（岩土工程专业论文）高压应力下石英砂颗粒破碎机理的试验研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 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甚少，而对石英砂的颗粒破碎研究则更不多见。 本文结合单向压缩试验，对石英砂的压缩机理进行了探讨，并就颗粒破碎的影 响进行了详细分析。主要工作如下： 首先，在综述砂土颗粒破碎的研究历程的基础上，对本次试验所用的石英 砂的基本物理性质以及矿物成分进行了阐述，根据试验目的和要求，设计研制 试验装置；对试样制备、试验设备、试验方法和试验中可能遇到的问题进行了 详细的说明。 简要总结了无粘性土的压缩模型和影响无粘性土压缩特性的因素。在对石 英砂大量不同终止压力下的单向压缩试验的基础上，对石英砂压缩特性进行了 探讨。认为石英砂在高应力单向压缩下的变形绝大部分为塑性变形。 笔者对试验前后试样进行颗粒分析试验，运用h a r d i n 提出的相对破碎对压 缩作用下的破碎特征进行描述，并就相对破碎与颗粒粒径、颗粒级配、应力水 平、应变关系进行了探讨。得出以下结论：天然石英砂颗粒在高压应力下会发 生明显的破碎现象；颗粒破碎率随所受压力和颗粒粒径的增大丽增加，且破碎 使得颗粒级配向良好的方向发展，级配良好的颗粒的破碎率较低。石英砂颗粒 破碎与塑性功间呈二次曲线关系。 最后，对本文的研究成果进行了总结，并就石英砂的研究方向做出了展望。 关键字：石英砂，高压应力，单向压缩试验，颗粒破碎 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t , t h ed o m e s t i cs t u d i e so fp a r t i c l eb r e a k a g em a i n l yc e n t e ro i lt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t yo fd e a da n dd y n a m i cs o i l su n d e rt h el o ws u e s s h o w e v e r l i r l e w o r kh a sb e e nd o n eu n d e rt h eh i 【g hs t r e s s ，t h ep a r t i c l eb r e a k a g es t u d yo nq u a r t zs a n d i sm u c hf e w i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ec o m p r e s s i o nm e c h a n i s ma n dm a k e sa d e t a i l e d a n a l y s i so nt h e i n f l u e n c eo fp a r t i c l e b r e a k a g e ，t h eu n i d i r e c t i o n a l c o m p r e s s i o nt e s tw a sc a r r i e d t h i si n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i so w h sr e l a t i v e l y i m p o r t a n tm e a n i n go nd e v e l o p i n ga n di m p r o v i n gt h em e c h a n i c a lp r o p e r t ys t u d yo f n a t u r a lq u a r t zs a n d , g u i d i n gt h er e a l i s t i ce n g i n e e r i n gd e s i g n , c o n s t r u c t i o na n ds a f e t y i n s p e c t i o n , a n de n h a n c i n g t h es t u d yl e v e lo fp a r t i c l eb r e a k a g e t h em a i nw o r k sa r c s h o w na sf o l l o w s ： f i r s t l y , b a s e do ns u m m a r i z i n gt h es t u d yh i s t o r yo fs a n dp a r t i c l eb r e a k a g e ，t h e p a p e re x p o u n d st h eb a s i cp h y s i c a lp r o p e r t ya n dm i n e r a lc o m p o n e n t so ft h en a t u r a l q u a r t zs a n d su s e di nt h i st e s t ，d e s i g na n dd e v e l o p t h et e s td e v i c ea c c o r d i n gt ot h et