侧限压缩下粒状土颗粒破碎的试验研究

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1、侧限压缩下粒状土颗粒破碎的试验研究：随着国际上高土坝建设的兴起，以及近年来大型工业与民用建筑建设的兴起，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，作为地基的石英砂、砾石等在大荷重下发生颗粒破碎，颗粒破碎成为影响变形和强度的主要因素，许多研究都集中在大颗粒的破碎，忽略了小颗粒的破碎情况。本文以探究土颗粒的破碎特性为目的，采取高压应力下的侧限压缩试验，对两种不同的颗粒材料进行试验分析，通过筛分法和激光散射法分别对试样压缩前后的大颗粒和小颗粒的粒径分别进行描述，进一步探究颗粒的破碎机理。　　关键词：侧限压缩；粒状颗粒；试验　　：[

2、TU761.6]：A　　1材料　　颗粒材料在机电工程技术中使用广泛，本文选取了两种颗粒材料进行侧限压缩试验，采用荷兰PANalytical公司生产的（Axiosadvanced）X射线荧光光谱仪，对其进行定量分析，得到其物质成份。一种砂样的SiO2含量达到89.72%，可判断其主要成分为石英砂；另一种中CaO，MgO的含量分别为28.64%和23.30%，并且伴有44.74%的烧失量，可判断其主要成分为钙镁碳酸盐，即白云石，化学成分为CaMg（CO3）2。　　2试验方法　　本试验采用自制压缩仪，在直径285mm、高120mm的Q345圆形钢锭上，加工出直径7

3、9.8mm，高20mm的盲孔，用于填装试样。试样顶部荷载由200T压力机经由钢筒活塞施加。盲孔和活塞表面经淬火处理以提高硬度，减小钢件的变形误差。利用ABAQUS有限元软件验算装置的可靠性，结果表明：钢件在250MPa压应力下的最大主应力为197.4MPa，最大位移为4.81×10-2mm，强度和刚度满足试验要求，变形误差可以忽略不计。　　先将固结室置于压力台之上对中，保证压力均匀作用于整个试样上，在盲孔内壁均匀涂抹一层硅油以减小试样与侧壁的摩擦，然后通过漏斗于适当高度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。在压力柱左右各吸一表

4、座，将百分表打在模具上，测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，当前后两次读数小于0.01mm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。　　3粒状土颗粒的一维压缩　　本文对两类土颗粒材料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终止分别为204.8MPa和102.4MPa.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。　　从各土样在终级荷载下的单向压缩回弹曲

5、线中可知，加载后各试样孔隙比均持续减小，不同试样的最小孔隙比不同。B组和E组试样均为细砾，压缩后孔隙比变化较大；C组和D组分别为粗砂和中砂，孔隙比变化次之；原级配的A组试样孔隙比变化最小。说明粒径越大或者级配越差，可压缩性越强，此时，孔隙比的减小主要于颗粒的破碎，粒径的大小会直接影响颗粒破碎情况。　　在相同初始孔隙比条件下，各试样均已处于较密实状态，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。A、B

6、、C、D组石英砂样大约在6.4MPa的荷载下发生破碎，而E组白云石试样在1.6MPa时，孔隙比开始急剧减小，出现了较明显的颗粒破碎现象。当试样发生破碎时，试验过程中会发出明显的“噼啪”声音。　　各试样卸载时回弹较小，这说明土样在压缩过程中发生了不可恢复的塑性变形。其中E组试样的回弹曲线最为平缓，表面在终级荷载下试样发生了较大程度的塑性变形，完全卸载后的孔隙比和终级荷载下的孔隙比相比，基本不变。从试样来看，颗粒材料完全固结，形成了一个整体，极不易从装置中取出，说明颗粒已基本上达到完全破碎的程度。　　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（LCC

7、）极限压缩线后，就表现为不可恢复的塑性变形。　　各试样的压缩参数的测试值，可以看到在砂样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，尤其是大粒径的颗粒材料，λ达到κ的10倍或更多。　　4颗粒的破碎分析　　颗粒破碎研究中首要问题是破碎量的定量估计，目前主要存在两类方法：一是利用单位体积颗粒的表面积作为破碎的量化尺度，将破碎后表面积的增量定义为颗粒的破碎率，由于表面积的测定相当困难，该方法显得不是很方便。二是根据颗粒破碎前后的粒度分布，从统计学角度提出的颗粒破碎的量化指标，如破碎率B15，B60，B10，Hardin和Ein

8、av提出的相对破碎率等。本文采用破碎率来度量颗粒的破