钙质砂颗粒破碎机理与影响因素研究

钙质砂颗粒破碎机理与影响因素研究

丁志强

湖南省第四工程有限公司  湖南长沙  410000

摘要：颗粒破碎现象在岩土工程中普遍存在，对材料的力学行为特征有较大影响，并进一步影响其在实际工程中的应用。与石英砂、长石等陆源砂相比，钙质砂颗粒更易发生破碎，而其中颗粒形貌特征是影响颗粒破碎行为的主要因素之一。然而钙质砂颗粒形态对于破碎行为的影响机制并不完善，颗粒破碎的破坏模式、破坏尺寸分布以及接触力链演化特征还需进一步展开研究。为探究钙质砂颗粒破碎行为中的颗粒形貌影响机制，本章探究在相同加载速率下不同形状钙质砂颗粒的破碎强度以及破碎形式，并探讨不同形状钙质砂颗粒的碎行为特征。

关键词：钙质砂；破碎形式；行为特征

引言：为海洋中广泛存在的一类岩土材料，如何将其应用于实际工程当中成为许多学者研究的热点。然而对于钙质砂显著区别于普通砂的力学特性，直接将其应用在工程建设中容易出现一系列工程事故。与石英砂等陆源砂相比，钙质砂更加容易发生颗粒破碎，其主要影响因素包括颗粒形状、粒径、含水量以及应力状态等。作为一类非粘性土，颗粒样貌是影响岩土材料工程行为重要因素之一，对于岩土颗粒的力学性能有较大影响。不同形状的钙质砂颗粒破碎强度与破碎形式具有一定差异性，因此，探究钙质砂颗粒形状对于研究颗粒破碎的宏细观力学行为在工程中的应用具有十分重要的意义。

1 颗粒破坏模式类型

对于颗粒形状较为规则(接近圆形颗粒)的颗粒破碎形式，将其分为三种[1]，分别为颗粒破裂、颗粒破碎以及颗粒研磨。颗粒破裂指原始颗粒发生颗粒破碎后形成数块大小尺寸相近的小颗粒，颗粒破碎为原始颗粒在颗粒表面产生破碎，破碎后为一个较大颗粒与数块小颗粒，大颗粒与小颗粒的尺寸相差较为明显，颗粒研磨指原始颗粒的尺寸大小几乎不发生变化，颗粒表面出现部分细微粉粒。在颗粒压缩破坏过程中，主要以颗粒分裂、颗粒破碎形式为主，在剪切作用过程中，颗粒之间产生滑移，相互摩擦后产生颗粒研磨现象。

2 不同形状钙质砂单颗粒破碎模式

2.1 块状颗粒的破碎模式

块状颗粒在钙质砂土中含量最多[2]，在压缩过程中，块状颗粒的破碎形式并不是突然发生破裂，随着位移的不断增加，裂缝逐渐扩展，颗粒逐渐被压碎，在整个破碎过程中，块状颗粒所受应力逐渐上升，破碎后应力达到最大随后逐渐下降，在其过程中没有出现应力陡升或陡降的现象。

2.2 纺锤状颗粒的破碎模式

一般纺锤状颗粒破碎过程较为缓慢[3]，不会发生突然破裂，裂缝扩展速度较慢，而及其特殊的纺锤状颗粒加载过程中则会突然发生破裂，在加载板与颗粒接触位置沿不同方向产生裂缝，多条裂缝迅速扩展并贯通，最终颗粒整体破碎。纺锤状颗粒与块状颗粒相比，其颗粒棱角度高，在颗粒整体发生破碎前，颗粒表面棱角会先一步发生破裂，在其过程中表现为在所受最大应力前会承受许多较小应力，随着应力加载逐渐增大，颗粒所受应力大幅度增长，当纺锤颗粒整体破碎时应力达到最大。

2.3 树枝状颗粒与条状颗粒的破碎模式

树枝状颗粒与条状颗粒组成成分一致，属于珊瑚残骸类型，不同的是树枝状颗粒表面有数段凸出枝条，承受应力过程中，枝条先发生破碎，随后颗粒整体破碎。在整个受力过程中，颗粒发生破碎时所能承受的应力最大，在承受最大应力前枝条破碎产生较小反向应力。

对不同形状钙质砂单颗粒破碎进行总结发现，块状颗粒与部分纺锤状颗粒在加载过程中，裂缝发展较为缓慢，且在加载板与颗粒接触位置颗粒表面被压碎，破碎后接触面较为光滑，在颗粒破碎过程中不会出现应力陡升或陡降的现象。