e s t o b j e c t i v ea n dr e q u i r e m e n t , a n dm a k e sad e t a i l e de x p l a n a t i o no nt h et e s te q u i p m e n t , t e s ts a m p l ep r e p a r a t i o nm e t h o d , t e s tp r o c e d u r e ，t h ep r e p a r a t i o ns t e p sa n dp o s s i b l e p r o b l e m si nt h et e s t t h ec o m p r e s s i o nm o d e la n dt h ec o u r s eo fc o m p r e s s i o nc h a r a c t e r i s t i ca r eb e i n g s u m m a r i z e db r i e f l y b a s eo nt h em a s s i v eo n e - d i m e n s i o nc o m p r e s s i o nt e s t si n d i f f e r e n te n d i n gp r e s s u r e ，t h ec o m p r e s s i o nc h a r a c t e r i s t i co fn a t u r a lq u a r t zs a n di s b e i n gs t u d i e d t h eo v e r w h e l m i n gm a j o r i t yc o m p r e s s i o ni sp l a s t i cd e f o r m a t i o n t h ea u t h o rm a k e st h ep a r t i c l es i z ea n a l y s i st e s to ht h es a m p l e si na l lt e s t s ，u s e s t h er e l a t i v eb r e a k a g ep u tf o r w a r d sb yh a r d i nt od e s c r i b et h eb r e a k a g ec h a r a c t e r i s t i c s u n d e rt h ec o m p r e s s i o n ，a n di n v e s t i g a t e st h er e l a t i v eb r e a k a g ea n dp a r t i c l es i z e ， p a r t i c l ec o m p o s i t i o n ，s 仃e s sl e v e l ，a n ds t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s h i p i ti ss h o w n t h a tt h e p a r t i c l eb r e a k a g eg r o w su pw i t ht h ei n c r e a s i n go fp r e s s u r ea n dt h ed i a m e t e ro f p a r t i c l e ，b e t t e rc o n s t i t u t i o nl e a d st ol e s s e rt h eb r e a k a g er a t e ，m o r e o v e rt h eb r e a k a g e r a t ea n dp l a s t i cw o r kh a sar e p e a t e dc u r v er e l a t i o n f i n a l l y , t h ea u t h o rs u m m a r i z e st h es t u d yf i n d i n g sa n dl o o kf o r w a r dt ot h es t u d y d i r e c t i o no ft h eq u a r t zs a n d k e yw o r d s ：q u a r t zs a n d ，h i g hp r e s s u r e ，o n e d i m e n s i o nc o m p r e s s i o nt e s t ，p a r t i c l e b r e a k a g e 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，除了文中特别加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它教育 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。 