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一、引言
    土體顆粒破碎是指組成土體的顆粒在外部荷載作用下產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞或破損，分裂成粒徑相等或不等的多個顆粒。顆粒破碎會引起土體級配的改變，從而使其物理力學性質(zhì)發(fā)生變化。
    經(jīng)典土力學認為，土體顆粒是不可壓縮和破碎的，其變形是由于土體孔隙中氣水排出和顆粒的重組，其強度理論是建立在粒間摩擦和滑移基礎(chǔ)之上。然而實際上土體顆粒在受到于自身強度的應(yīng)力作用下會產(chǎn)生部分或整體破碎。不同的材料其破碎應(yīng)力是不同的。已有資料表明，石英砂發(fā)生破碎的應(yīng)力往往要達到數(shù)十兆帕。
    粒狀土顆粒破碎的工程背景是20世紀60年代國際上高土壩建設(shè)的興起，這些建筑物的大荷重造成作為地基的石英砂、礫石等發(fā)生顆粒破碎。隨著近年來大型工業(yè)與民用建筑建設(shè)的興起與大型土石壩的興建，特別是堆石、砂石、粗粒料等材料被廣泛應(yīng)用于水利、港口、交通等巖土工程建設(shè)中，顆粒破碎產(chǎn)生的影響越來越顯著。例如在三峽工程建設(shè)中，填筑材料花崗巖風化料有時破碎率達到20%。因此，顆粒破碎越來越引起人們的重視，特別是顆粒破碎與力學性質(zhì)的關(guān)系在土力學中漸成為一個新課題。
二、實驗介紹
    試驗所用的砂取自長江中下游武漢地區(qū)天然石英砂，主要成分力石英和少量碳酸鈣及雜質(zhì)。取適量砂樣，烘干，用電動篩分機進行篩分，采用電子天平稱量各個粒徑砂樣的質(zhì)量，其顆分曲線如圖1所示。
2、實驗步驟
    本次試驗進行了不同終止壓力下的側(cè)限壓縮試驗，并進行了卸載回彈。為了研究顆粒破碎，對實驗前后均進行了篩分。破碎的度量采用Hardin(1985年)提出的模型。
    試驗是在長春機械場生產(chǎn)的200T壓力機，試驗中最大軸向壓力為204.8MPa。試樣直徑為79.8mm，高為20mm，荷載采用油壓加載，軸向變形量程為10mm、最小分度為0.01mm的百分表來測量。
    用電子天平稱取一定梁已過篩分的試樣，然后將試樣裝入小盒中待用。將小盒中試樣小心倒入壓力室內(nèi)（自制，如圖2），后將固定有百分表的壓力柱置于砂樣正上放，調(diào)整百分表，使其與壓力室接觸良好，并使壓力柱保持水平。開始施加第一級荷載，荷載等級按有關(guān)規(guī)范進行。為了研究壓力對破碎的影響，試驗的終止壓力分別為0.8，1.6，3.2，6.4，12.8，25.6，51.2，102.4和204.8MPa。根據(jù)試驗需要在3.2，6.4，12.8，25.6，51.2，102.4和204,8MPa時進行了卸載。
三、試驗結(jié)果
    圖3為砂樣卸載回彈曲線，從圖中可以看出，卸載時回彈較小，這說明該砂樣在壓縮過程中發(fā)生了不可恢復(fù)的塑性變形。在較商的壓力下，天然石英砂發(fā)生了大量破碎，這種破碎并不能由于卸載而消去，一般把壓縮曲線上曲率最大的點看做屈服點，該點對應(yīng)于試樣開始產(chǎn)生較大的塑性變形，此時大量顆粒開始破碎。所以其相對回彈量相對于較低壓力時的試樣而言是較小的。
