不同粒度粗粒的极限孔隙比和破碎特征

戴仁辉, 李明东,, 陈士军, 易进翔, 高玉峰

(1.东华理工大学 土木与建筑工程学院, 江西 南昌 330013; 2.河海大学 岩土工程科学研究所, 江苏 南京 210024)

粗粒土越密实，强度越高、压缩性越小、渗透性越低，工程性能越好.文献[1-2]对于地基和填土的评价具有极高的指导价值，至今仍是最主要的评价指标[3-4].工程中常采用击实方法来提高粗粒土密实度，而击实过程会导致粗粒破碎，改变粗粒土的颗粒组成，继而影响粗粒土的工程性能[1].最大孔隙比和最小孔隙比是确定相对密实度的关键参数，测定最大孔隙比的方法有量筒倒转法、漏斗法及松砂器法，测定最小孔隙比的方法有锤击法和振动法[5].对于砂土，量筒倒转法的测定结果普遍优于漏斗法及松砂器法[5-6]，其最大孔隙比随细粒掺量的增大而减小[7].当黏粒掺量不大于30%时，最小孔隙比随细粒掺量的增大而减小[6].细粒掺量对极限孔隙比的影响机制相同[8-11].颗粒形状也会影响到极限孔隙比，理想浑圆颗粒的最大、最小孔隙比分别为0.90986 和0.35407[7]，最大孔隙比随颗粒球度的减小而增大，最小孔隙比则相反[12].颗粒级配对压实的影响机制为不同粒径颗粒的相互填充效应、颗粒的悬浮效应和小颗粒的虚填效应[13].颗粒破碎方面，研究发现贝壳砂颗粒破碎受试样尺寸、围压、土粒比重的影响[14]，其颗粒破碎程度随试样尺寸及围压的增大而增大.随着颗粒破碎程度加深，土粒均会从初始分布逐渐趋向自相似的分形分布[15-16].对颗粒破碎的定量分析以Hardin相对破碎率为主，砂土多发生棱角破碎，且多棱角颗粒的试样变形大于浑圆颗粒试样[17-18].因此，探明颗粒粒径对极限孔隙比及颗粒破碎的影响，对于土体压实及土颗粒破碎有着重要的意义.

本文采用量筒倒转法、振动锤击法测定了不同粒径粗粒的极限孔隙比，分析了孔隙比变化范围与粒度的关系，研究了粗粒的破碎特征.

1 试验

1.1 试验材料

1.1.1原料土

原料土取自南昌市赣江中下游左岸秋水广场处(北纬N28°41′9.59″,东经E115°51′27.14″),主要成分为石英砂.其基本物理性能如表1所示.表中：Gs为相对密度；d60、d30和d10分别表示小于该粒径的土颗粒质量占土颗粒总质量的60%、30%及10%；Cu、Cc分别表示土的不均匀系数及曲率系数.

表1 原料土的基本性质

1.1.2不同粒度粗粒

将原料土沥水风干,然后进行筛分.各粒度粗粒均准备4kg,编号分别为1#～7#,如图1所示.将各粒度粗粒分为2等份,进行平行试验.

图1 不同粒度的粗粒Fig.1 Different particle size of coarse particle

1.2 极限孔隙比试验

1.2.1最大孔隙比

采用量筒倒转法测定粗粒的最小干密度ρdmin,其中量筒容积为1000mL.利用式(2)计算粗粒的最大孔隙比emax.

emax=(Gsρ/ρdmin)-1

(2)

1.2.2最小孔隙比

采用室内锤击法测定各粒度粗粒的最大干密度ρdmax,利用式(3)计算各粒度粗粒最小孔隙比emin.锤击工具选用JDM-2型电动相对密实度仪,金属圆筒体积为250mL,内径为5cm,长度为12.7cm,锤体质量为1.25kg,直径为5cm,下落高度为15cm.粗粒分3次倒入金属圆筒进行锤击,每次粗粒为金属圆筒的1/3,锤击32次/min,直至粗粒体积不变为止.

emin=(Gsρ/ρdmax)-1

(3)

1.3 颗粒破碎试验

1.3.1不同粒度粗粒的颗粒破碎试验

将最大干密度试验击实后的各粒度粗粒进行颗粒分析,获得各粒度粗粒击实后的粒度构成,分析各粒度粗粒在击实过程中的颗粒破碎特征.

1.3.2原料土的颗粒破碎试验

取4份原料土进行击实试验,击实次数分别为96、192、288、384次,对击实后的土样进行颗粒分析试验,分别测定各试验组的粒度构成,分析原料土在不同击实次数下的颗粒破碎特征.

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2 不同粒度粗粒的极限孔隙比

2.1 最大孔隙比

不同粒度粗粒的emax与d的关系如图2所示.由图2可见：emax与d在半对数坐标系上呈非线性关系,它随粒径的增大先快速减小后缓慢增大,存在1个最小值;在砂粒范围内,即d从0.075mm逐渐增大到2mm时,emax逐渐减小,与李珊珊等[6]的结论一致;当d从2mm逐渐增大到10mm时,emax逐渐增大;emax的最小值为1,大于理论上假定土颗粒为均匀圆球所推导的emax=0.90986[7],原因在于实际粗粒并非圆球形,粒间孔隙量更大.