签名： 关于论文使用授权的说明 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、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名：导师签名： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 石英砂是一种坚硬、耐磨、化学性能稳定的硅酸盐矿物，其主要矿物成分 为s i 0 2 ，石英砂的颜色为乳白色或无色半透明状，硬度7 ，性脆，无解理，贝 壳状断口，油脂光泽，相对密度为2 6 5 ，其化学、热学和机械性能具有明显的 异向性，熔点1 7 5 0 1 2 。颜色呈乳白色、淡黄、褐色及灰色，石英有较高的耐火 性能。 石英砂的分布相当广泛，在各类工程中都涉及到。特别是在经济发展，技 术进步的今天，在越来越多的高层超高层建筑及港口大坝的建设中，作为地基 的土体承受了相当高的应力。在高应力作用下，作为地基土填充料的石英砂颗 粒破碎现象比较普遍，颗粒破碎引起了土体力学性质的改变，如应力应变关系、 渗透性、粘聚力、内摩擦角等，给工程带来很多不确定的安全问题。所以对于 石英砂在高应力下的破碎研究具有比较重要的现实意义和理论价值。不仅为工 程正确规划与合理设计、施工提供科学依据，还有助于评价已建工程出现的裂 缝、渗漏、塌陷等问题的整治措施。本文试图通过试验研究以及前人的经验探 索石英砂的压缩破碎特性。 1 2 国内外研究现状 土的颗粒破碎早在2 0 世纪初就引起人们的注意。许多学者等进行一些简单 的试验研究。即使在较高压力下，其破碎量都较小，在相当长的一段时间内， 颗粒破碎没有引起人们的关注，这方面的研究也停滞不前。t e r - z a g h i 等人( 1 9 4 8 ) 【1 】 对砂样进行了高达9 6 5i v i p a 的单向压缩试验，结果发现颗粒破碎十分显著。他 还对三种不同砂进行了压力超过1 0 0m p a 的试验，结果表明：在压缩过程中压 缩指数发生变化处出现了一个临界破碎点，在高于破碎点的应力作用下，破碎 相当明显；初始密度越高，对应破碎点的应力也会越高。颗粒棱角度的增加会 使得破碎点应力下降，不同级配对破碎点的应力也有影响，中间粒径的减小会 使破碎点的应力变大。此外，加载越缓慢，破碎越显著。在对一系列砂样进行 武汉理工大学硕士学位论文 了最高压力为2 7m p a 的单向压缩试验中，发现密度的提高会使破碎应力增大。 在破碎应力以上，棱角度的增加会降低破碎应力；但是中间粒径变大会使破碎 应力提高。 与此同时，b e e 1 9 6 3 ) i 列对t e 死a g h i ( 1 9 4 8 ) 提出的说法进行验证，即在9 8m p a 以下破碎可以忽略不计；在9 8m p a 以上，随着应力的增加，破碎急剧降低， 他对均匀的砂样进行了单向压缩试验，发现在应力为1 5m p a 时，破碎相当明 显，当应力达到3 4m p a 以上，随着应力的增加逐渐降低。 k j a e r n s l i 等a ( 1 9 6 3 ) 3 】在给定的应力下，不规则、表面粗糙的颗粒更易发生 破碎。h a l l 等人( 1 9 6 3 ) 【4 】发现在给定的应力条件下，级配良好的砂要比级配不良 的破碎程度小的多。 m a r s a l ( 1 9 6 5 ) 5 】在对土的抗剪强度进行讨论时，提出了一种表示破碎度量的 方法，即以试验前后试样粒组百分含量的正值之和来表示破碎率。对堆石进行 大规模试验后认为，影响材料抗剪强度与压缩特性最重要的因素是当材料受力 后应力状态发生改变时引起粒状颗粒本身的破碎。 l e e 等a 0 9 6 7 ) 6 】在对土石坝反滤材料进行研究时提出了一种表示破碎的方 法，研究的目的是验证大量颗粒破碎是否会堵塞坝体的反滤层。他们对砂样进 行了一系列的等向加载和比例加载试验，提出用颗粒粒径变化的比值来表示颗 粒破碎程度，即用破碎前后试样某含量的粒径比值表示，这种方法表示的破碎 率为试验前后级配曲线上某含量相应点的水平差距，比较简单直观，但对反映 整体变化情况欠佳。 v e s i c 等人( 1 9 6 9 ) 1 7 l 对c h a t t a h o o c h e e 河砂进行了一系列的三轴压缩试验，提 出了临界破碎点的概念。临界破碎点实际上就是消除了所有孔隙比影响的一个 临界点，在这个点以上，任何初始孔隙比的影响都将消失，压缩曲线趋于一致。 由试验条件所限，所有的三轴试验压力均低于1 3 8m p a 。 m i a r a 等a ( 1 9 7 9 ) i s 在研究颗粒材料剪切过程中的颗粒破碎田提亩了用试 样颗粒比表面积增量来表示颗粒破碎数量。 为了克服以往对破碎度量时只考虑某单一粒径或某一含量的缺点，h a r d i n ( 1 9 8 5 ) 【9 】引入了破碎势的概念( p o t e n t i a lf o rb r e a k a g e ) ，提出了一种表示破碎的 方法，破碎势( 巩) 即颗粒破碎的可能性。该法认为颗粒破碎的可能性随颗粒粒 径的增大而增大，在高应力作用下大颗粒将破碎成粉粒，而粉粒则被认为是不 可继续破碎的，他还定义了相对破碎。 2 武汉理工大学硕士学位论文 为了就中间粒径对颗粒破碎的影响做出充分认识，h i t e ( 1 9 8 5 ) 1 0 l 选用 o t t a w a 砂、b l a c kb e a t y 矿渣和纯方解石进行了一系列试验，压力高达3 4 5m p a 。 由于方解石在试验后无法分离，而且结果都很离散，所以没有得到有用的结果。 试验表明，松散的试样在压力作用下要比密实的试样的破碎明显的多。