颗粒破碎影响砂直剪强度的试验研究.pdf

第3 7 卷第3 期 2 0 0 8 年5 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y 颗粒破碎影响砂直剪强度的试验研究 赵光思1 ，周国庆1 ，朱锋盼1 ，别小勇 V 0 1 ．3 7N o ．3 M a y2 0 0 8 1 ．中国矿业大学建筑工程学院，江苏徐州2 2 1 1 1 6 ；2 ．无锡市政设计研究院，江苏无锡2 1 4 0 1 1 摘要为了掌握高压条件下颗粒破碎对粒状材料抗剪强度特性的影响，应用D R S - 1 型超高压直 残剪试验系统，研究了法向应力0 ～1 4M P a 条件下颗粒破碎对福建标准砂直接剪切强度的影 响，分析了颗粒破碎的机理、过程及其力学效应．结果表明，1 4M P a 条件下砂的相对破碎与法向 应力之间呈二次函数关系，其内摩擦角随相对破碎的增加呈负指数函数减小，达到临界相对破碎 值 约7 ％～9 ％ 后，不再减小，稳定值为2 8 ．9 。．高压条件下砂的颗粒破碎与塑性功成线性关系， 颗粒破碎是砂在高压条件下剪切特性非线性的根本原因． 关键词高压砂；抗剪强度；颗粒破碎；塑性功 中图分类号T U4 1 1 - 7文献标识码A文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 8 0 3 0 2 9 1 - 0 4 E x p e r i m e n t a lR e s e a r c ho nt h eI n f l u e n c eo f P a r t i c l eC r u s h i n go nD i r e c tS h e a rS t r e n g t ho fS a n d Z H A OG u a n g s i l ，Z H O UG u o - q i n 9 1 ，Z H UF e n g p a n l ，B I EX i a o - y o n 9 2 1 ．S c h o o lo fA r c h i t e c t u r ea n dc l v i iE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，X u z h o u ， J i a n g s u2 2 1 1 1 6 。C h i n a2 ．A c a d e m eo fC i v i c i s mD e s i g ni nW u x i ，W u x i ，J i a n g s u2 1 4 0 1 1 ，C h i n a A b s t r a c t T h ei n f l u e n c eo fp a r t i c l ec r u s h i n go nt h es h e a rs t r e n g t ho fg r a n u l a rm a t e r i a l sw a s s t u d i e du s i n gD R S 一1s u p e r h i g h p r e s s u r ed i r e c t ／r e s i d u a ls h e a rt e s t i n gs y s t e m ．F u ji a nS t a n d a r d S a n dw a st e s t e du n d e rn o r m a ls t r e s sf r o m0t o1 4M P aa n dt h em e c h a n i s m ，p r o c e s sa n de f f e c t s o fp a r t i c l ec r u s h i n gw e r ee v a l u a t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tu n d e ra14M P as t r e s st h er e l a t i o n - s h i pb e t w e e nt h ee x t e n to fc r u s h i n ga n dt h en o r m a ls t r e s so nt h es a n di saq u a d r a t i cf u n c t i o n ． A st h ee x t e n to fc r u s h i n gi si n c r e a s e dt h ei n t e r n a lf r i c t i o na n g l eo ft h es a n dd e c r e a s e su n t i la c r i t i c a lc r u s h i n gv a l u e a b o u t7t o9p e r c e n t i sr e a c h e d ；A f t e rt h i st h ea n g l er e m a i n ss t a b l ea t a b o u t2 8 ．9d e g r e e s ．