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      土體顆粒破碎影響因素分析

      2019-03-20 05:18:04鄭培鑫
      西部論叢 2019年9期
      關(guān)鍵詞:影響因素

      鄭培鑫

      摘 要:顆粒狀土在巖土工程領(lǐng)域中作為最基本的建筑材料,其物理力學(xué)性能受到廣泛地重視。在大型建筑物如高堆石壩修建中,在高應(yīng)力作用下顆粒破碎率較高的特殊現(xiàn)象。本文通過查閱各種試驗結(jié)果來分別考慮顆粒礦物成分與成因、顆粒粒徑、顆粒形狀、顆粒級配等內(nèi)在因素,分析其對顆粒破碎過程的貢獻。同時也揭示了顆粒破碎是一個復(fù)雜的過程,是多種影響因素協(xié)同作用的結(jié)果。

      關(guān)鍵詞:顆粒破碎 高應(yīng)力 臨界破碎應(yīng)力 影響因素

      顆粒破碎機理

      引 言

      根據(jù)經(jīng)典土力學(xué)摩爾-庫倫強度理論,土的內(nèi)摩擦角和黏聚力c是土體最重要的抗剪強度指標。經(jīng)典土力學(xué)認為土顆粒是不可壓縮、破碎,在低應(yīng)力作用下粗顆粒以滑移和轉(zhuǎn)動為主;而在高應(yīng)力作用下,粗顆粒配位數(shù)較低,接觸點應(yīng)力集中現(xiàn)象比較明顯,隨荷載增大逐漸破碎,顆粒破碎改變了土體原有的顆粒級配,使級配向良好的方向發(fā)展,從而間接地改變了土體的抗剪強度指標[1]。因此,在這種情況下再采用經(jīng)典土力學(xué)理論中固定的強度指標和c值進行強度、穩(wěn)定分析是不恰當?shù)摹?/p>

      在高應(yīng)力作用下,影響土體顆粒破碎的內(nèi)在因素有土顆粒原有的物理力學(xué)性質(zhì)、礦物成分、微觀結(jié)構(gòu)、尺寸形狀、土體的顆粒級配、相對密度、土體的含水率等。本文將主要圍繞其中幾個因素來進行描述與分析,同時分析其內(nèi)在機理。

      1、臨界破碎應(yīng)力

      土體顆粒破碎現(xiàn)象早在20世紀末21世紀初就開始引起了科研學(xué)者的關(guān)注。經(jīng)典土力學(xué)中的分析是基于低應(yīng)力作用下的連續(xù)土體介質(zhì),而在高應(yīng)力作用下土體顆粒破碎現(xiàn)象比較顯著,屬于顆粒力學(xué)范疇。因此,土體顆粒破碎存在臨界破碎應(yīng)力,高于此應(yīng)力,土體顆粒破碎相當明顯,反之,顆粒破碎不顯著。

      Terzaghi、Peek(1948)對砂樣在96.5MPa做一維壓縮試驗時發(fā)現(xiàn)顆粒破碎現(xiàn)象十分明顯。

      De Souza(1958)對三種不同的砂在138MPa進行了試驗。結(jié)果表明,在壓縮的過程中壓縮指數(shù)發(fā)生變化處出現(xiàn)了一個破碎點。

      De Beer(1963)為了對Terzaghi、Peek(1948)提出的說法進行驗證,即在9.8MPa的應(yīng)力以下,破碎可以忽略不計;在9.8MPa以上,隨著應(yīng)力的增加,破碎急劇降低。

      2、影響土體顆粒破碎內(nèi)在因素

      2.1 顆粒礦物成分與成因

      土體顆粒破碎是由顆粒接觸點高應(yīng)力集中而引起的。對于不同的硬度,顆粒破碎情況不一定.

      顆粒的硬度主要體現(xiàn)在土的成因和礦物成分上。比如石英砂(SiO2) 在圍壓達到2MPa時才發(fā)生顆粒破碎[2],而鈣質(zhì)砂其硬度遠低于石英,故在普通圍壓下即可發(fā)生顆粒破碎[3]。

      2.2 顆粒粒徑

      根據(jù)概率分布規(guī)律,大多數(shù)人認為顆粒粒徑越大,顆粒破碎的概率會更大,因為大顆粒內(nèi)含潛在裂紋和缺陷較多,更容易破碎。類似地,當大顆粒破碎成若干細顆粒時,細顆粒所含的缺陷會越來越少,破碎的難度加大。