压力在 1 0 3m p a 至3 4 5m p a 之间时，随着压力的增加，破碎变得非常明显，这有别于 d e b e e r 的结果和t e r z a g h i 在1 9 4 8 年提出的假设。 为了验证破碎是否会在高压下停止，m i a l - a 等人期对疏松的砂样( o t t a w a 砂、b l a c kb e a t y 矿渣) 进行了压力高达6 8 9m p a 的压缩试验，得到的结果与 i - r i t e 的一致。m c d o w e l l 等人( 1 9 9 6 ) 【1 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，得出一些工程材料的分形维数为2 5 。 1 9 9 9 年7 月在日本山口大学召开的国际土体破碎会议，系统的总结了几十 年来土体颗粒破碎的研究成果，是土体颗粒破碎研究发展史上的里程碑。 相比之下，国内对颗粒破碎研究的文献并不多见。蒙进等人( 1 9 8 9 ) 1 1 2 1 对四 川瀑布沟黑马料场的冰碛土的颗粒破碎进行了研究。他在研究其应力应变关系 时指出，在高压下，剪胀已不是影响应力应变特征的主要因素，起影响作用的 是颗粒破碎。颗粒破碎与围压和应变也有很大的关系。在中低压范围内，颗粒 破碎主要是受应变大小控制；随着应变的增加，总破碎量是以减速率增加的， 因而应变特性呈硬化型或软化型；而在更高的围压下，由于一开始颗粒就承受 了较大的压力，因而在应变较小时颗粒破碎就达到很大。当应变较大时，颗粒 破碎梁的增加率比中低围压的还要小，总的破碎更加慢，所以在这种情况下， 应力应变曲线呈明显软化特性。 马巍等人( 1 9 9 5 ) 1 1 3 】利用扫描显微镜，对饱和冻结兰州砂土在5 和围压 ( 0 - 2 2 m p a ) 下进行了结构观测，结合围压对强度影响的宏观特征分析发现在 高压下颗粒破碎导致了冻土强度急剧下降。 郭熙灵等人( 1 帅【1 4 j 通过对三峡花岗岩风化石渣的三轴试验和平面应变试 验，给合日本森吉山安山和玄武岩的三轴试验结果，综合分析了颗粒破碎规律 及有关力学特性，分析了破碎与剪胀及破碎强度分量的关系。 温彦锋等人( 2 0 0 0 ) 【1 5 】在对强风化防渗土料的渗透特性研究时，发现增加击 实功可有效提高土料的颗粒破碎程度，另外他还发现，随着含水量的增加，土 的颗粒破碎程度也逐渐加剧。 孙吉主等人( 2 0 0 0 ) u 6 j 在对钙质砂进行研究时，发现颗粒破碎会导致钙质砂 3 武汉理工大学硕士学位论文 的声发射。他指出，钙质砂的声发射就是在变形的过程中，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，因此，声发射活动反映了钙质砂的损 伤程度。他将声发射从岩石研究中引入钙质土颗粒破碎的研究中，必将对深入 认识颗粒破碎产生重要影响。 刘希亮( 2 0 0 1 ) i ”j 对高应力下石英砂与不同结构接触面抗剪强度的试验研 究。他认为高应力作用下不同结构界面剪切过程中土体都呈现出剪缩性，体积应 变随剪切位移的增大而增大，这与低应力作用下的变化规律是不同的，这主要是 由剪切过程中颗粒的破碎引起的，体积应变的大小受接触面的刚度和正应力的 大小共同影响总之，高应力作用下石英砂与结构接触面的剪切特性的研究应充 分考虑基底材料的刚度大小和土体颗粒的破碎效应 汪稔等人( 2 0 0 2 ) 1 1 8 j 在对钙质砂进行研究时，针对钙质砂在低应力水平下的 破碎现象，指出其变形在微观上存在着颗粒破碎与滑移两种机制的藕合作用， 并分别采用弹性损伤模型和边界面塑性模型予以描述，对建立钙质砂可靠的本 构关系做了新的尝试。 张家铭( 2 0 0 叫埘】在对钙质砂研究时，指出颗粒破碎是随着围压或轴压的增 加而增加的，由于单向压缩下剪应力的存在，在相同压力做用下破碎要比等向 压缩下的大。此外还探讨了颗粒破碎与钙质砂宏观力学性质之间的关系，指出 颗粒破碎对钙质砂宏观力学性质有着重要的影响，就颗粒破碎、塑性功、剪胀 与抗剪强度的关系进行了分析。 徐永福( 2 0 0 6 ) 闭认为分形理论可以用来描述粒状体的颗粒破碎现象，颗粒 破碎的分维介于2 0 3 0 之间，岩石颗粒破碎的分维接近2 6 0 ，冰粒破碎的分 维接近2 5 0 。用颗粒破碎的分维可以很好地解释颗粒破碎强度的尺寸效应和计 算颗粒破碎的几率，用颗粒破碎的分形模型可以修正传统的w e i b u l l 统计理 论，修正后的w e i b u l l 理论能用于计算粒状体的压缩变形。 综上所述，对于颗粒破碎方面的研究，受条件所限，我国研究者主要在钙 质砂及其他石料等低强度颗粒的破碎机理做了大量的研究工作，实验往往是在 常应力水平上开展的，难以达到石英砂的破碎应力，颗粒破碎量极为有限。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本文主要工作 1 3 1 研究内容、目标 ( 1 ) 设计制作高应力条件下的单向压缩试验装置，对石英砂开展高应力水 平下的压碎试验； ( 2 ) 研究石英砂的压缩破碎特性，揭示石英砂的压缩破碎机理。 ( 3 ) 研究石英砂颗粒破碎率且与颗粒粒径、级配、塑性功等之间的定量关 系。 1 3 2 , 采取的研究方法、技术路线 ( 1 ) 压缩试验：通过高应力条件下的压缩试验( 可达2 0 0 0 k n ) ，研究高应力 下石英砂的压缩特性以及颗粒破碎机理。 ( 2 ) 颗粒分析试验：通过对压缩前后颗粒筛分，以获得试验前后试样粒径 的信息，研究颗粒破碎机理。 本文研究所采取的技术路线见图1 - 1 框图： 图1 - 1 技术路线 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 研究特色与创新点 ( 1 ) 针对目前的颗粒破碎试验主要在破碎应力较低的钙质砂中开展，本文 设计制作了高应力水平下的压缩试验装置，使得在超高压力下研究石英砂颗粒 破碎成为可能。 ( 2 ) 通过对本文压缩试验前后的颗粒分析数据，对比了几种常用的颗粒破 碎度量方式，比较其优劣；提出了石英砂颗粒破碎历与颗粒粒径、颗粒级配、 塑性功等之间的定量关系。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章试验装置 在对石英砂的单向压缩试验中，遇到的第一个难题就是试验装置的问题。 由于石英砂的硬度相当高，相应破碎应力也较大，试验方案中施加的最大应力 高达2 0 4 8m p a 。鉴于目前的试验装置不能满足本实验的要求，本文对试验装 置进行重新设计，旨在提供更高的应力条件，试验装置的变形控制在允许的范 围之内。采用a b a q u s 软件对试验装置的强度和变形进行验算。 2 1 试验装置设计 图2 - 1 为本试验装置示意图。综合考虑试验要求，固结模具和压力柱的材 料采用q 3 4 5 钢，且为了提高试验的精度，克服钢件在试验中的变形而带来误 差，固结模具和压力柱的表面都经过淬火处理。为使两钢件平稳结合，设置固 结模具的凹槽直径略大与压力柱直径。试验装置的具体尺寸见图2 - 2 。 图2 - 1 试验装置示意图 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 强度和变形验算 2 2 1 模型的建立 图2 - 2 固结模具和压力柱 有限元模型由不同的部分组成，它们共同描述所分析的物理问题和获得需 要的结果。一个模型包括如下信息：几何形状、材料数据、荷载和边界条件、 分析类型和输出要求等等。图2 3 和“分别为模型图和单元划分图，其中单 元划分以四边形单元为主。计算模块采用a b a q u s 中的s t a t i c 。 根据我国钢结构设计规范( g b 5 0 0 1 7 2 0 0 3 ) ，取钢材( q 3 4 5 钢1 的屈服强度 鼻= 3 1 5m p a 计算过程中考虑材料非线性、几何非线性。钢材的弹性模量取 e = 2 0 6 0 0 0m p a ，泊松比取0 3 。 图2 - 3 模型图 8 图7 , - 4 模型划分网格 0 j ； 武汉理工大学硕士学位论文 圈2 - 5 有限元应力计算( 应力单位：m p a ) 图2 6 有限元位移计算( 位移单位，m m ) 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 计算结果 图2 5 、图2 - 6 即为有限元计算软件计算的数值模拟模型的位移及应力分布 图。从图中我们可以清楚的看到在该钢件的最大应力区域的应力为1 9 7 4m p a ， 通过验算；其最大变形也比较有限，为4 8 1 x 1 0 2m m 。故其强度和变形均满足 本试验之要求。 2 3 本章小结 ( 1 ) 综合考虑试验要求以及其中可能出现的问题，设计了本文的试验装 置。 ( 2 ) 对本文设计的试验装置运用有限元划分建立模型并进行计算，验证了 其安全性和可靠性。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章石英砂的单向压缩试验研究 土体的压缩通常由三部分组成：固体土颗粒被压缩或破碎；土中水及 封闭气体被压缩；水和气体从孔隙中被挤出1 2 。而在本文试验所用的石英砂 中，经过烘干后，其体积的缩小则主要来源于砂粒的重新排列和破碎。 与很多材料一样，石英砂在受力后也会产生形变，石英砂在较低压力下固 结变形小，本章利用高压加载使其产生明显的固结变形，进而研究其压缩特性。 而对高应力下的石英砂的压缩特性的研究，将给地基处理设计人员带来更多可 供参考的资料，从而使得工程设计更为合理。 3 1 无粘性土的压缩 土体在压力、温度及其它周围环境改变时引起体积变化的性质，称为土的 压缩性。土体膨胀是压缩的逆过程。压力改变是引起土体压缩的最常见的原因。 通常所说的压缩是指土体在应力改变的条件下引起的体积改变。土体压缩会导 致建筑物地基的下沉，从而直接影响上部建筑物的使用条件和安全。 在工程应力范围内无粘性土的压缩较粘性土要简单的多。但是随着高层建 筑以及超大型水坝等的修建，作为地基的土体承受的应力越来越高，有的甚至 超3 5 0m p a 2 2 1 ，在高应力作用下，无粘性土颗粒破碎现象非常严重。颗粒破碎 会引起土体性质的改变，如应力应变关系、渗透性等，因此研究这种情况下无 粘性土的压缩就具有重要的现实意义。 3 1 1 无粘性土压缩特性的影响因素 在无粘性土中，土粒基本为单粒结构，细砂有的也呈蜂巢结构，这类土的 压缩，主要取决于土颗粒的重新排列和破碎。移到较密实的更为稳定的平衡的 位置，在低压作用下，土颗粒发生滚动或滚动，位移量或压缩量的大小，视土 粒问抵抗位移的粒间摩擦阻力而定。