线 2 2 2 2 比重 土颗粒的比重是土在1 0 5 1 1 0 下烘至恒值时的质量与土粒同体积4 纯水 质量的比值，是一项直接测定的参数，主要是用以计算孔隙比，压缩系数的等 物理力学指标。它的变化对其它计算值影响不大。 土工试验方法标准( g b t 5 0 1 2 3 1 9 9 9 ) 规定t 4 1 1 ，测定比重的方法有比重瓶 法、浮称法、虹吸筒法。粒径小于5 m m 的土采用比重瓶法。本文采用纯水为介 质的比重瓶法对不同粒径的石英砂颗粒进行试验。得到两种材料的比重见表2 3 。 摹立山求陋窖菩=删巢州艇巢眯巾 武汉理工大学硕士学位论文 表2 3 两种颗粒材料的比重( g s ) 颗粒材料石英砂颗粒 白云石颗粒 比重g 。 2 728 5 2 223 孔隙比 对于评价粒状士而言，孔隙比无疑是一个重要的指标。本文采用天然密实 法，试样经过漏掉均匀地分层装填在压缩装置中，用切士刀将试样容器口抹平， 取出试样，称其质量，结合土颗粒的比重，容器的容积，计算砂样的初始孔隙 比。 结果测得该砂样的初始孔隙比为08 0 ，在石英砂孔隙比的通常范围内。为 了方便计算，本试验中的石英砂和白云石两种颗粒材料的韧始孔隙比均取o8 0 。 2 224 颗粒形状 土的性质与颗粒形状也有直接的联系，本砂样中有少量颗粒形状不规则的 大粒径砂粒，它们一方面增大了试样的孔隙比，另一方面在其受到作用力时， 棱角处极易产生断裂，导致颗粒破碎，从而影响其宏观力学性质。并且大颗粒 在破碎中会使得破碎率更具有随机性，对试验结果会产生一定的影响。 2 3 试验方法 2 3l 侧限压缩试验 侧限压缩试验也称单向压缩试 验。所谓侧限，就是使土样在竖向 压力作用下只能发生竖向变形，而 无侧向变形。它所确定的的应力 应变关系曲线一般表示为f - l o g ； 曲 线，e 为孔隙比，p 为施加的竖向压 力。图2 1 试验装置 武汉理工大学硕+ 学位论文 2 3 1 1 试验装置 本试验采用自制的侧限压缩仪，如图 2 1 。在直径为2 8 5i i l l l l 、高为1 2 0l l n l 的 q 3 4 5 圆形钢锭上，加工出直径为7 9 8m i 1 ， 高为2 0i l l n l 的盲孔，用于装填土颗粒试样。 由最大压力位2 0 0 t 压力机经由钢锭活塞施 加上部荷载到试样上，为了使钢锭活塞能自 由运动，其尺寸设计为直径7 7 8m i l l ，高 2 0 0m n l ，如图2 2 。利用a b a q u s 有限元 分析软件验算装置的硬度和强度，确定装置 的安全可靠性，结果显示：钢件在2 5 0m p a 压力下的最大主应力为1 9 7 4m p a ，最大位 二瑟酗m 图2 2 自制压缩仪尺寸示意图 移为4 8 1 1 0 之i n n l ，装置的强度和刚度均满足试验要求，且其变形误差可以忽略 不计【4 0 】。 2 3 1 2 试样制备 试验前将石英砂样清洗烘干后进行筛分，按照 5 m m 、2 - 5 m m 、1 - 2 m m 、 o 5 1 m m 、0 2 5 0 5 m m 、o 1 0 2 5 m m 、0 0 7 4 0 1 m m 和 o 0 7 4 m m 八个粒径范围 分别密封保存。制样时根据石英砂的原始颗粒级配进行配比制样，制成级配完 全相同石英砂原状试样a l a 9 ；细砾砂样( 2 5 m m ) b 1 b 9 ；粗砂砂样( 1 2 m m ， 4 0 ；0 5 1 m m ，6 0 ) c 1 , - - c 9 ；中砂砂样( 0 2 5 0 5 m m ) d 1 d 9 。 经筛分得白云石颗粒粒径范围较窄，为2 - 5 m m 的细砾，同上取质量相同的 试样e 1 - e 9 。 表2 4 试样制备情况 武汉理工大学硕士学位论文 用电子天平称量，试样质量均取1 5 0 9 ，以保证在压缩试验时，均匀的装入 容积固定的压缩仪中，从而得到相同的原始孔隙比。试样制备好后，放入试样 盒中封装待用。 2 3 1 3 压缩试验方法 先将固结仪置于压力台中央位置，移动压力台使得固结仪对中，以保证压力 均匀作用于整个试样上。为了减小压缩过程中试样与侧壁的摩擦，在盲孔内壁 应均匀涂抹一层硅油，然后通过漏斗于适当高度将试样分层装填入固结仪中， 用小刷子轻刷试样使其均匀分布 4 0 l 。在压力柱左右各吸一表座，将百分表打在 固结模具上，以减小由于压力柱非绝对水平所带来的误差。通过百分表测出压 力柱与固结模具的相对位移，即试样的压缩量，利用下式计算压缩前后孔隙比 的变化。