粗粒土压实特性及颗粒破碎分形特征试验研究_杜俊
基于振动压实法的级配碎石性能试验研究
砂 岩 石灰 岩
粗 型 级 配 细 型级 配 粗 型 级 配 细 型 级 配
振 动 击 实 振 动 击 实 振 动 击 实 振 动 击 实
法 法 法 法 法 法 法 法
最 佳 含 水 量
ｆ ％）
５
．
粒含 量和 级 配对 混 合 料 压 实 性 能有 较 大影 响 。
关 键 词 ：道路 工程 ；振 动 压 实 ；级 配碎 石 ；性 能
中图 分 类 号 ：Ｕ １ ４４
文 献 标 识 码 ：Ｂ
文 章 编 号 ：１０ — ７ ６ ２ １ ）２－ ３ 一 ３ ０２ ４ ８ （０ １ １－ ０ ９－ ． ０ ０
Ｄ ：１ ． ６ ／ｉ ｎ１０ － ７ ６２ １．２ １ ｏＩ ０３ ９ ．ｓ．０ ２４ ８ ． １１． ３ ８ ｊｓ － ０ ０
Ｓ ｕ ｙ ｏ ｒ ｏ ｍ ａ ｃ ｆＧｒ ｄ ｄ Ｂｒ ｋ ｎ Ｓ ｏ ｅ Ｂａ ｅ ｎ ｔ ｄ ｆＰｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ｏ ａ ｅ ｏ ｅ ｔ ｎ ｓ ｄ ｏ
ｔ ００ ８ ． Ｏ． ２１
３５ ．
５３ ．
作 用 。使 被压 实材 料 的颗粒 在振 动 冲击作 用下 ， 由 初 始 的静 止状 态过 渡到 运动 状态 ，被 压材 料之 间的
６ ． ４ ＿ ０７ ｌ３
摩 擦 力也 由初 始 的静摩 擦 状 态过 渡 到 动摩 擦 状 态 ， 颗 粒 间的 内摩擦 阻力 减小 ，被压 材料 可 以达到 更好 的填充 状态 和密 实效果 。 由表３ 知 ，振 动 法确 定 的混合 料 最 佳含 水 量 可 偏 小 ．为 重 型 击 实 试 验 的０９ ～ ．５ 。这 是 因为 ．０ ０９ 倍 重 型击实 试验 由于其 击 实功 和击 实方式 的限制 ，混 合料 在逐 渐 密实过 程 中 ，需要 较 多 的水 分充 当润 滑 剂 ，最终 确定 的最佳 含 水量较 大 。而振 动压 实试 验 在振 动过 程 中 ，集料 间的摩擦 力 由静摩 擦力 转变 为 动摩擦力 ，颗粒间的 内摩擦 阻力减小 ，压实过程 中不 需要过多 的水分做润滑剂 ，所 以最佳 含水量 也较小 。 由表 ３ 图２ 和 可知 ，与 重型 击 实试 验 结 果相 比 ， 振 动压 实 的干 密度 与 含 水量 关 系 曲 线 的峰 尖较 窄 ，
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。
土石粗粒料的强度和变形特性的试验研究
第 24 卷
第3期
谢婉丽等. 土石粗粒料的强度和变形特性的试验研究
• 431 •
性模型[1]等， 试验大都是采用常围压( σ 3 =常数)的三 轴试验方法进行，使得试验确定的应力–应变关系 计算结果与实际工程的应力、变形相差较大。例如， 阿瓜米尔帕砂砾石–堆石面板坝施工期原型观测结 果几乎只为有限元计算结果的 30%～40%，采用不 同本构方程计算的应力、应变结果也不相同 。这 样造成有的工程设计过于保守，有的工程设计又过 于危险，甚至造成工程事故，如大坝渗漏、滑坡、 开裂及路面沉陷、桥头跳车、边坡失稳及房屋沉降 等。由此表明现有的强度公式和本构模型应用在土 石粗粒料上不是太合适，采用常围压( σ 3 =常数)进行 三轴试验确定本构模型参数不符合工程实际。试验 研究表明
2
试验方法
本文的试验工作是在大型三轴压缩仪上完成
的，仪器型号为 T–30–3.0，三轴仪由轴向加载系 统、数据采集和处理系统、周围压力控制系统、体 应变和反压力系统所组成。轴向荷载由油压千斤顶 施加，最大出力为 2 500 kN；试验围压由气水压力
表1 Table 1
材料 600～400 原样 试样 14.5 – 400～200 26.5 – 200～100 13 – 100～60 11 – 60～40 5 18 40～20 10 29
图11主应力空间屈服轨迹fig11yieldtrajectoryprincipalstressspace332粗粒料的弹塑性增量本构模型塑性增量理论12假定土的总应变增量ij分为由可恢复的弹性应变增量和不可恢复的塑性应变增量ijijij10根据塑性增量理论可得klijklijepijkl为弹塑性模量张量即弹塑性刚度矩阵其表达式为cdpqcdpqmnmnklijklrsijklijklep12式12中对于硬化材料采用相关联流动法12用屈服函数对称13cdpqijmnrsijklep14将式913代入式14就可得到弹塑性刚度矩阵epijkl可以直接应用于有限元分析中
