砂土颗粒破碎机理及力学性质

砂土颗粒破碎机理及力学性质
发布时间：2022-11-18T05:57:50.470Z 来源：《工程建设标准化》2022年13期第7月作者：林锦宏
[导读] 随着国家对重大基础设施的投入，我们对砂土的应用更加广泛
林锦宏
广东华路交通科技有限公司
摘要：随着国家对重大基础设施的投入，我们对砂土的应用更加广泛。

但其颗粒形状不规则，在高应力及特殊情况下会发生颗粒破碎，严重威胁建筑物的安全。

为此国内外学者对可破碎的砂土展开了实验室试验、数值模拟等方法来研究砂土的微观结构及其宏观的力学特性。

本文针对砂土颗粒破碎的研究做了国内外的综述。

首先明确国内外目前对于砂土研究的重点，其次再对各个重点方向，如：颗粒破碎程度的量化指标、影响因素、宏观力学性质、应力-应变关系，做较为综合的数据量化和陈述性归纳总结。

关键词：砂土；颗粒破碎；应力应变关系；固结试验
土是矿物或岩石构成的松软集合体。

砂土的定义如下:粒径大于2mm的颗粒质量不超过总质量50%、粒径大于0.075的颗粒质量超过总质量的50%的一种土。

砂土作为一种散体材料，不同于黏性土，几乎不具有黏结力（仅有微弱的颗粒间的咬合力），与连续介质的性质完全不同。

在高应力或者特殊情况下，砂土会出现颗粒破碎的特征。

对于颗粒破碎现象，目前研究的重点主要包括:(1)颗粒破碎程度的量化指标；(2）颗粒破碎的主要影响因素；(3)颗粒破碎对颗粒系统力学性质的影响，其中包括抗剪强度指标等宏观参数；(4)颗粒破碎对于颗粒系统应力-应变关系的影响。

1.颗粒破碎程度的量化指标
实验室试验对破碎后颗粒尺寸的“微观”描述，一般是通过颗粒级配曲线来“宏观”实现，由此建立的颗粒破碎量化指标，从颗粒的级配等宏观特征与颗粒微观参数结合，实现颗粒破碎的一个宏微观的描述。

颗粒在竖向压力和剪应力的共同作用下发生颗粒破碎，在试验前后对每组试样都进行机械筛分，确定颗粒破碎量化指标，并计算出试样的破碎参数，分析颗粒级配对于颗粒破碎的影响;
为了量化颗粒的破碎程度，引入相对破碎的概念，表达式如下:
式中 Bt一总破碎，试验前、后颗粒分析级配曲线与粒径D竖线三条线所包围的面积;
Bp一破碎势，试验前颗粒分析级配曲线与粒径D竖线所围的面积。