      2.3 顆粒形狀

      不同形狀的顆粒抵抗破碎的能力相差懸殊,硬度相同時,圓形或橢圓形的顆粒破碎較小,而條狀、片狀顆粒破碎強烈。顆粒破碎在很大程度上表現(xiàn)為顆粒棱角在剪力作用下的折斷。顆粒形狀越不規(guī)則,顆粒間的點接觸力越易偏離形心,使顆粒產(chǎn)生較大的彎矩,顆粒容易在這種較大彎矩的作用下折斷,表現(xiàn)為破碎率較高。

      2.4 顆粒級配

      顆粒破碎瞬間土體強度會瞬間降低,土體中粗顆粒破碎為細顆粒,填入原有孔隙,使土體孔隙比降低,密實度增加。顆粒破碎后顆粒重新排列,級配發(fā)生改變。

      3、 顆粒破碎內(nèi)在機理分析

      黃文熙認為高應(yīng)力下砂土的抗剪強度由滑動摩擦強度分量、剪脹效應(yīng)分量和破碎重排列作用分量組成[4]。在應(yīng)力水平較低時,土體顆粒通過滑移、轉(zhuǎn)動消除較大的能量,故顆?;颈3滞暾麪顟B(tài)。隨著應(yīng)力逐漸增大,顆粒不斷調(diào)整位置,顆粒間接觸點緊密接觸,土體孔隙比變小,土體變密實。當接近到臨界應(yīng)力時,土體顆?;?、轉(zhuǎn)動受阻,硬度較小的粗顆粒的配位數(shù)較少,其接觸點上的應(yīng)力較大,超過顆粒極限強度后開始破碎為細顆粒,細顆粒填充孔隙,孔隙比加快減小。

      高應(yīng)力下砂土的剪切過程是破碎顆粒與未破碎顆粒偏離了原平衡狀態(tài)、通過不斷調(diào)整自身位置以消耗外力(法向力和切向力)功的過程。若剪切速率較慢,剪切過程中大顆粒的配位數(shù)穩(wěn)定,破碎后的顆粒與未破碎顆粒有足夠的時間進行重排列、重定位等自我調(diào)整,不同剪切速率試樣最終能夠達到較為一致的細觀狀態(tài),表現(xiàn)為各試樣的宏觀抗剪強度基本一致。若剪切速率較快,顆粒之間不能充分的接觸,大顆粒的配位數(shù)變化的速度快,力在顆粒之間的傳遞時間短,顆粒破碎的可能性變小。

      4、 結(jié)論與建議

      本文主要分析了在高應(yīng)力下顆粒破碎現(xiàn)象。初步結(jié)論與建議如下:

      (1)顆粒破碎存在臨界應(yīng)力,該應(yīng)力與顆粒礦物成分、含水率、顆粒級配等有關(guān)。低于臨界應(yīng)力,顆粒在受力過程中基本不會出現(xiàn)破碎;高于臨界應(yīng)力,顆粒破碎現(xiàn)象較為顯著。

      (2)顆粒礦物成分與成因?qū)︻w粒破碎有影響,主要體現(xiàn)著硬度上,硬度越大,顆粒越難破碎。一般地,顆粒粒徑越大,顆粒越容易破碎。表面粗糙、棱角較多的顆粒越容易破裂。級配良好的顆粒比級配不良的顆粒更不容易破碎。

      (3)圍壓越大,顆粒破碎率越大,剪切應(yīng)變、應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力路徑對顆粒破碎亦有較大影響。加載速率越大,顆粒破碎率越大,體現(xiàn)為顆粒破碎可能性越大。

      (4)顆粒破碎是一個相當復(fù)雜過程,各種影響因素不是單一地影響破碎過程的,而是協(xié)同參與顆粒破碎過程的。

      參考文獻

      [1] 張家銘, 汪稔, 張陽明, 等. 土體顆粒破碎研究進展[J]. 巖土力學(xué), 2003, 24(增刊): 661-665.

      [2] Lee, K.L.&Seed, H.B.. Drained strength characteristics of sand. Proc. ASCE, JSMFD, 1967, 93(SM6)

      [3] 劉崇權(quán), 汪穩(wěn). 鈣質(zhì)砂物理力學(xué)性質(zhì)初探[J]. 巖土力學(xué), 1995. 16(4): 74-83

      [4] 黃文熙. 土的工程性質(zhì)[M]. 北京: 水利水電出版社, 1983.

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