土的级配愈好，密实度愈高，土粒位移受 到的阻力就愈大，压缩变形就小。在高应力侧限条件下压缩，通常表现是瞬时 下沉，继之以减速率的长期变形，后者是土粒克服阻力逐渐调整位置的过程。 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 在此过程中，部分颗粒由于受力发生弯曲而产生弹性变形，随着压力的进一步 提高，土体颗粒出现破碎现象。土颗粒压碎的程度，随着压力和粒径的增大而 加剧，棱角状的土颗粒更易被压碎。粗粒土常表现为粒问直接的点接触，接触 点的数目与土的级配和密度直接有关，这也是土体的级配和密度影响其压缩性 的原因之接触点处的平均力，随粒径的增大而剧增。表3 - 1 所列是一组统计成 果。 表3 - 1 粗粒士的接触点与接触点力嘞 大多数人认为，在低压时，土体积的改变主要是因为土体颗粒发生的弹性 压缩和颗粒的重新排列( 包括滑动和滚动) ；而在达到极限压缩曲线时，颗粒破碎 起着控制作用。 土体的结构对其压缩也有影响，在其结构未破坏之前，压缩性小，一旦结 构破坏，其压缩性必将增大。对于砂土来说，胶结程度对其压缩性有着明显的 影响。本文所讨论的为未胶结的石英砂，因此对此不予考虑。 组成无粘性土的颗粒的矿物成份对其压缩性有着明显影响，颗粒矿物成份 的硬度越高，则在相同的压力作用下其发生破碎的概率就越小，压缩性也就越 小。例如石英砂和钙质砂比较起来，前者的压缩性就小的多。 孔隙中的流体也可影响无粘土的压缩性( m i u r a 等f s j ) ，这主要是因为孔隙中 的流体降低了裂隙扩张的表面能，从而增大了颗粒破碎的可能。 应力条件对砂的压缩性也有明显的影响。尽管大多数学者认为砂土在单向 压缩时表现的性质与等向压缩条件下几乎差不多，但是由于剪应力的存在加剧 了颗粒破碎，因此在相同条件下，等向压缩的压缩量就小。 压缩性也与时问有关，在极限压缩区，即使是对于单一级配的干砂来说， 随着时间的增加也会出现蠕变现象。 3 1 2 无粘性土的压缩模型 随着土力学的发展，人们对土的认识的进步深化，在研究无粘性土的压 缩过程中提出了多种模型。其中最广泛应用于工程实践中函数模型为双线性模 型。 武汉理工大学硕士学位论文 双线性模型是人们所用最多的、也是最熟悉的模型。通常在。e l o g o 空 间中用下述公式表示： 加载过程： 吃t e o - a l n p 卸载过程： 巳m e c - x i n p 双线性模型认为，试样在低压时完全 表现为弹性，一旦进入到( l c o 极限压缩 线后，就表现为不可恢复的塑性变形。 双线性模型也有其缺点和局限性。首 先，它忽略了塑性变形是一个渐近过程；。 其次，当应力水平足够高时，式( 3 1 a ，b ) 左边的孔隙比会成为负值，此时已没有实 际意义。事实上，在极限压缩线的后期， 随着压力的增加，压缩曲线l c c 段会出0 现弯曲现象，如图3 - 1 所示： 对式( 3 - l a ) 两边取微分有 d e - 一从o n ) ，对应于空隙比岛和气有： 瓴一) 一一胁p r ( 3 - l a ) ( 3 一l b ) l o g p 图3 - 1 土的压缩曲线 ( 3 - 2 ) 当a 满足l n d ) 瓴a ) 则岛c o ，此时模型已失去实际意义。 p o b u t t e r f i e l d ( 1 9 7 9 ) 3 9 1 对双线性模型作了改进，用比容u - 1 + 8 来代替空隙比 e ，在l n ( 1 + e ) i n p 空间中表示，修改后的模型用下式来表示； don(x+e)一而ded(ht，)-警一一w佃p)0-3)1+ p t ， 。 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 试验材料 3 2 1 砂样来源 本文所用砂样取自长江武汉段江砂( 图 3 。同类砂样在长江中下游地区较为普遍， 很具有代表性，对其力学性质的研究对于许 多工程中都有重要的实践指导意义。 以下为采用荷兰p a n a l y t i c 强d 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( 图3 - 3 ) 定量分析结果，其样品成份列于表3 - 2 。由表 3 - 2 可知，砂样的s i 0 2 含量达到9 1 9 4 ，其 主要成分为石英砂 固3 _ 2 试样图片 图3 - 3x 射线荧光光谱仪 墨丝登曼生鱼全墨壅鏖丝鱼墨f 型 a 1 2 0 3c a ok 2 0 m 9 0 m n on a 2 0p 2 0 5 s i 0 2 s 0 3t i 0 2f e 2 0 3 l l 3 4 90 4 61 9 9o 3 20 0 30 ”o 0 39 1 9 4 0 0 10 0 r 70 6 2 o 8 5 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 2 砂样基本物理性质 ( 1 ) 基本物理参数 试验前先将砂样烘干，待做具体分析。试样的基本物理参数列于表3 - 3 。经 过对初始砂样的颗粒分析得出了砂样颗粒分析曲线( 图3 4 ) 。 表3 - 3 砂样的基本物理参数 最小孔隙比最大孔隙比限定粒径中问粒径有效粒径相对密度不均匀系数 e _d田d50d l og ig ! 婴! 婴! 婴! 