粗粒土击实试验研究
２
４
６
最 佳 含 水
鬣 ： 中 下 上 中 下 （ ） ％
』』 重 型 击 实 结 果 冬２
实 验 含 水 量 （ ） ｄ ４１ ４ ６２ ６５ ４８ ８３ ６８ ４９ ％ ． － ． ． ． ． ．
０ 引 言
低 。多位 学者 在室 内对 不 同级配 粗粒 土进 行 了重 型 击 实和振 动击 实 的对 比试验 ，考 察两 种成 型条 件 下
的基 本力 学特 性 ，发现 振动 工艺 可 以使粗 集料 合 理
新 疆有 着广 阔 的 山涧 河 滩 、戈壁 ．这 些地 方 有 着 丰 富的砂 砾石 。特别是 在 戈壁 ，人 烟稀 少 ．地 域
含土 量 （ ％） ｌ３ ＿ ５１ ． １． ０３ １ ５ ２． １ １
击 实方 法 ，最佳 含土 量是不 一样 的 。但 这个 值不 是
固定值 ，而是一 个范 围 。 从 强 度 形 成机 理 来 看 ， １０ 的砂 砾 石 混 合 料 ０％
是 按嵌挤 原则 形成 强度 。由于砂 砾颗 粒 中间缺 乏 必 要 的细 黏 结 料 ，黏 结 力 几 乎 没 有 ．在 压 力 的 作 用
２． ４２
中黏土含 量 达到一 定值 后 ，黏 土 的掺 入填 充 了 细小 砂 砾石 颗粒 间 的孔 隙 ，并起 到一 定 的黏结 作 用 ，使
２． ４０ ２． ３８
—
２ ３６
混 合料 颗粒 之 间紧密结 合 ，以密实原 则形 成 整体 来 抵 抗变形 。但 如果 黏土 过多 ，黏粒逐 渐将 砂砾 石 颗 粒分 开 ，主导 强度 的将 是黏 土 ，导致 强度 降低 ，因
Ｈ ｈａ Ｅｇ ｅｒ 道路工程 ｉｗｙ ｎｉｅｎ ｇ ｎ ｉ ｇ
粗粒土颗粒破碎特性研究
粗粒土颗粒破碎特性研究摘要：粗粒土具有压实性好、填筑密度大、沉陷变形小、透水性强以及抗剪强度高等优点，在工程中应用广泛，如用于土石坝、道路、港口、机场、房屋地基等工程中。
本文阐述了土体的本构关系和粗粒土发生颗粒破碎过程，总结了各种度量颗粒破碎的参数，以及颗粒破碎与土体之间的相互影响，并介绍了运用不同参数建立的考虑颗粒破碎的粗粒土的本构模型。
关键词：粗粒土；颗粒破碎；度量指标；1引言粗粒土是指粒径在0.1mm~60mm范围内的颗粒含量（质量比）大于50%的土石混合料。
屈智炯[1]按土体中的细粒含量，将粗粒土分为无粘性粗粒土、少粘性粗粒土、粘性粗粒土，均能用于土石坝工程中。
粗粒土由风化的岩石颗粒组成，并根据组成土体的岩石颗粒大小来区分，由于风化作用，土颗粒本身含有微裂缝。
土颗粒在荷载作用下产生弹性变形，随着荷载增大，颗粒内部的微裂缝开始扩展，土颗粒产生塑性变形，最后扩展的裂缝贯穿整个颗粒发生颗粒破碎。
土的本构关系十分复杂，除受时间因素影响外，还受温度、湿度等因素影响颗粒破碎影响土体的本构关系，如颗粒破碎使粗粒土的颗粒粒径、级配曲线、密实程度发生变化，影响其应力应变行为。
同时颗粒破碎对粗粒土的物理性质有显著影响，目前国内外许多学者已经对颗粒破碎进行了大量研究。
2.颗粒破碎的度量指标颗粒破碎现象复杂，具有极大的随机性和不确定性，因此大部分的度量指标都是基于统计学对于颗粒破碎程度的整体描述。
Hardin[2]将级配曲线与0.074mm线围成的面积定义为土体的破碎势Bp，将土体试验前后破碎势的变化值定义为整体破碎参量Bt，即土体试验前后级配曲线所围成的面积。
Nakata[3]提出破碎参量Bf，等于与土体试验前级配曲线最小粒径对应的试验后级配曲线的百分含量1%。
Lee[4]提出把试验前后土体级配曲线颗粒含量为15%的颗粒粒径的比值作为破碎参量，即D15试前/D15试后。
Mcdowell[5]根据颗粒破碎之后具有自相似特性，基于分形理论建立了几何模型描述颗粒的破坏拉应力，根据最小颗粒的破坏拉应力和当前荷载计算土体的颗粒破碎程度。
粗粒土路基振动压实效果试验及分析
机为 ３ ２ ￣４ ０ Ｈｚ 。
关键 词 ： 粗粒 土路 基 ； 振 动压路 机 ； 松铺 厚度 中 图分类 号 ： Ｕ４ １ ６ ． １ 文献标 识 码 ： Ａ 文章 编号 ： ｌ ０ Ｏ ４ —５ ７ １ ６ （ ２ ０ １ ３ ） Ｏ １ 一Ｏ １ ７ ７ —０ ４
ｌ 概 述