    圖4為不同粒徑砂樣的壓縮曲線，從圖中可以看出，在試驗壓力范圍內(nèi)，隨著粒徑的減小，粒徑大的試樣的空隙比在開變化較粒徑小的更明顯，而當壓力增大到100MPa左右后，兩者的e～p曲線基本趨同。
  因為對于粒徑為0.5-2.0mm的砂樣來說，處于相對密實狀態(tài)，因此其壓縮曲線在開始階段空隙比變化相比2.0mm—5.0mm的砂樣要下一些，只有少部分顆粒在壓力作用下位置進行了重新調(diào)整，但是當壓力達到引起顆粒破碎時，由于破碎后的小顆粒充填了大顆粒周圍的孔隙，孔隙比急劇下降，達到更加密實的狀態(tài)。對于粒徑為2.0~5.0mm的砂樣來說，開始并不處于密實狀態(tài)，因此在壓縮初期由于顆粒位置重新調(diào)整而引起的空隙比變化會大一些，而且在位置調(diào)整的過程中部分顆粒棱角折斷，因此其屈服點沒有上述大顆粒的明顯，顆粒破碎是漸近的，而對于更小粒徑的砂樣來說，初始空隙比要小的多。
    從圖4還可以看出，在壓縮初期，即P<10MPa時，空隙比的變化比較小，而到了后期．顆粒大量破碎，引起孔隙比急刷下降。
四、顆粒破碎現(xiàn)象描述
    本試驗中所選用的天然石英砂礦物成分主要為石英石和碳酸鈣，其硬度是較高的。圖5為不同終止壓力下自然石英砂在壓縮后的顥分曲線，由圖可見，破碎程度是隨著粒徑的增加而增加的。顆粒破碎使試樣向更好的級配發(fā)展。
    同時該圖表明，在壓縮前后，砂樣的粒徑發(fā)生了明顯的變化。顆粒破碎是一個與粒徑、級配、顆粒形狀、孔隙比、顆粒硬度和施加外力有關(guān)的復(fù)雜過程，顆粒破碎最明顯的表現(xiàn)即試樣壓縮前后級配曲線的變化。因次，許多研究人員以試驗前后的顆分曲線上某一點的變化來度量破碎的指標。本問擬采用文提出的破碎模型，該模型把顆分曲線與粒徑D=0.074mm豎線所圍面積稱為初始破碎勢BP0，認為粉粒上限0.074mm以下的顆粒是不會繼續(xù)破碎的。受力破碎試樣顆分曲線與初始曲線和D=0.074mm豎線所圍面積為總破碎B，，從而定義了相對破碎B，為
    Hardin研究表明，B，在其他條件不變時，只有顆粒級配為一變量時是與級配無關(guān)的量，為一常數(shù)。試驗表明，對于本砂樣B，也是一個與級配無關(guān)的量，而只與應(yīng)力一應(yīng)變等有關(guān)。因此，本文將B，選做評價顆粒破碎的指標來討論該砂樣在單軸壓縮條件下的顆粒破碎。
    圖6為Hardin的相對破碎率B，與壓力關(guān)系益線，由圖可見，相對破碎率B．是隨壓力的增加而增大的。在壓力為6.4~51.2MPa時，相對破碎B，陡然加大，這說明顆粒破碎在達到此壓力時開始加劇，這與壓縮曲線斜率的陡然加大相對應(yīng)，此應(yīng)力即為破碎應(yīng)力。在沒有達到破碎應(yīng)力前，顆粒破碎很少，一旦達到破碎應(yīng)力，顆粒破碎就開始加劇。對于本次試驗所用的自然石英砂，其破碎應(yīng)力為12.8MPa。
五、結(jié)論
    (1)石英砂在高壓力下可以表現(xiàn)出明顯壓縮特性，而卸載后的回彈量較小。
    (2)石英砂的破碎率在6.4~51.2MPa之間增長比較顯著，在此之前主要為壓密，而在極高壓力下其壓縮性的增加是由于各個大小顆粒間更為緊密的排列。
    (3)在對于破碎率的研究中，自然石英砂的破碎率隨著壓力的增加而增加，而曲率逐漸下降；在單軸高壓試驗中，自然石英砂的粒徑對于破碎率的影響并不明顯。