型型1 0 7 0 0 8 50 7 50 5 2 0 2 52 6 52 4 粒径( 一) 图3 - 4颗粒分析曲线 ( 2 ) 比重 比重可以通过试验来获得，其用以进一步计算孔隙比，进而计算压缩性等 指标。它的变化对其他计算值影响不大，根据经验判定，一般石英砂的比重为 2 7g c m 3 。本文使用土工试验方法标准中的浮称法测得该试样的比重值为2 7 g c m 3 ，虹吸法为测得该试样的比重值为2 7 5g c m 3 。 ( 3 ) 孔隙比 对于评价该砂样而言，孔隙比无疑是一个重要的指标。本文采用天然密实 法，即用刀将容器口抹平，来计算砂样的初始孔隙比。结果实测得该砂样的初 始孔隙比为o 8 0 。这也符合文 2 2 1 中有关通常石英砂孔隙比的范围。 ( 4 ) 颗粒形状 武汉理工大学硕士学位论文 土的性质与颗粒形状也有直接的关系，本砂样中有少量颗粒形状不规则的 大粒径砂粒，它们一方面增大了石英砂的孔隙比，而且在其受到作用力时，棱 角处极易产生断裂、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，从而对试验结果有一定的影响。 3 3 试验 3 3 1 试验设备 采用单向侧限压缩试验，最 大轴向压力为2 0 4 8m p a 。同时 为了研究其卸载回弹特性，在不 同的应力水平下进行了卸载回弹 试验。本试验试样直径7 9 8r a i n ， 高2 0 i n n l 。轴向变形由百分表来 量测。图3 - 5 为本文设计的试验 设备。压力由长春机械厂生产的 2 0 0 t 压力机提供。 3 3 2 试样制备 图3 - 52 0 0 1 压力机 先将砂样烘干，筛分出其中少量极大颗粒杂质，既而再用筛分机筛分出 0 5 2 0 衄和2 0 5 0i n t o 两种砂样备用。取一个1 0 0m l 的容器，装满砂样， 置于电子天平上称量，倒入事先准备好的试样盒中，记录其质量、初始孔隙比。 即完成一个试样的制备。 3 3 3 试验方法 先将固结室置于压力台之上，调整使压力台对中，以保证压力均匀作用于 整个试样上，然后将试样分层装入固结室中，轻刷试样使其均匀分布，根据孔 隙比控制其密实度。为了减小由于压力柱非绝对水平所带来的误差，在压力柱 武汉理工大学硕士学位论文 左右各吸一表座，将百分表打在模具上，以便得到压力柱与固结模具的相对位 移，即试样的压缩量。最后将固定好百分表的压力柱放置于试样正上方，并保 持其水平，并记录其初始读数。待装置准备好后，开始加载，荷载采用分级加 载，加载率采用p j p _ 1 ，加载压力为0 8 2 0 4 8m p a 。根据试验需要在1 2 8 、 2 5 6 、5 1 2 、1 0 2 4 、2 0 4 8m p a 时进行卸载。每级加载后读两块百分表一次( 取 平均值) ，每1 5m i n 读一次数据，当前后两次读数小于0 0 1 衄时，可以认为 本级加载已经稳定，可以进行下一级加载。实验完毕后，取出试样，用原试样 盒封装待用。 在试验过程中，由于试样在固结装置中很难保证其表顽绝对水平，导致压 力柱有一定的倾斜的可能，因为顶都压力机的压力加载是球形绞接而非固端连 接，这使得压力柱旌加压力可能出现非绝对竖直的情况，致使压力柱与试样以 及压力机与压力柱的接触不够理想，使试样受压不均匀，因此引起试样高度、 试样面积、试样体积和轴向应力等参数的变化，从而改变了原有的试验条件， 导致试验结果产生较大误差。为了消除这一影响，可根据实际经验先对试样进 行微小压力的预压。另外在压力柱上继续增设百分表取平均读数亦可降低这一 误差。 3 3 4 颗粒分析试验 本文共选取3 组试样为：末筛分的原级配砂样，粒径0 5 2 0m l n 砂样，粒径2 0 5 0m m 砂样。对于这三种砂样，本文采用不同的筛分方 案对受压后的砂样进行筛分： 表3 - 4 不同砂样的筛分 筛分过程中可能因为操作不当引起一些的误差，主要来自以下几个方面： ( 1 ) 筛孔误差。标准筛的制造规格有容许误差，所以每一筛孔的真实宽度 较标称的或大或小。这种偏差的分布合乎正态型。因为有这种偏差，将同一试 样用两个名义相同的筛子筛分，他们的筛上物会相差2 0 ；而用两个经检验证 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 明相同的筛子筛分，这种相差也会到5 。实践证明，用相同的筛子和相同的方 法作试验的重现度最高，标准差为0 6 1 。用不同的筛子及同样的方法作试验的 标准差为3 7 1 ，重现度较前一种的小6 倍。而不同筛子及不同的方法做试验所 得标准差为8 3 ，重现度较前一种的小1 4 倍p 】。由于这些误差，本文所采用的 全部试样的筛分均采用同一筛子、相同方式以及相同筛分时间。 ( 2 ) 试样量和取样的误差。从同一砂样中取几份试样，用同设备及同一 方法筛分相同的时间，由于试样有随机误差，所得结果并不一致。所以试样量 不能少于按最大粒径规定的最小试样量，否则误差将激增，但用加大试样量以 减少误差的办法实际上是很有限的。即使两份试样都满足规定重量，因混匀及 缩分不完全均匀，也会使两份试样有差异。设原试样重1 0 k g , 从其中取样数至 数十公斤。测定时取样数百克或几十克，在这样大幅度地缩分的情况下，要试 样足以代表母体，必然需要既复杂又准确的取样技术。 ( 3 ) 颗粒形状及砂粒对筛孔取向的随机性。砂粒穿过筛孔的概率，取决于 它们的相对大小、砂粒的形状和砂粒对筛孔的取向。