随着我国公路建设 的快速发展 ， 粗粒土作为一种路 堤材料被越来越广泛地应用于工程实践中， 但是 当前的 规范对于粗粒土作为路堤填料时 的压实工艺 的规定 比 较笼统， 导致压路机压实效果不好控制 。如果压实度不 够， 高速公路投入运营之后， 可能导致路面产生沉陷、 车 辙、 裂缝 和水毁 ， 甚 至可 能使 整个路 面发 生剪 切破 坏 。 振动压路机 因为低成本、 高效率和明显的压实效果 等优势 ， 在公路建设 中得到了广泛的应用［ １ ］ 。但大部分 学 者对 于振 动压 实效 果 的研究仍 采用 室 内试验 的方法 ， 如赵明华等采用平板振动器对 填石料分层进行 了振动 压实， 利用水准仪测量沉降， 并利用动土压力盒观测填 石层 内的压力变化 ， 发现振动压实遍数对于填石层的密 实度有重要影响＿ ２ ； 胡立群等发 明了通过调整静压力、 振动频率 和激振力改变压实功的室内振动压实机 ， 并通 过室 内试 验 证 明 ： 利 用 振 动 法 压 实 水 泥 稳 定 碎 石 过 程 时， 粗集料破碎现象 明显减 少［ ３ ； 刘本学等提 出了一种 新的仿冲击振动压实机械 ， 建立了该机械与土壤相互作 用 的动力 学模 型 ， 并推 导 了机器 起 跳 频 率 的 表达 式 ， 建
颗粒级配对粗粒土强度和变形特性的影响
颗粒级配对粗粒土强度和变形特性的影响陈爱军【摘要】对掺加不同比例碎石的粗粒土进行了大型三轴试验,得到了颗粒级配对粗粒土强度和变形特性的影响规律.在素土中掺加不同比例的碎石可以明显改善土体的颗粒级配组成;素土和改良土的应力应变关系表现为加工硬化型,随着粗粒含量的增加,同一轴向应变对应的偏应力增大,围压增加也会导致偏应力增大;偏应力与轴向应变表现为明显的双曲线关系,初始切线模量和极限应力随着P5含量和围压σ3的增加而增大;P5含量的增加有助于提高土样内摩擦角ψ和黏聚力C,而含泥量增加会导致内摩擦角ψ和黏聚力C减小;低围压时粗粒含量较多的土样表现出明显的剪胀,较高围压时产生的体积应变较大;径向应变ε3与轴向应变ε1表现为明显的抛物线关系,通过改进的邓肯一张的E-v模型得到初始泊松比μi受围压和颗粒级配的双重影响.【期刊名称】《湖南工程学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(027)003【总页数】8页(P75-82)【关键词】级配;粗粒土;大型三轴试验;变形和强度特性【作者】陈爱军【作者单位】湖南工程学院建筑工程学院,湘潭411104【正文语种】中文【中图分类】TU411粗粒土泛指颗粒粒径变化较大，由块石、碎砾石、砂粉粒和黏粒等颗粒组成的混合土.从20世纪80年代以来，在工程建设中，粗粒土由于具有易压实、透水性强、抗剪强度高、密度大、沉降小和承载力强等特点而被广泛应用，国内外对粗粒土的研究主要集中在土石坝堆石料应力应变关系、强度变形特性和高围压的颗粒破碎特性[1-7]，针对作为铁路和公路路基填料的粗粒土的研究较少[8-12].堆石料的粒径相对较大、细料含量少且处于高应力环境，而作为路基填料的粗粒土粒径较小、细料含量多且承受应力较小，因此它们的应力应变特性也有所区别.根据郭庆国的研究成果[8]，粗粒土的颗粒级配组成是决定抗剪强度特性的主要因素，因此，针对铁路及公路路基填料粗粒土，开展颗粒级配组成对粗粒土的强度及变形特性研究具有较强的工程实践意义.在对粗粒土工程特性的研究中，郭庆国[8]通过大量试验研究结果发现粗粒土的各项工程特性指标首先取决于粗、细料各占的百分数，当粗料含量≤30%时,各项工程特性指标主要取决于细料，当30%≤粗料含量≤70%时,工程特性指标同时具有两种土的性质，当粗料含量≥70%时，粗粒土的工程特性指标主要取决于粗料.饶锡保[13]认为P5含量与土料的击实特性、渗透性及强度特性都有一定的相关性，P5含量与强度参数关系密切；凌华[14]研究了颗粒级配和颗粒破碎对堆石料动静力特性的影响，发现当细颗粒含量在30%以内时,堆石料的强度指标和变形参数随细颗粒含量的增加而提高；陈志波[15]采用中三轴和大三轴仪对宽级配砾质土的强度、应力应变和邓肯-张模型参数进行了试验研究，指出掺砾量和干密度对砾质土的强度和变形特性有较大影响；李振[16]利用直剪试验研究了两种粗粒土的细粒含量和干密度分别对其抗剪强度参数的影响以及抗剪强度参数变化规律.综上所述，粗粒土的颗粒级配组成对工程特性有显著影响，虽然已有研究成果初步探讨了掺砾量和细粒含量对粗粒土抗剪强度的影响，但对低应力环境下的路基填料粗粒土仍有待于更深入的研究.