压缩后孔隙比为： 矿一丝一舾 2 m 厂 ( 2 1 ) 其中s = 竺l = 5 0 c m 2 ， 为相对位移，m 、，、y 分别为试样的质量、比重和体 4 积。 将固定好百分表的压力柱放置于试样正上方，保持其水平，并记录其初始读 数。待装置准备好后，开始进行分级加载，加载率为p p = 1 ，荷载等级分别为 0 8 、1 6 、3 2 、6 4 、1 2 8 、2 5 6 、5 1 2 、1 0 2 4 、2 0 4 8m p a 共9 级。每级加载后 读两块百分表一次，记录读数，并取其取平均值，时间间隔为1 5 分钟，当前后 两次读数小于0 0 1 m m 时，可以认为本级加载基本稳定，进行下一级加载。卸载 试验分别在3 2 、6 4 、1 2 8 、2 5 6 、5 1 2 、1 0 2 4 、2 0 4 8m p a 时进行卸荷，并记录 卸载后两块百分表的读数，取平均值。试验结束后，取出试样，用原试样盒封 装待用。 在试验中，当压强增加至1 0 2 4 m p a 时，e 组试样( 即白云石试样) 土颗粒 已完全固结，卸载后极不易从压缩仪中取出。表明在1 0 2 4 m p a 压强下，试样已 完全破碎，因此放弃更高等级的荷载试验。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 1 4 误差分析 1 由于试样在固结装置中很难保证其表面绝对水平，导致压力柱有一定倾斜 的可能，试样受压不均匀。 2 试样的高度、面积、体积和轴向应力等参数由于装样的偶然性而发生改变， 原有的试验条件也随之改变。 3 为了消除这些影响，根据实际经验可先对试样进行微小压力的预压，微小 压力应在3 2 m p a 以内。 4 在压力柱上增设更多的百分表取平均读数也可降低压力柱不水平所带来 的误差。 2 3 2 颗粒分析试验 颗粒分析试验是测定干土中各种粒组所占该土总质量的百分数的方法，借以 明确颗粒大小分布情况，用于土的分类及概略判断土的工程性质及选料。 2 3 2 1 筛分法( 0 0 7 4 m m 颗粒分析) 根据土工试验方法标准( g b t 5 0 1 2 3 1 9 9 9 ) ，大于0 0 7 4 m m 的土颗粒采用 筛分法。结合本试样的粒径大小，分析筛的孔径取1 0 、5 、2 、l 、o 5 、0 2 5 、0 1 、 0 0 7 4 m m ；天平采用电子天平，最小分度值0 0 1 9 。其他仪器设备包括：振筛机、 烘箱、研钵、瓷盘、毛刷等。 筛析法试验应按下列步骤进行【4 l 】： ( 1 ) 按规定称取试样质量1 5 0 9 ，应准确至0 0 1 9 。 ( 2 ) 将试样过2 m m 筛，称筛上和筛下的试样质量。当筛下的试样质量小于 试样总质量的1 0 时，不作细筛；分析筛上的试样质量小于试样总质量的1 0 时，不作粗筛分析。 ( 3 ) 将筛上的试样倒入依次放好的粗筛中，筛下的试样倒入依次放好的细筛 中，进行筛析。细筛宜置于振筛机上振筛，振筛的时间一般为1 0 - - , 1 5 r a i n 。由上 而下的顺序将各筛取下，称各级筛上及底盘内试样的质量，准确至0 0 1 9 。 ( 4 ) 保证筛后各级筛上和筛底上试样质量的总和与筛前试样总质量的差值 不得大于试样总质量的1 。 ( 5 ) 记录各级筛分的质量数据，绘制级配曲线图。 武汉理t 大学硕士学位论文 2 322 激光散射法r o0 7 4 m m 颗粒分析) 由于试样数量偏多，对于小于0 0 7 4 n m a 的颗粒，本试验采用相对方便快捷 的激光散射法进行颗粒分析，而非密度计法。 ( 一) 激光散射法的基本原理 激光光衍射法叉称为小角激光光散射( l a l l s ) ，此方法的适用粒径范围可达 01 - 3 0 0 0 u n 。该方法的原理基于夫琅和费( f m u n h o f e r ) 衍射，依赖于最大光强衍 射角与粒度成反比的事实： 根据不同粒径的颖粒产生的衍射光角度的分布不同，用阵列探测器探测激光 通过颗粒后的衍射能量分布及其相应的衍射角度，由此反演出被测样品的粒径 分布，其特点是被测颗粒粒径必须大于激光光波波长。激光粒度仪的基本原理 见图2 3 。 图2 3 激光粒度仪原理示意图 本试验采用马尔文仪器的m a s t e r s i z e r 2 0 0 0 激光粒度仪。仪器组成如下： ( 1 ) h e - n e 气体激光器u ：o6 3 岬) ，它能提供晟佳稳定性( 尤其