这种影响，不规则形状的 粒子比球形粒显著，故筛分球形粒的重现性较大。 ( 4 ) 试样荷载与筛分时间的影响。筛子负荷不应过高，除了保护筛面的目 的外，还有提高筛分效率的意义。筛子负荷越高，将细粒筛除所需的时间就越 长，这种影响对细孔筛尤为厉害。减少负荷与增长时间都能提高筛分效率，但 以减少负荷的效果较大。以被筛颖粒在筛上的厚度不超过两被的最大粒径宜， 按此方法可以估计出其他目数的筛子的适宜荷载。由筛分动力学可知，当筛分 至足够长的时间后，筛下物的增量随时间而变的变化率已不明显，因此要规定 筛分终点。 在筛分机理的研究中，一般认为筛下物产率随时间增加而增加的情况有两 个区域。第一个区域是筛分初期，筛下物产率随时间的某次方成比例的增加； 第二个区域是筛分的后期，筛分速率按对数正态分布律减小，筛下物产率随时 间增加而增加的情况不明显；在此两个区域之间为过渡区。试验中一般规定， 筛1 分钟后，筛下物的重量仅为筛上物的0 1 ，算做筛分终点。如此可根据试 验的实际情况确定砂样的筛分时间 武汉理工大学硕士学位论文 3 4 结果与分析 本文对石英砂进行了单向侧限压缩试验，本次试验中单向压缩试验轴向压 力最大为2 0 4 8m p a 。试验中详细记录了每组试样的压缩量、回弹量与应力之 间的关系。 图3 - 6 为本文采用的原级配石英砂的典型单向压缩回弹曲线。从图中我们 可以看到，加载后试样孔隙比持续减小。终止压力2 0 4 8m p a 时孔隙比为o 2 9 。 p o 旧a ) 图3 - 6 石英砂压缩加载- 卸载的e l o g p 曲线 从图3 - 6 中还可以看出，卸载时回弹较小，这说明该砂样在压缩过程中发 生了不可恢复的塑性变形。在较高的压力下，石英砂发生了大量破碎，这种破 碎并不能由予卸载而消去，一般将压缩曲线上曲率最大的点作为屈服点，该点 对应于试样开始产生较大的塑性变形，此时大量颗粒开始破碎。 图3 7 为不同粒径的石英砂单向压缩曲线比较，该图表明，在试验压力范 围内，试样的弹性模量随粒径的减小而增大。对于粒径为2 0 5 0m m 的砂样 来说，其孔隙比下降更快，而在高应力状态下孔隙比的减小主要来源于颗粒的 破碎，这说明颗粒粒径直接影响颗粒破碎。从图可以看出，压缩性由大到小依 次为2 0 5 0m m 砂样、0 5 2 0m m 砂样、原级配砂样，且它们的压缩特性相 似。 武汉理工大学硕士学位论文 在相同初始孔隙比条件下，对于这几组石英砂来说已处于较密实状态，因 此其压缩曲线在开始段比较平稳，孔隙比变化不大，只是很少一部分颗粒在压 力的作用下对位置进行了重新调整，但是当压力达到引起颗粒破碎时，由于破 碎后的小颗粒充填了大颗粒周围空隙，孔隙比急剧下降，达到更加密实状态。 p ( m p a ) 图3 - 7 不同粒径石英砂压缩加载卸载曲线p l o g p 经典土力学理论中，常用双线性模型来描述土的压缩特性，对于加载和卸 载过程有： 力载：一e o 一2 1 r i p 卸载：巳一乞一r l n p 根据图3 7 中不同粒径石英砂压缩回弹曲线，运用双线性模型可以得到砂 样的压缩参数。表3 5 即本文试验石英砂的测试值( 终止压力为2 0 4 8m p a ) ， 可以看到在石英砂在高应力下的压缩变形中，大部分的变形为不可恢复的塑性 变形，破碎在压缩中占主导地位，九达到1 c 的1 0 倍或更多。 从表3 - 5 和表3 - 6 可知，无粘性土相比粘性土的塑性变形所占比例要明显 大的多，粘性土的压缩主要来自土中水及封闭气体被压缩以及水和气体从孔隙 中被挤出，与粘性土不同，无粘性土的压缩中主要表现为破碎，其a ，k 的值在 1 0 4 0 之间i 硼。 2 0 武汉理工大学硕士学位论文 3 5 本章小结 ( 1 ) 简要总结了无粘性土的压缩模型和影响无粘性土压缩特性的因素。 ( 2 ) 对试验的来源、特征及试样的物理性质进行了阐述，并利用x 射线荧 光光谱仪定量分析样品的成份组成 ( 3 ) 对试验设备、试样制备方法、试验过程、试验的准备步骤以及试验中 需要注意的问题进行了详细的说明。 ( 4 ) 通过压缩试验，用双线形模型对石英砂的压缩特性进行了分析，指出 在低压阶段，压缩变形主要在于颗粒之间位置重新调整，而在高压破碎阶段， 颗粒破碎对其压缩特性起控制作用。并对比了粘性土的压缩特性，指出无粘性 土的压缩变形绝大部分是塑性变形。 2 1 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章石英砂颗粒破碎研究 土体颗粒破碎是指颗粒在外部荷载作用下产生结构破坏或破损，分裂成多 个更小的颗粒。颗粒破碎可引起土体级配改变，从而影响其物理力学性质。 从经典土力学的角度来说，土颗粒是不可压缩和破碎的，其变形是由于土 体孔隙中气和水的排出以及颗粒的重组，摩擦和滑移是其强度理论的基础。然 而实际上土颗粒在受到大于其自身强度的应力作用下会产生部分或整体破裂； 不同的材料破碎应力是不同的，已有资料表明，对于钙质砂，由于其颗粒多孔 隙、质脆、形状不规则，在常应力水平下就会发生破碎，而石英砂发生破碎的 应力往往要达到数十兆帕闭。 2 0 世纪6 0 年代，随着国际上高土坝建设的兴起，作为地基的石英砂、砾 石等在大荷重下发生颗粒破碎；近年来大型工业与民用建筑建设的兴起以及大 型土石坝的兴建，特别是堆石、砂石、粗粒料等材料被广泛应用于水利、港口、 交通等岩土工程建设