本文针对某种高速铁路路基不良填料及四种掺加不同碎石得到的改良粗粒土，进行大型三轴试验研究，初步得到了颗粒级配组成对粗粒土强度和变形特性的影响规律.试验土料分素土和改良土，素土呈棕黄色，散粒状，无明显黏结.根据素土的颗粒组成和《铁路路基设计规范》(TB10001-2005)[17]的规定，这种土为粉砂，属于C组不良填料.我国《高速铁路设计规范(试行)》(TB 10020-2009)规定：当选用C 组填料时，应根据填料性质进行改良.本试验采用物理改良的方法，在素土中分别掺入20%、40%、60%和80%的粒径介于5～40 mm的碎石,经掺配得到改良土1、改良土2、改良土3和改良土4，素土、掺配碎石及改良土的土性和级配参数见表1、表2和图1所示.表1～表2说明，素土的塑性指数大于10且含泥量(小于0.1 mm颗粒含量)[8]高达21.28%，掺入碎石后的改良土应具有部分黏性；随着碎石掺量的增加，土料的不均匀系数Cu明显提高有助于改善素土的级配组成，改良土4的Cu和Cc分别比改良土3的减小和增大.依据表2数据和文[17]可以判定改良土2～改良土4都为砾类土，属于B组填料，可以用作高速铁路基填料并符合压实性能要求.从图1可以发现，素土掺入不同比例的碎石后，级配曲线中段部分明显下移，但5～1 mm段曲线比较平坦，这与文[8]的研究成果是相符的.本文采用SZ30-4大型三轴仪进行固结排水剪切试验(CD试验)，试样尺寸Φ300×600，土样颗粒最大粒径为60 mm，压实度控制为95%.先按预计含水量和碎石含量配制混合料，然后根据要求干密度分6次称料倒入安装在压力室底座上的钢模内(橡皮膜套在钢模内壁)，每层土料刮平后击实厚度控制在10 cm左右.制样完成后进行抽气饱和,即在真空泵作用下，连续抽气使试样内部保持-90 kPa 1 h，随后打开进水阀门让土样由下而上开始饱和，直到试样上部出水，持续20 min，停止抽气，然后改用水头饱和法进行饱和，直至孔隙压力系数B大于等于0.95为止.固结方法为各向等压固结，作为路基填料的法向应力通常较低[9]，因此采用较低固结围压，分别为100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa，固结过程中可以根据试样的排水量获得试样的体积变化，在固结过程中当孔隙水压力uw消散至小于0.02σ3时即认为固结完成.固结完成后马上施加轴向压力进行剪切，为有利于孔隙水压力的消散，且根据以往经验确定剪切速率为0.5 mm/min.关于破坏标准的确定，若应力应变曲线出现峰值，则峰值主应力差为破坏标准；若应力应变曲线未出现峰值，则以轴向应变15%对应的主应力差为破坏标准.土样在100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa围压的主应力差(σ1-σ3)与轴向应变ε1的曲线如图2所示.图2显示，不同土料在四种围压下的应力应变关系存在一致性，即轴向应变ε1随着主应力差值(σ1-σ3)的增加而增大，应力应变关系表现为加工硬化型，没有明显的应力峰值，呈现出塑性破坏的特征；而且，随着P5含量的增加，相同ε1对应的主应力差是提高的，说明P5含量增加有利于提高粗粒土强度；围压增大时，同一轴向应变对应的主应力差也明显增加.同时，应用邓肯-张双曲线模型拟合应力应变关系相关性较好，邓肯-张双曲线模型较适合描述加工硬化型的应力应变关系[13].采用邓肯-张双曲线模型的公式(1)拟合主应力差与轴向应变的关系曲线，式中a为初始切线模量Ei的倒数，b是极限应力差(σ1-σ3)lim的倒数，因此根据a和b可以计算各种土样在不同围压下的Ei和(σ1-σ3)lim，根据Ei和(σ1-σ3)lim与P5的关系绘制图3.=a+bε1图3表明，初始切线模量Ei与P5含量线性相关性较好，在相同围压时Ei随着P5含量的增加而增大，在相同P5含量时围压升高会导致Ei增大，说明P5含量越多导致土样刚度越大并提高土体的抗变形能力.极限应力差(σ1-σ3)lim与P5的关系也表现出同样的性质，只是在P5达到70%以后(σ1-σ3)lim趋于稳定，掺加过多粗粒含量对于提高土的承载能力不是很明显.关于粗粒土强度参数取值有两种观点：一是认为只考虑内摩擦角φ的影响，φ采用arcsin计算，黏结力C的影响可以忽略[6 ]；另一种观点是对于具有一定黏性的粗粒土必须考虑黏结力的影响[19].笔者认为针对本研究的试验土样考虑黏结力的影响是合理的，因为素土的含泥量较大，改良土也具有一定的黏性.