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高应力条件下天然石英砂的颗粒破碎机理
发布时间：2013-10-10 09:36 来源：未知
一、引言
土体颗粒破碎是指组成土体的颗粒在外部荷载作用下产生结构破坏或破损，分裂成粒径相等或不等的多个颗粒�？帕Ｆ扑榛嵋鹜撂寮杜涞母谋�，从而使其物理力学性质发生变化。
经典土力学认为，土体颗粒是不可压缩和破碎的，其变形是由于土体孔隙中气水排出和颗粒的重组，其强度理论是建立在粒间摩擦和滑移基础之上。然而实际上土体颗粒在受到于自身强度的应力作用下会产生部分或整体破碎。不同的材料其破碎应力是不同的。已有资料表明，石英砂发生破碎的应力往往要达到数十兆帕。
粒状土颗粒破碎的工程背景是20世纪60年代国际上高土坝建设的兴起，这些建筑物的大荷重造成作为地基的石英砂、砾石等发生颗粒破碎。随着近年来大型工业与民用建筑建设的兴起与大型土石坝的兴建，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中，颗粒破碎产生的影响越来越显著。例如在三峡工程建设中，填筑材料花岗岩风化料有时破碎率达到20%。因此，颗粒破碎越来越引起人们的重视，特别是颗粒破碎与力学性质的关系在土力学中渐成为一个新课题。
二、实验介绍
试验所用的砂取自长江中下游武汉地区天然石英砂，主要成分力石英和少量碳酸钙及杂质。取适量砂样，烘干，用电动筛分机进行筛分，采用电子天平称量各个粒径砂样的质量，其颗分曲线如图1所示。
2、实验步骤
本次试验进行了不同终止压力下的侧限压缩试验，并进行了卸载回弹。为了研究颗粒破碎，对实验前后均进行了筛分。破碎的度量采用Hardin(1985年)提出的模型。
试验是在长春机械场生产的200T压力机，试验中最大轴向压力为204.8MPa。试样直径为79.8mm，高为20mm，荷载采用油压加载，轴向变形量程为10mm、最小分度为0.01mm的百分表来测量。
用电子天平称取一定梁已过筛分的试样，然后将试样装入小盒中待用。将小盒中试样小心倒入压力室内（自制，如图2），后将固定有百分表的压力柱置于砂样正上放，调整百分表，使其与压力室接触良好，并使压力柱保持水平�？际┘拥谝患逗稍兀稍氐燃栋从泄毓娣督�。为了研究压力对破碎的影响，试验的终止压力分别为0.8，1.6，3.2，6.4，12.8，25.6，51.2，102.4和204.8MPa。根据试验需要在3.2，6.4，12.8，25.6，51.2，102.4和204,8MPa时进行了卸载。
三、试验结果
图3为砂样卸载回弹曲线，从图中可以看出，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。在较商的压力下，天然石英砂发生了大量破碎，这种破碎并不能由于卸载而消去，一般把压缩曲线上曲率最大的点看做屈服点，该点对应于试样开始产生较大的塑性变形，此时大量颗�？计扑�。所以其相对回弹量相对于较低压力时的试样而言是较小的。
图4为不同粒径砂样的压缩曲线，从图中可以看出，在试验压力范围内，随着粒径的减小，粒径大的试样的空隙比在开变化较粒径小的更明显，而当压力增大到100MPa左右后，两者的e～p曲线基本趋同。
因为对于粒径为0.5-2.0mm的砂样来说，处于相对密实状态，因此其压缩曲线在开始阶段空隙比变化相比2.0mm—5.0mm的砂样要下一些，只有少部分颗粒在压力作用下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的孔隙，孔隙比急剧下降，达到更加密实的状态。对于粒径为2.0~5.0mm的砂样来说，开始并不处于密实状态，因此在压缩初期由于颗粒位置重新调整而引起的空隙比变化会大一些，而且在位置调整的过程中部分颗粒棱角折断，因此其屈服点没有上述大颗粒的明显，颗粒破碎是渐近的，而对于更小粒径的砂样来说，初始空隙比要小的多。
从图4还可以看出，在压缩初期，即P<10MPa时，空隙比的变化比较小，而到了后期．颗粒大量破碎，引起孔隙比急刷下降。
四、颗粒破碎现象描述
本试验中所选用的天然石英砂矿物成分主要为石英石和碳酸钙，其硬度是较高的。图5为不同终止压力下自然石英砂在压缩后的颢分曲线，由图可见，破碎程度是随着粒径的增加而增加的�？帕Ｆ扑槭故匝蚋玫募杜浞⒄�。
同时该图表明，在压缩前后，砂样的粒径发生了明显的变化�？帕Ｆ扑槭且桓鲇肓＞�、级配、颗粒形状、孔隙比、颗粒硬度和施加外力有关的复杂过程，颗粒破碎最明显的表现即试样压缩前后级配曲线的变化。因次，许多研究人员以试验前后的颗分曲线上某一点的变化来度量破碎的指标。本问拟采用文提出的破碎模型，该模型把颗分曲线与粒径D=0.074mm竖线所围面积称为初始破碎势BP0，认为粉粒上限0.074mm以下的颗粒是不会继续破碎的。受力破碎试样颗分曲线与初始曲线和D=0.074mm竖线所围面积为总破碎B，，从而定义了相对破碎B，为
Hardin研究表明，B，在其他条件不变时，只有颗粒级配为一变量时是与级配无关的量，为一常数。试验表明，对于本砂样B，也是一个与级配无关的量，而只与应力一应变等有关。因此，本文将B，选做评价颗粒破碎的指标来讨论该砂样在单轴压缩条件下的颗粒破碎。
图6为Hardin的相对破碎率B，与压力关系益线，由图可见，相对破碎率B．是随压力的增加而增大的。在压力为6.4~51.2MPa时，相对破碎B，陡然加大，这说明颗粒破碎在达到此压力时开始加剧，这与压缩曲线斜率的陡然加大相对应，此应力即为破碎应力。在没有达到破碎应力前，颗粒破碎很少，一旦达到破碎应力，颗粒破碎就开始加剧。对于本次试验所用的自然石英砂，其破碎应力为12.8MPa。
五、结论
(1)石英砂在高压力下可以表现出明显压缩特性，而卸载后的回弹量较小。
(2)石英砂的破碎率在6.4~51.2MPa之间增长比较显著，在此之前主要为压密，而在极高压力下其压缩性的增加是由于各个大小颗粒间更为紧密的排列。
(3)在对于破碎率的研究中，自然石英砂的破碎率随着压力的增加而增加，而曲率逐渐下降；在单轴高压试验中，自然石英砂的粒径对于破碎率的影响并不明显。