图2 各粒度粗粒emax与d的关系Fig.2 Relationship of maximum void ratio versus particle size of coarse particle

2.2 最小孔隙比

不同粒度粗粒的emin与d的关系如图3所示.由图3可见,emin与d在半对数坐标系上呈线性关系,它随着粒径的增大而逐渐减小.由此可得emin与d的关系如式(4)所示.

图3 各粒度粗粒emin与d的关系Fig.3 Relationship of minimum void ratio versus particle size of coarse particleemin=alg d+b

(4)

式中：a为曲线的斜率,表示d每变化1个对数周(10倍)所引起的emin的变化量,即a=-(Δemin/Δlgd);b为曲线在纵轴的截距,表示d=1mm 时,emin的值.这与王新志等[8]发现的当d从0.5mm逐渐增加到5mm时,钙质砂ρdmax逐渐增大结论一致.

2.3 压实容量

随着粒径的增大,不同粒度粗粒emin线性减小,emax先快速减小后缓慢增大.针对不同粒度粗粒这一特性,提出压实容量ecap,如式(5)所示.ecap越小,表明粗粒的可压实性越小,反映出粗粒的压实性能.

ecap=emax-emin

(5)

图4为粗粒ecap与d的关系曲线.图5为ecap与平均粒度(D50)的关系曲线.由图4可见：ecap与d在半对数坐标系上呈非线性关系,它随粒径的增大先逐渐减小后逐渐增大,存在一个最小值.

图4 粗粒ecap与d的关系曲线Fig.4 Curve of compaction capacity versus the particle size of coarse particle

图5 不同材料ecap与D50的关系曲线Fig.5 Curves of compaction capacity versus the mean particle size of different material(Ref.[7])

由图5可见,当d从0.075mm逐渐增大到0.8mm 时,ecap逐渐减小,与Cubrinovski[7]发现的不同细粒含量砂土ecap随D50的增大而增大的结论一致.当d从0.8mm逐渐增大到10mm时,ecap逐渐增大.Cubrinovski认为在砾粒范围内,即d从2mm 逐渐增大到10mm时,ecap会随着d的增大而逐渐减小,并拟合其关系如式(6)所示.在砾粒范围内,ecap并无明显减小趋势,而随粒径的增大略有增大,其试验结果更符合图4.由图4可见,ecap与lg(d/d0)呈双曲线关系,可用式(7)表达.由式(4)、(5)、(7)可得emax与d的关系如式(8)所示.

emax-emin=0.23+0.06/D50

(6)

(7)

(8)

3 颗粒破碎特征

3.1 不同粒度粗粒的颗粒破碎

不同粒度粗粒的颗粒破碎情况与粒径的关系如图6、7所示.由图6可见：各粒度粗粒在击实后均有不同程度的破碎,其中1#粒度粗粒破碎量为5.7%,d从0.16mm逐渐增大到10mm时,各粒度粗粒破碎量在半对数坐标系上随着粒径的增大呈线性增加;颗粒粒径对颗粒破碎影响很大,可能的原因是粒径越大,在击实作用下越容易产生应力集中,造成颗粒的破碎.与王新志等[8]发现南海钙质砂在砂粒范围内即d从0.075mm逐渐增大到2mm时,颗粒破碎量随粒径的增大而增加的结论一致.

图6 各粒度粗粒颗粒破碎量Fig.6 Fragmentation content versus particle size of coarse particle

图7 各粒度粗粒击碎颗粒的粒径分布Fig.7 Particle size distribution after soil compaction of coarse particle soil

由图7可见,各粒度曲线斜率随着粒径减小均表现出不同程度的减小,说明本等级粒度粗粒被击碎到更小等级粒度粗粒的趋势随着粒度的减小而逐渐减小.

各粒度粗粒在击实过程中,粒径较大的颗粒更容易被击碎并填充于大颗粒的孔隙中,这也使得emin的测定结果偏小.随着粒度的减小,粗粒颗粒破碎量逐渐减小,破碎颗粒的填充作用也逐渐减小.这与emin随着d增大而逐渐减小的结论一致.

3.2 原料土颗粒破碎特征

原料土在不同击实次数下的颗粒破碎特征如图8所示.由图8可见,原料土在击实过程中同样存在颗粒破碎现象,但随着击实次数的增加,单位击实功引起的颗粒破碎量减少,击实对原料土的颗粒破碎作用是有限的.

图8 不同击实次数粗粒的颗粒分布曲线Fig.8 Plot of particle size distribution in different compaction times of coarse particle

原料土在不同击实次数下的不均匀系数Cu与曲率系数Cc如表2所示.由表2可见,随着击实次数的增加,Cc由0.71逐渐线性增大到1.03,Cu由5.65逐渐减小到4.10.说明增加击实次数可以有效提高原料土的连续性,但原料土会逐渐趋于均匀化.土体在击实过程中的应力集中现象逐渐减弱,这正解释了随着击实次数的增加,单位击实功引起的颗粒破碎量减少的现象.

表2 不同击实次数时原料土级配参数

4 结论

(1)不同粒度石英砂粗粒的最小孔隙比emin随着粒径d的增大线性减小,emin与d的关系为emin=algd+b.

(4)原料土在击实过程中存在颗粒破碎.不同粒度石英砂粗粒的颗粒破碎量随粒径的增大线性增大;击实对原料土颗粒破碎作用是有限的,增加击实次数可以有效提高原料土的连续性,但原料土会逐渐趋于均匀化.