强度包线采用直线拟合，试样的应力摩尔圆和强度包线如图4所示.从图4可以发现，含较多细粒的素土及改良土1和改良土2直线拟合较好，改良土3和改良土4由于含粗粒较多而导致直线拟合较差.具有黏性的粗粒土的抗剪强度分为黏聚分量、剪胀分量和摩擦分量[18]，黏聚分量在极小的应力下就发挥到最大后并不再上升或有些降低，摩擦分量与正应力成正比，剪胀分量只有在粗粒含量多低围压下作用明显，剪胀提供的强度分量在围压较大时迅速降低导致强度包线弯曲，因此改良土3和改良土4的强度包线呈现曲线特征.抗剪强度参数黏聚力C及内摩擦角φ与颗粒级配的关系如图5所示.图5表明随着粗粒含量的增加，土样的抗剪强度参数都是增大的.内摩擦角φ随粗颗粒含量增加而线性增大，这与李远耀[19]通过大量统计得到的结果是相同的；黏聚力C只有在P5含量超过30%才增加较明显，P5含量达到60%以后黏聚力的增加较少.同时，随着土中含泥量的增加,抗剪强度参数都是减小的,但是减小的规律也不一样,内摩擦角φ是随含泥量增加呈线性减小,黏聚力C在含泥量从13%～17%之间减小较明显.在偏应力作用下，粗粒土的内摩擦角主要是由粗颗粒之间的相互摩擦来提供，因此粗颗粒含量越多则摩擦角越大，含泥量越多则内摩擦角越小.黏聚力主要包括两部分[14]，一部分是细粒粒间吸引力，另一部分是粗粒之间的咬合力，当粗颗粒含量较少时，粗颗粒被细粒所包围，黏聚力以粒间吸引力为主，而粒间吸引力主要与细粒土的含水量、矿物成分和塑性指数有关，因此粗粒含量的增加对黏聚力影响不大；当粗粒含量增加到30%以上，细粒土不能完全填充粗颗粒之间的空隙而使得粗颗粒直接接触，此时黏聚力以粗粒之间的咬合力为主，粗粒含量越多则咬合力越大，但当粗颗粒增加到55%～60%以上后，土中大部分是粗颗粒，咬合力趋于平衡，黏聚力不再随着粗粒含量的增加而显著增大.含泥量对黏聚力的影响机理类似，当土中粗粒含量较多时含泥量的增加对咬合力的影响不大，只有当含泥量增加到10%～15%以上，细粒含量超过50%，造成粗颗粒之间不能直接接触，含泥量增加导致咬合力急剧降低，但当土中细颗粒较多把粗颗粒隔开时，土中黏聚力以粒间吸引力为主，含泥量的增加对黏聚力的影响不明显.试样的体积应变εv与轴向应变ε1关系如图6所示.图6表明，素土在各种围压下体积应变都随着轴向应变的增加而增大的，即素土的体积变形具有典型的剪缩特性，这是由于素土的颗粒组成以细粒为主导致的.围压100 kPa和400 kPa的径向应变ε3(以增大为正)与轴向应变ε1的关系如图7所示.当围压为100 kPa时，改良土1和改良土2没有明显的剪胀，而改良土3和改良土4表现为先剪缩后剪胀的特点，尤其是改良土4的剪胀性最显著，低围压时，改良土3和改良土4以粗颗粒为主，土中孔隙较多，随着偏应力的增大，细颗粒先填充土中孔隙导致剪缩，偏应力再增大时，由于围压小使得相邻颗粒容易彼此翻越而产生剪胀[1，9].随着围压升高(200 kPa～300 kPa)，体积应变随着轴向应变的增加而增大，改良土4和改良土3的体积应变达到峰值后减小，改良土1和改良土2的体积应变一直随着轴向应变的增加而增加或趋于稳定，说明偏应力增大使体积压缩到一定程度后粗颗粒含量较多更容易导致相邻颗粒彼此翻越.围压增加到400 kPa时，改良土的体缩特征明显，而且改良土4的体积收缩最大.改良土4的粗颗粒含量最多，粗颗粒以棱角分明的碎石为主，碎石在较大的偏应力作用下容易崩角破碎，所以在较高应力环境下粗粒土较容易产生较大变形而对工程结构带来潜在的隐患.改良土2和改良土1的体积应变都比素土的小，说明掺加适量的粗颗粒在较高应力环境下有利于改善土体的变形性能.从图7(a)可以明显发现ε3/ε1与ε3不存在线性关系，即径向应变ε3与轴向应变ε1的关系不符合邓肯-张E-ν模型的双曲线假定；仔细分析图7(b)的曲线，采用折线关系[10]处理ε3～ε1不太合理，而ε3与ε1的抛物线关系非常明显，相关性较好，因此可以采用式(2)修正邓肯-张E-ν模型并求出切线泊松比μt用式(3)表示.μt==2Dε1+T式中：D和T为试验参数，T等于初始泊松比μi.表3列出了围压分别为100 kPa和400 kPa时五种土样所对应的D和T的拟合值，可见D、T与试验围压σ3和土样颗粒级配有关，400 kPa围压的μi值要比100 kPa围压的μi值小，说明围压增大会抑制试样的横向变形；除素土外，400 kPa围压的μi值随着粗粒含量增加而减小，100 kPa围压的μi值都随粗粒含量增加而增大，粗粒含量对初始泊松比的作用受围压大小影响，围压较大时粗颗粒可以抑制横向变形，围压小时粗粒含量越多反而会导致横向变形愈大.