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粗粒土颗粒破碎特性研究

发表时间：2020/8/24 来源：《基层建设》2020年第10期作者：陈结

[导读] 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。

        重庆交通大学重庆 400074
        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。Marsal[6]把粗粒料各个筛分粒径的百分含量变化值的绝对值之和定义为颗粒破碎率Bg。该指标可以反映某组粒径的相对变化量，但很难反映在颗粒破碎过程中某组粒径的实际变化量。Miura[7]提出采用土体表面积增量度量颗粒破碎，仅能适用于较规则的土体颗粒。同时我国水利水电科学研究院建议，可采用堆石受荷载前后的控制粒径之差度量土体颗粒破碎程度，即B=d60-d60f[8]。
        3.颗粒破碎与土体的相互影响
        粗粒料是岩石破碎后的组合体，所以粗粒料的颗粒破碎受岩石的力学性质影响，如岩石的密度、强度和细观结构，同时粗粒料颗粒的大小、形状、风化程度、初始孔隙比、级配曲线以及表面的粗糙程度都将影响其破碎，即为影响颗粒破碎的内在因素。粗粒料的破碎也会受许多外部因素影响，如取样过程、应力水平、应力路径、边界条件、受荷时间、湿化程度，以及加荷时间、荷载频率和循环次数等。
        颗粒破碎会引起土体级配、相对密度的变化，直接影响土体的变形和强度特性。颗粒破碎会削弱土体剪胀，降低土体的峰值内摩擦角，显著影响土体抗剪强度；材料峰值摩擦角随着颗粒破碎率变化而发生改变；同时破坏剪切应变、破坏体积应变、渗透系数等工程特性都会产生影响。
        4.考虑颗粒破碎的本构模型
        粗粒土的颗粒破碎直接改变土体结构，直接影响粗粒土的工程特性。

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为了能够更准确的描述高应水平下粗粒土的应力应变关系，近年来许多学者开始研究粗粒土的破碎问题并建立了一些考虑颗粒破碎影响的本构模型。
        申存科等[9]通过修正的Rowe剪胀模型，将塑性功引入土体受力变形过程的能量方程中，推导得到土体流动法则。采用直线型屈服轨迹和非相关联流动法则，利用不排水应力路径计算得到硬化函数，建立了一个考虑颗粒破碎的粗粒土本构模型。孙海忠和黄茂松[10]分析颗粒破碎对粗粒土硬化准则和剪胀性的影响，提出了修正后的硬化准则和剪胀方程，并基于有效塑性功的概念，提出了考虑颗粒破碎的粗粒土临界状态弹塑性本构模型。贾宇峰等[11]采用初始状态参量描述粗粒土的内部状态，根据三轴试验数据建立考虑颗粒破碎耗能的应力-应变关系，基于已有的考虑颗粒破碎影响的粗粒土本构模型，采用相关联流动法则推导出考虑颗粒破碎的粗粒土剪胀性“统一本构模型”，并建立了初始状态参量与模型参数之间的关系。
        周成等[12]提出了一个考虑土石料颗粒破碎和湿化的建模方法，可以间接考虑颗粒间咬合力和剪胀等作用提供的抗剪强度及其动态变化。并建立了一个考虑高应力及地震荷载作用下土石料颗粒破碎和密度变化的随动硬化次塑性本构模型。明华军等[13]基于Gudehus-Bauer亚塑性本构模型，结合考虑颗粒破碎的临界状态理论和堆石体常规三轴试验和循环加载试验结果，提出了考虑颗粒破碎堆石体特征孔隙比的表达式，建立了考虑颗粒破碎的堆石体亚塑性本构模型。米占宽等[14]基于岩土破损力学二元介质模型概念，将堆石体视为结构体和破损带组成的二元介质，将双屈服面作为外力作用下颗粒破损的增长规律，仿照塑性力学中塑性应变增量的计算方法，建立了颗粒破碎率和破损参数之间的关系，提出了可以考虑颗粒破碎的堆石体本构模型。
        循环荷载作用时颗粒破碎对粗粒土的强度和变形特性影响很大。刘恩龙等[15]基于广义塑性理论，引入卸载、再加载模量和卸载模量，把已建立的静弹塑性本构模型推广到考虑循环荷载作用，建立了循环荷载作用下考虑颗粒破碎的堆石体的本构模型。陈生水等[16]采用随平均应力增加而减小的峰值摩擦角和剪胀摩擦角来反映堆石料因颗粒破碎而表现出的峰值应力比与剪胀应力比的非线性变化规律，并确定了塑性流动和加载方向向量和构造了依赖于平均应力与剪应力水平的塑性模量表达式，建立了一个考虑堆石料颗粒破碎的弹塑性本构模型。
        5.结论
        颗粒破碎对粗粒土的本构关系和物理性质影响显著，因此建立考虑颗粒破碎影响的粗粒土的本构模型十分有必要。目前关于考虑颗粒破碎粗粒土的本构模型研究已经获得了大量成果。正确建立并合理应用土体的本构模型，对于提高岩土工程的计算精度，具有重要意义。但是由于颗粒破碎现象具有随机性和不确定性，现有的模型还是不能完全的满足实际工程的计算需要，需要提出更准确的度量指标和建立更适用的本构模型。
        参考文献：
        [1]屈智炯.粗粒土在高土石坝的应用研究[J].水电站设计，1998（01）.
        [2]Hardin，O.B.Crushing of Soil Particles[J].Journal of Geotechnical Engineering，1985，111（10）：1177-1192.
        [3]Nakata A F L，Hyde M，Hyodo H，et al.A probabilistic approach to sand particle crushing in the triaxial test[J].Geotechnique，1999，49（5）：567-583.
        [4]Lee K L，Farhoomand I.Compressibility And Crushing Of Granular Soil In Anisotropic Triaxial Compression[J].Can.geotech.j，1967，4（1）：68-86.