T h ed a t as h o wal i n e a rf u n c t i o nb e t w e e np a r t i c l ec r u s h i n ga n dp l a s t i cw o r k a th i g hp r e s s u r ea n ds u g g e s tt h a tp a r t i c l ec r u s h i n gi st h ep r i m ec a u s eo ft h en o n l i n e a rr e s p o n s e o fs a n dt oh i g hp r e s s u r e ． K e yw o r d s s a n du n d e rh i g hp r e s s u r e ；s h e a rs t r e n g t h ；p a r t i c l ec r u s h i n g ；p l a s t i cw o r k 深部土的特性与浅部土差异显著[ 1 。2 ] ．随着各 种深部地下工程的广泛开展，迫切要求研究深部土 的物理力学特性[ 3 ] ．高压条件下砂的抗剪强度是深 部土体物理力学性质的重要部分．许多研究者认 为，高压下砂的强度特性与颗粒破碎率的大小密切 相关．V e s i c ，C l o u g h [ 4 3 研究表明，就一特定砂而言， 存在一破碎应力，超过此应力，剪胀效应、强度包线 的弯曲现象都将消失，颗粒破碎成了惟一机理． L e e 和S e e d [ 5 ] 认为，强度随颗粒破碎而增大．但 M a r s a l [ 6 ] 的试验证明，随颗粒破碎率的增大，粒状 土的抗剪强度不是增大而是降低．三浦哲彦、山田 丰聪[ 2 1 认为，颗粒破碎使内摩擦角相对增大，而高 收稿日期2 0 0 7 0 7 1 8 基金项目国家重点基础研究发展计划 9 7 3 项目 2 0 0 2 C B 4 1 2 7 0 4 ；国家自然科学基金重点项目 5 0 5 3 4 0 4 0 作者简介赵光思 1 9 7 7 一 ，男。江苏省徐州市人，讲师，从事矿井建设、深土力学与工程方面的研究． E - m a i l z h a o g u a n g s i c u r e t ，e d u ．c r l T e l 0 5 1 6 8 3 9 9 5 0 7 8 万方数据 2 9 2中国矿业大学学报第3 7 卷 围压条件相对于低围压使内摩擦角变小．周国庆、 赵光思[ 8 棚] 对高压力条件下砂的剪切强度特性进行 了较系统的研究，并与低压条件下的情况作了比 较，发现二者的力学特性存在明显差异．砂是一种 粒状材料，如何解释其屈服和塑性硬化的微观机 理 颗粒破碎在决定粒状材料的本构行为中发挥 怎样的作用 为解决此问题，十分有必要开展高压 条件下砂的力学特性的研究．本文选取福建标准砂 进行了大量的高压直接剪切试验，研究颗粒破碎的 机理、过程及其力学效应，对正确解释高压条件下 粒状土的力学响应和强度特性至关重要，同时，对 于其他可破碎粒状材料的研究也有借鉴意义． 1 试验简介 试验在D R S - 1 型超高压直残剪试验系统 见 文献E 8 9 ] 上进行．为了研究高压条件下砂的颗粒 破碎对抗剪强度的影响，首先对试样进行人工固 结，固结稳定标准控制在0 ．0 0 25m m ／m i n 固结时 间约7 ～1 0m i n ，然后进行直接剪切试验．试验过 程采用微机自动控制，剪切荷载、法向荷载、剪切位 移、法向位移等参数均自动采集和输出．试验前后 分别对每个试样进行筛分，以掌握砂颗粒粒径的变 化及颗粒破碎的发展状况．试验砂样为福建标准 砂，其基本物理参数和颗粒分布曲线如表1 和图1 所示． 表1 试样基本物理参数 T a b l e1B a s i cp h y s i c a lp r o p e r t i e so ft h es a m p l e s 莲 籁 求 姐 咖{ 御 “ 翻 曩 蝶 m 七 粒径／n u n 图1 试样的级配曲线 F i g ．1 C l a s s i f i e dc u r v eo ft h es m a p l e s 2 颗粒破碎的评价 颗粒破碎是指岩土颗粒在外部荷载作用下产 生结构的破坏或破损，分裂成粒径相等或不等的多 个颗粒的现象，与粒径、颗粒形状、级配、有效应力 状态、有效应力路径、孔隙比、颗粒硬度及含水量等 有关，其最明显的表现是试验前后级配曲线的变 化．因此，许多研究者把试验前后颗粒分析曲线上 某一几何点 如D ，。，D ，。等 的变化作为颗粒破碎 的衡量指标．H a r d i n [ 9 3 全面考虑了颗粒分析曲线， 以试验前、后颗粒分析曲线与d 一0 ．0 7 4m m 竖线 3 条线所包围的面积为总破碎B 。，而将试验前的颗 粒分析曲线与d 0 ．0 7 4m m 竖线所围的面积为破 口 碎势B ，，从而定义相对破碎B ， 蒂／Jr 图2 ． - O p H a r d i n 研究表明，在其它条件不变，只有颗粒 级配为一变量时，相对破碎B ，是与级配无关的量， 为一常数．且与剪切应变、塑性功等标志剪切过程 的物理量有相关关系，可以将B ，作为评价颗粒破 碎的指标，讨论颗粒破碎的一些问题． 摹 咖} 缸 窖 轻 器 船 稼 禚 似 七 粒径／m m ．图2相对破碎B ，的定义 F i g ．