本文采用大型三轴试验对素土及掺加不同比例碎石的改良土的强度和变形特性进行了试验研究，得到以下结论：(1)以细粒含量为主的素土经掺加不同比例的碎石可以明显改善土体的颗粒级配组成，不均匀系数Cu明显提高，但掺加过多的碎石对改善颗粒级配不利.(2)素土和改良土的应力应变关系表现为加工硬化型，没有明显峰值应力；随着粗粒含量增加，同一轴向应变对应的主应力差增大；围压增加也会导致主应力差增大；主应力差与轴向应变表现为双曲线关系，初始切线模量Ei和极限应力(σ1-σ3)lim随着P5含量和围压σ3的增加而增大；(3)随着P5含量的增加，土样内摩擦角φ线性增加， P5含量在30%～60%范围时黏聚力c增大明显；随着含泥量的增加,内摩擦角φ呈线性减小,黏聚力c在含泥量从13%～17%之间减小较明显；(4)围压较低时,颗粒级配是影响体积变形性能的主要因素，粗粒含量较多的土样表现出先剪缩后剪胀的特点，粗粒含量少的土样表现为体积收缩；围压较高时，随着轴向应变增大体积收缩增加，且掺碎石越多产生的体积应变越大；ε3～ε1具有明显的抛物线关系，通过改进的邓肯-张E-ν模型得到的初始泊松比μi受围压和颗粒级配的双重影响，围压是影响μi的主要因素；(5)根据颗粒级配对粗粒土强度变形特性的影响规律，在细粒土中掺入适当粗颗粒(碎石)可以改善颗粒级配组成和强度变形特性，掺加过多的粗颗粒容易产生过大的体积变形和不经济性.【相关文献】[1] 刘萌成,高玉峰,刘汉龙.堆石料剪胀特性大型三轴试验研究[J].岩土工程学报,2008,30(2):205O211.[2] Marsal R J. 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粗粒土路基振动压实效果试验及分析
＊ 收稿日期：２０１２－０４－２０ 修回日期：２０１２－０５－１８ 作 者 简 介 ：林 绍 凑 （１９６８－），男 （汉 族 ），福 建 古 田 人 ，高 级 工 程 师 、国 家 注 册 土 木 工 程 师 （岩 土 ），现 从 事 岩 土 工 程 生 产 、科 研 和 管 理 工 作 。
１７ ８ 西 部 探 矿 工 程 ２０１３ 年 第 １ 期
２０１３ 年 第 １ 期 西 部 探 矿 工 程 １ ７７
·隧道与建设工程·
粗粒土路基振动压实效果试验及分析
林 绍 凑 ＊１，２
（１．福建省闽东南地质大队，福建 泉州 ３６２０２１；２．福建省泉州工程勘察院，福建 泉州 ３６２０２１）
图 １ 土 颗 粒 被 压 实 前 后 排 列 状 态 示 意 图
２．２ 仪 器 埋 设 某高速公路的填筑材料中含有碎石和砂砾石等粗
粒料，为了准确得到振 动 压 实 效 果，以 保 证 公 路 长 期 安 全地运营，各选取二段、每段 ５０ｍ 的试验段作为 压 实 效 果的研究对 象。 试 验 段 路 面 宽 度 ２３ｍ，坡 比 １∶１．５。
因为不能很好地模拟公路施工现场的振动压实特 性 ，所 以 在 室 内 进 行 振 动 压 实 效 果 试 验 的 研 究 方 法 具 有 局 限 性 。 针 对 上 述 局 限 性 ，本 文 在 粗 粒 土 路 基 振 动 压 实
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增刊 1
杜
俊等：粗粒土压实特性及颗粒破碎分形特征试验研究
157
计为 M2(r)，试样总质量计为 Mt，即
M t M1 r M 2 r
4 试验成果与分析
（1） 4.1 不同级配粗粒土的压实特性 不同级配粗粒土击实试验曲线如图 2 所示。试 （2） 验表明，粗粒土级配组成一定时，含水率与干密度 关系呈抛物线形，且含水率低时击实干密度随含水 率的增大而增大，当含水率增至某值时，击实干度 随含水率的增大反而减小。根据图 2 的干密度与含 水率拟合关系，求得各级配试样的最大干密度、最 优含水率和孔隙比，结果见表 3。击实试验中粗粒 土的最大干密度与粗粒含量间的关系表明，最大干 密度随粗粒含量的增大而增大，当粗粒含量
粗粒土广泛应用于公路、铁路、机场、堤坝及 矿山等工程建设中，它是由彼此相联系的固体颗粒 所共同组成的集合体，主要的特征是分散性、复杂 性和易变性。该类物料在填筑及堆积过程中通常需 要压实，以提高其力学参数，确保相关工程的安全 与稳定。但由于粗粒土颗粒间常为点接触，在压实