3 不同形状钙质砂颗粒破碎行为特征

3.1 胶结破坏分布特征

在颗粒承受压力下，球体之间的黏结键首先发生破裂[4]，当多组黏结键发生破裂并相互贯通时，表现为颗粒簇模型中裂缝的产生，当裂缝贯穿整个颗粒表示颗粒已完成破碎过程，即颗粒发生破碎。受压过程初期，加载板刚与颗粒相接触，随着压应力逐渐增大，在接触位置范围内的子颗粒黏结键发生破坏，逐渐形成细微裂缝，与此同时应力的位移继续增加，颗粒簇模型上或下接触范围产生裂缝(部分颗粒两个接触范围均出现) 逐步扩展，此时裂缝迅速发展，并形成一条贯通的裂缝，最终颗粒模型以沿裂缝方向的曲面发生破坏，颗粒发生破碎。其中，块状颗粒与纺锤状颗粒胶结破坏过程较为相似，这两种形状颗粒表面并不是光滑的曲线，有部分棱角凸起，试验过程中先被破坏，压缩过程中颗粒位置会发生调整直至固定[5]，颗粒上下表面逐渐被压平，且颗粒沿竖向尺寸较其它三种形状颗粒大，颗粒压缩时上下部分受压而中间部分范围受拉，当拉应力达到一定时，小部分颗粒的中间位置处出现裂缝并逐渐向上下扩张至接触位置；对于条状颗粒、片状颗粒与树枝状颗粒，这三种形态颗粒沿竖向尺寸较小，且压缩过程中颗粒基本没有发生位置调整，颗粒破坏速度较快，尤其是片状颗粒，裂缝沿接触点位置产生迅速贯穿试样导致颗粒发生破碎。

3.2 碎块尺寸分布特征

颗粒受到竖向荷载作用在接触位置产生裂缝并逐渐扩张最终贯穿整个颗粒发生破碎，形成劈裂破坏。对于块状与纺锤状两种形状颗粒，破坏时碎块分布较为广泛

[6-8]，小部分颗粒破坏后产生两个尺寸相当的碎块，而绝大多数颗粒破坏后的碎块数量在3块及以上；对于条状颗粒与树枝状颗粒，则刚好与块状颗粒与纺锤状颗粒相反，大部分条状颗粒与树枝状颗粒破坏时产生两个碎块，且裂缝的位置在颗粒中间范围内，碎块尺寸相差不大；对于片状颗粒，其破坏后的碎块分布只要为两种，一是从颗粒接触点劈裂破坏，形成两个颗粒碎块，二是以接触点为中心向四周产生裂缝并破坏，破坏后的碎块较多。

结语：不同形状钙质砂颗粒，块状颗粒强度最高，而片状颗粒强度最低。另一方面总结了不同形状颗粒破碎过程中颗粒行为演化特征，发现块状颗粒与纺锤状颗粒破碎过程相对缓慢，部分颗粒破碎时呈一定粘性，而对于条状颗粒、纺锤状颗粒，呈明显脆性破坏特征。

参考文献

[1]Guyon É, Troadec J P. Du sac de billes au tas de sable[M]. Paris: Odile Jacob, 1994.

[2]蒋明镜, 杨开新, 陈有亮, 等. 南海钙质砂单颗粒破碎试验研究[J]. 湖南大学学报(自然科学版), 2018, 45(S1): 155-160.

[3]王益栋, 徐永福, 奚悦. 岩石单颗粒压缩破碎试验研究[J]. 固体力学学报, 2015, 36(6): 517-523.

[4]陈火东, 魏厚振, 冯铮, 等. 钙质砂颗粒破碎强度及破碎形式研究[J]. 土工基础, 2018, 32(6): 71-75.

[5]刘崇权, 杨志强, 汪稔. 钙质土力学性质研究现状与进展[J]. 岩土力学, 1995, 16(4): 74-84.

[6]张家铭, 汪稔, 石祥锋, 等. 侧限条件下钙质砂压缩和破碎特性试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2005, 24(18): 3327-3331.

[7]吕海波, 汪稔, 等. 钙质土破碎原因的细观分析初探[J]. 岩石力学与工程学报, 2001, 20(S1): 890-892.

[8]王峰. 考虑颗粒破碎的堆石料级配演化和变形特性研究[D]. 大连:大连理工大学, 2018.