2 D e f i n i t i o no fr e l a t i v e - e r u s h i n g B ， 3 试验结果及分析 3 ．1 颗粒破碎对强度的影响 图3 为标准砂的抗剪强度包线；图4 是相对破 碎随法向应力的变化曲线；图5 是内摩擦角与相对 破碎的回归曲线． 蛊 琶 讲M P a 图3r - O 关系曲线 F i g ．3 R e l a t i o nb e t w e e nra n dd 分析图3 可知，在试验应力范围内，标准砂的 内摩擦角总体上呈现降低的趋势，抗剪强度包线向 下弯曲，呈现出非线性特性．在盯一0 ～1M P a 和口 万方数据 第3 期 赵光思等颗粒破碎影响砂直剪强度的试验研究 2 9 3 1 ～8M P a 范围内，抗剪强度与法向应力之间呈 良好的线性关系，但其斜率不同；在口 8M P a 条 件下，抗剪强度与法向应力之间波动较大．到一定 法向应力后，强度包线呈再度上扬的趋势，其原因 是颗粒破碎后重新排密，砂样再度密实． 1 8 1 5 1 2 薹9 6 3 O3691 21 5 a r l V I P a 图4B ，一口关系曲线 F i g ．4 R e l a t i o nb e t w e e nB ，a n d 盯 岸‘ 图5图5P _ B 。关系曲线 F i g ．5 R e l a t i o nb e t w e e nPa n dB ， 图4 表明，砂的相对破碎与法向应力有良好的 二次函数关系。图5 表明，随着相对破碎B ，的增 加，砂的内摩擦角减小，当B ，增加到一定程度 约 7 ％～9 ％，称为临界相对破碎B m 时，砂的内摩擦 角妒基本上不再变化．且9 与B ，的关系如式 1 f A e - 相r B ， B ，o ． 由妒一A e - 柚r 这一关系可知，随着B 。的增加， 内摩擦角9 减小，由于B ，有一上限值，B ，一1 ．因 此，垆也存在着一个下限值。该下限即为颗粒破碎 对内摩擦角减小不起作用的临界状态．此时，试样 的强度主要表现为颗粒间的滑动摩擦强度和咬合 摩擦强度． 由于砂是一种摩擦型材料，其应力一应变关系 的发展实际上取决于颗粒间摩擦的发展程度．外 界对土样的作用力将由颗粒间的摩擦力 剪应力 r 和接触面的垂直应力 正应力口 来承担。r ，盯的 应力状态将使颗粒间的摩擦发挥到极限状态，即颗 粒问作用力满足r r f a t a n9 ，此后，剪应力r 将 不再增加。因此，土体的应力应变从根本上来说是 由颗粒滑移、摩擦而决定的。当颗粒除了摩擦之外 还有破碎的可能时，颗粒问相对运动的形式将取决 于滑动和破碎所需要的应力水平谁最低，如果应力 作用时，颗粒所承受的应力已达到其抗压 或抗拉 强度，则将发生颗粒破碎，否则将继续累积r 和盯， 当满足r r f a t a n9 后产生滑移。因此，在高压 条件下有颗粒破碎发生时，粒状土的强度由摩擦和 破碎共同控制．摩擦将使应力盯，r 增加到某一极限 状态，这一过程累积能量；而破碎将使应力仃，r 不 能到达该状态而位于某一中间值． 3 ．2 颗粒破碎与塑性功 经典的粉粒体破碎理论认为材料破碎与对其 输入的能量有关．假设颗粒在破碎过程中破碎比 颗粒破碎前与破碎后的体积比 是一定的，并且 体积为仇的颗粒，当加载到其极限强度时，颗粒内 部单位体积所具有能量为a 。，破碎后能量释放，第 一次破碎后成为体积为口。的颗粒，记作i 。一丝，随 U 1 着加载的继续，单位体积能量继续积聚到a 。，第二 次破碎后成为体积为口。的颗粒，得到i 。一旦，如此 可2 重复咒次，得到i 。一“ U n _ 1 ． U “ ，2 堕等掣． 2 l gl o 在单位体积上所做的功为 a n a o ． 3 将式 2 代入式 3 得 n 一堕斗 坚旦口。一要 1 9V 0一lglgZ 0 l gZ 0 口n ， 4 即a K 1 9 移。一l g “ O n ， 5 式中K a 。／l gi 。，对于同种材料的颗粒是常 数． 高压条件下当颗粒破碎是砂惟一的破坏机理 时，有 W P I ％d e ；一W B ． 6 对于破碎功，假设试样中体积为可∞的颗粒，其 粒径为d “ 百分含量为‰，破碎后体积为可；，粒径 为d i ，百分含量为以，那么，加载过程中消耗的破碎 功为w e ，利用式 5 ，有 W B K ∑ 以。l gd f o Y i l gd i ， 7 式中 ∑ Y i o l gd ∞一以1 9d i 为H a r d i n 定义的 总破碎B 。． 换为积分形式为 万方数据 2 9 4中国矿业大学学报 第3 7 卷 B 。 Il g d i 。／d ； d Y ， 8 J0 因此 W B K B 。， 9 可见，破碎功 塑性功 与总破碎之问呈线性关系． 在直剪试验应力条件下，对某一给定的试样， 其颗粒破碎的程度主要由剪应力r 及法向应力盯与 其相应的应变组合来控制． 根据大量直剪试验数据，按式 1 0 计算塑性功 W ，一r 耐础。 卜 e 。 d ￡3 ， 1 0 J 0J 0 式中e 。为垂直方向的应变；￡讲为垂直方向的应变 峰值；e 。为剪切应变；￡“为剪切应变峰值． 砂在高压条件下的直接剪切试验中，没有剪 胀，均为剪缩．