收稿日期：2012-06-14 第一作者简介：杜俊，男，1984 年生，博士研究生，主要从事边坡工程方向的研究。E-mail：dujun198465@ 通讯作者：侯克鹏，男，1966 年生，博士，教授，博士生导师，主要从事岩土工程与采矿工程专业的科研和教学工作。E-mail：gasihou@
3
分形几何是用来描述自然界不规则及杂乱无章 的现象和行为，目前应用较多的是线性分形，即具 有自相似性的分形。法国数学家 Mandelbrot 提出了 分形理论，并建立了二维空间的颗粒大小分维特征 模型。1992 年 Tyler 等[20]提出了质量和孔径关系的 标准化方程，且通过假设不同土壤粒级具有相同密 度的条件，建立了土壤粒径分布分形维数的重量分 布模型。 依据分形理论，可设用孔径 r 的筛子筛分试 筛网上物料总数 样， 将筛下的物料总数计为 M1(r)，
[17]
试验前将所取试样进行风干处理，并测定风干 后物料含水率为 0.012%，试验设计试样含水率为 2%、4%、6%、8%、10%五个等级，制样后闷料 24 h，再进行击实试验。试样分 5 层击实，每层 151 击，额定击实功为 600 kJ/m3[17]。
， 并综合工程实际与研究需要， 自制了击实仪。
Experimental study of compaction characteristics and fractal feature in crushing of coarse-grained soils
DU Jun, HOU Ke-peng, LIANG Wei, PENG Guo-cheng
156
岩
土
力
学
2013 年
行了大量的试验研究和分析， 在Marsal[2–3]提出颗粒 破碎率Bg 及Hardin 提出由破碎量和破碎势比值得 到的相对颗粒破碎率Br后，郭熙灵 、吴京平 、刘 汉龙等 、高玉峰等 、张家铭等 、傅华等 光等
[11] [7] [8] [9] [10] [5] [6] [4]
3 粗粒土粒度分形模型
[19]
击实筒直径为 30.0 cm，高 35.4 cm，体积为 25 000 cm ，允许最大装样粒径为 60 mm。击实锤重 4.5 kg ，击锤下落高度为 45 cm，直径为 5 cm。 2.2 试验材料与方法 试验材料为某露天矿排土场云母石英片岩粗粒 土，其母岩为砂岩，矿物组成主要为云母、石英和 少量长石。由于现场排土物料级配组成不均匀，最 大粒径可达 400～500 mm 以上， 试验室内无法完成 超大粒径物料试验，故参考文献[18]，采用等量替 代法对现场实测级配进行超大粒径缩尺处理，且以
1 引
言
和剪切等外力作用下，即使施加的能量和周围压力 并不十分大，也容易发生颗粒破碎，在高应力作用 下粗粒土破碎现象通常会更加显著[1]。粗粒土颗粒 的破碎会引起自身级配组成的改变，进而影响粗粒 土物理力学性质的变化。因此，开展粗粒土压实特 性及其颗粒破碎变化规律的研究能对相关工程实践 给予有益的指导。 以往研究中国内外学者针对粗粒土颗粒破碎进
(Faculty of Land Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China)
Abstract: Based on compaction test of different gradations and different moisture contents of coarse-grained soils, the compaction characteristics and fractal feature of coarse-grained soils are studied. The results show that the maximum dry density of coarse-grained soils would increase with the increase of coarse grained content in gradation. The maximum dry density reach the maximum value as the coarse grained content is 70%; while it would decrease with the increase of coarse grained content in gradation