相对破碎Br作为评价颗粒破碎程度指标，相对破碎Br越大，颗粒的破碎程度越严重。

图1 相对破碎-剪切强度对比
由于砂土在竖向压力小时1MPa时，颗粒破碎的很少，所以图1中舍弃了小于1MPa 所对应的颗粒破碎数据，可视为未发生破碎。

砂土的剪切强度随着竖向压力的增加而增加，基本呈线性增长;砂土的相对破碎率随着竖向压力的增加而增长,增长趋势可以分为1-2、2-3、3-4三个阶段。

1-2阶段砂土颗粒受到的竖向压力较小，颗粒破碎主要受到剪切破坏，颗粒破碎率随着剪切强度增加基本呈线性分布。

2-3阶段随着竖向压力的增加相对破碎先维持稳定，再继续增加。

3-4阶段折线斜率的变化表现为减小-增大-减小-增大的一个波动。

2.颗粒破碎对颗粒系统力学性质的影响
颗粒破碎是砂土变形破坏的又一重要特征。

砂土在剪切过程，其颗粒破碎大大影响局部范围的体积变化特征，进而影响材料的应力-应
变关系以及材料性局部化现象。

由于颗粒破碎效应的影响，使得砂土的有效应力与体积变化的关系变得非常复杂，从而大大阻碍了砂土本构模型研究的发展。

值得一提的是，澳大利亚的Einav教授根据砂土破碎的分形理论提出了砂土的终极级配曲线，并根据连续介质断裂力学的基本理论提出了砂土在破碎过程中的本构模型。

然而，由于实验的局限性，砂土在剪切过程的颗粒破碎现象很难被观测，颗粒破碎率与应力水平的对应关系以及与体积应变的微观联系依然没有得到很好地解释。

因此，为了进一步研究砂土的破碎过程，建立砂土的本构模型，有必要更加深入地研究砂土在剪切过程中颗粒破碎的演化过程以及其微观力学机理。

2.1砂土的剪胀性
剪胀性是岩土材料的基本特性，这是由岩土材料的颗粒性以及颗粒间摩擦性决定的。

早在六十年代，魏汝龙就详细的总结了土的剪胀机理的影响因素，认为土的剪胀性是由其结构性引起的，主要是由于土粒在剪应力作用下重新排列而引起的塑性体积变化或变化趋势。

主要由以下四种效应控制土体的剪胀：
(1）考虑到颗粒之间的咬合作用，土颗粒在受力剪切时，颗粒相互干扰，颗粒必须相互翻越或抬起才可以产生相对的剪切位移。

(2）由于土中的体积变化存在塑性，不完全是弹性，所以在外力作用下，颗粒的相对滑动大部分是不可逆的。

对土体施加剪切荷载之后，土体中的有些颗粒的接触点上的剪力增大，因而便产生了彼此的相对滑动;有些颗粒的接触点上剪力减小，但相对位置基本不变。

这就使得土体在剪切荷载作用下发生体积压缩。

(3）颗粒形状和取向的影响，主要指粘土或者砂土的片状颗粒及其平行取向所形成的初始各向异性。

即便在弹性体中，由于土体在不同方向下的变形模量不同，土体的各向异性也会造成显著的剪胀性。

这与塑性体积变化所导致的剪胀性的机理相似。

但这部分剪胀性与土体所受的剪应力方向有关系，对于相反方向的剪应力，体积变化的数量不同，甚至符号相反。

因此它起着加强或消弱上述那部分剪胀性的作用。

2.2 砂土的强度特性
砂土的抗剪强度是由三种作用组成，即剪切时颗粒接触面上的滑动摩擦、体积膨胀所产生的阻力以及土颗粒重新排列所受到的阻力。

滑动摩擦是由于颗粒接触面粗糙不平而形成的微细咬合作用所产生，土颗粒接触面之间的摩擦角以表示，决定了土颗粒的材料，与土的密度无关。

密实砂土在达到峰值强度，土颗粒之间不发生很大移动，土颗粒重新排列所做的功比较小，但是土颗粒的体积膨胀很大。

较松的砂土在剪切破坏前土颗粒要重新排列，伴随者土颗粒的体积膨胀缩小。

总的来说，松砂在不排水条件下剪切时应力应变关系表现为塑性流动，而密砂应力应变关系表现为硬化型；松砂在排水条件下剪切时发生剪缩，应力应变关系表现为应变硬化型，而密砂则发生剪胀，应力应变关系表现为应变软化型。

如果在临界孔隙比条件下对试样进行剪切，其体积不发生收缩或膨胀，测得的强度就是常体积下的强度。

如果在某一围压下试样的临界孔隙比小于初始孔隙比，则为了阻止在不排水剪切过程中土体压缩，必须降低围压，这样导致了砂土强度的降低；反之，如果临界孔隙比大于与围压相对应的初始孔隙比，则在不排水剪切过程中为了阻止土体膨胀，必须加大围压，即提高了砂土的强度。

3.颗粒破碎的对于颗粒系统应力-应变关系的影响
为了研究颗粒破碎与颗粒形状对试样强度的影响，不同围压时圆形颗粒试样和破碎非圆形颗粒试样的应力～应变关系曲线，当围压较小时,破碎非圆形颗粒试样的峰值强度大于圆形颗粒，说明颗粒形状对强度的影响大于颗粒破碎程度;当围压较大时,圆形颗粒试样的峰值强度大于破碎非圆形颗粒试样，说明随着围压增大，颗粒形状影响越来越小，颗粒破碎对强度的影响愈发显著。

图2 不同围压时圆形颗粒试样和破碎非圆形颗粒试样的应力～应变关系对比
由上述分析可知,颗粒破碎导致试样强度减小，不同围压下破碎非圆形颗粒试样的体积应变随轴向应变的变化曲线。

围压越小，加荷初期试样的剪缩量越小，加荷后期剪胀量越大，这是因为围压较大时，颗粒破碎现象更严重,颗粒破碎产生的小颗粒填充了未发生破碎的非圆形颗粒之间的大孔隙，抑制了土体剪胀的增大。

较大围压作用下，土体抗剪强度中由剪胀引起的摩擦分量减小，从而导致土体抗剪强度降低。

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