并且，颗粒破碎程度大，细颗粒成分 显著增加，颗粒间的咬合摩擦减弱，绝大部分塑性 功被颗粒破碎所消耗，只有一小部分塑性功用于颗 粒滑移和克服咬合摩擦．图6 为砂在高压下直接剪 切试验中相对破碎与塑性功的回归曲线，可见其为 直线关系，且相关程度很高． 图6B ，一w ，关系曲线 F i g ．6 R e l a t i o nb e t w e e nB ，a n dW p 4 结论 1 砂是一种摩擦型材料，其应力一应变关系的 发展取决于颗粒间摩擦的发展程度．高压条件下， 颗粒破碎是砂强度特性非线性的根本原因． 2 试验结果表明，1 4M P a 条件下砂的相对破 碎与法向应力之间呈良好的二次函数关系． 3 高压条件下，砂的强度参数受颗粒破碎的 影响，其内摩擦角随相对破碎的增加呈负指数函数 减小，达到临界相对破碎 7 ％～9 ％ 后，不再减小， 稳定值为2 8 ．9 。． 4 推导了颗粒破碎过程中的能量效应，结果 表明，颗粒破碎与塑性功成线性关系，且得到了试 验的验证． 5 粒状材料的屈服和塑性硬化的微观机理有 待进一步研究，颗粒破碎能否作为其屈服的开始等 课题仍需要深入研究． 致谢本文得到了中国矿业大学青年科技基金项 目 2 0 0 6 A 0 0 3 的资助，在此表示感谢 参考文献 [ 1 ] T I E NHW ．S o i lM e c h a n i c s [ M ] ，L o n d o n A l l y na n d B a c o n ，I n c ，1 9 7 6 ． [ 2 ]马金荣．深层土的力学特性研究F D ] ．徐州中国矿 业大学建筑工程学院，1 9 9 8 ． [ 3 ] 钱七虎．迎接我国城市地下空间开发高潮[ J ] ．岩土 工程学报，1 9 9 8 ，2 0 1 1 1 2 1 1 3 ． Q I A NQ i - h u ．M e e t i n gt h ed e v e l o p i n gt i d eo fs p a c e u n d e r g r o u n di no u rc i t y [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a l o f G e o t e c h n i c a lE n g i n e e r i n g ，1 9 9 8 ，2 0 1 1 1 2 1 1 3 ． [ 4 ]V E S I C ，AS ，C L O U G HGW ．B e h a v i o ro fg r a n u l a r m a t e r i a l su n d e rh i g hs t r e s s e s [ J ] ．P r o eA S C E J S M F D ，1 9 6 8 ，9 4 S M 3 6 6 1 6 6 8 ． [ 5 ] L E EKL ，S E E DHB ．D r a i n e ds t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i c so fs a n d s [ , J ] ．JS o i lM e c ha n dF o u n dD i vA S C E ， 1 9 6 7 ，9 3 6 1 1 7 - 1 4 1 ． [ 6 ]M A R S A LRJ ．M e c h a n i c a lP r o p e r t i e so f R o c k f i l l E m b a n k - M e n t ．D a mE n g i n e e r i n g [ M ] ．N e wY o r k W i l e y ，1 9 7 3 ． [ 7 ] 周国庆，赵光思，别小勇．超高压直残剪试验系统及 其初步应用E J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 1 ，3 0 2 ； 1 1 8 1 2 1 ． Z H O UG u o - q i n g ，Z H A 0G u a n g - s i ，B I EX i a o - y o n g ． S u p e r - h i g hp r e s s u r ed i r e c t ／r e s i d u a ls h e a rt e s t i n gs y s t e r na n di t sp r i m a r ya p p l i c a t i o n s [ J ] ．J o u r n a lo fC h i ’ n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y 。2 0 0 1 ，3 0 2 1 1 8 - 1 2 1 ． [ 8 3 赵光思．高压下砂的剪切性状试验研究[ D ] ．徐州 中国矿业大学建筑工程学院，2 0 0 1 ． [ 9 ] H A R D I NBO ．C r u s h i n go fs o i lp a r t i c l e s [ J ] ．J G e o t e c hE n g r gA S C E 。1 9 8 5 ，1 1 1 1 0 1 1 7 7 一1 1 9 2 ． 责任编辑王继红 万方数据