as the content is more than 70%. The particle size distribution of crushing granular has a good fractal feature. The crushing fractal dimensions are between 2.279 0－2.892 2; higher than that before test. Under the same gradation condition, the crushing fractal dimension of coarse-grained soils increased with moisture content. The increase amplitude is obvious when P5 is larger than 50%. A good linear regression relation exists between crushing fractal dimensions D and broken rate Bg. Difference value of the granularity fractal dimension before and after compaction can show the crushing degree of coarse-grained soils objectively. Coarse grained content and moisture content are two key factors affected on particle breakage; but the influence of coarse grained content is more obvious. Key words: coarse-grained soils; compaction test; moisture content; coarse grained content; fractal; particle breakage
摘
要：对多个级配不同含水率的粗粒土进行击实试验，研究粗粒土的压实特性和颗粒破碎分形特征。结果表明，粗粒土最
大干密度随级配中粗粒含量的增大而增大，当粗粒含量 P5=70%时，最大干密度出现最大值；当 P5＞70%时，最大干密度又 随粗粒含量的增大而减小，粗粒土击实破碎后的粒径分布具有良好的分形特性，破碎分形维数为 2.279 0～2.892 2，均大于击 实前粗粒土粒度分形维数；相同级配条件下，粗粒土破碎分形维数随含水率的增大而增大，且粗粒含量 P5＞50%时，增幅显 著；粗粒土破碎分形维数 D 与破碎率 Bg 存在良好的线性关系，且击实前后粗粒土粒度分形维数差值能客观表征颗粒破碎的 程度；粗粒含量和含水率是影响颗粒破碎率的两个重要因素，但相对于含水率而言，粗粒含量对破碎率的影响更加显著。 关 键 词：粗粒土；击实试验；含水率；粗粒含量；分形；颗粒破碎 文献标识码：A 中图分类号：TU443
Fig.1
图 1 试样颗粒级配累计曲线 Grain cumulative grading curves of samples
2 试验设备、材料与方法
2.1 试验设备 标 准 重 型 击 实 试 验 允 许 最 大 装 样 粒 径 为 40 mm，对大于 40 mm 粒径的材料，通常采用增大击 实筒的方法来进行击实试验。本次试验查阅相关文 献
第 34 卷增刊 1 2013 年 8 月
文章编号：1000－7598－(2013) 增 1－0155－07
岩 土 力 学 Rock and Soil Mechanics
Vol.34 Supp.1 Aug. 2013
粗粒土压实特性及颗粒破碎分形特征试验研究
杜 俊，侯克鹏，梁 维，彭国诚
(昆明理工大学 国土资源工程学院，昆明 650093)
5 mm 作为粗细颗粒的界限粒径，即粒径小于 5 mm 的为细颗粒，大于 5 mm 的为粗颗粒，其含量用 P5 表示。按粗粒含量 10%、30%、50%、70%、90%进 行级配设计，得到试验中不同的级配见表 1，各级 配累计曲线如图 1 所示。
表 1 击实试验前不同级配各粒级含量 Table 1 Each size fraction content in different gradations before compaction test