唐海波

（新疆叶城公路总段，新疆 叶城 830002）

1 物理模型试验

细砂堆积稳定性和颗粒本身的物理特性、颗粒在空间的分布堆积方式以及由此产生的颗粒间相互作用、颗粒孔隙比、质量、体积、密实度等因素有关。

1.1 试验概况

本次试验采用的模型槽尺寸为30cm×30cm×30cm，底板及周围三边为玻璃板。松散状态试验，细砂靠重力堆积成散粒状态。中密状态试验或密实状态试验，先将土体分层压实，填满玻璃槽。细砂的破坏过程是动态变化过程，为了解其瞬时变化状况，细砂破坏过程采用摄像机拍摄。

1.2 细砂试样孔隙比及密实度

细砂属于一种无粘性粗粒土，其受力特性除与它本身的物理性质有关外，还会因外界条件的改变而发生变化。《岩土工程勘察规范》（GB50021─94），规定细砂的密实度按其孔隙比 e 分为松散（e>0.9）、中密（0.75≤e≤0.9）、密实（e<0.75）三种。孔隙比不能直接测得，可间接用细砂粒相对密度、重度、含水量推导得到。测定细砂粒相对密度较多用比重瓶煮沸法。比重瓶煮沸法测得的细砂粒比重也随着土体矿物成分的不同而有所差别，且其实验过程繁杂。

试验目的是研究细破坏形式，采用重力密度大小区分密实度，可满足试验要求及试验目的。所以本次试验采用重力密度区分密实度。本次试验具体参数见表1。

表1 微潮细砂试验参数

1.3 微潮细砂级配分布曲线图及其分析

细砂粒组成不同时，性能差别甚大。评价粒径组成情况，通常用粒径分布曲线表示，图1 是由试验计算得到的粒径分布曲线图。从图1 上可知，两种状态粒径分布曲线分布基本相同，0.0375mm～1mm 土样曲线陡峻，该范围粒径比较均匀，1mm～2.5mm 图样曲线呈弧形，土样曲线坡度较平缓，表明该范围粒径颗粒均匀性不如前一阶段好，但该范围的粒径颗粒不短缺。2.5mm～5mm之间土样曲线坡度较平缓，几乎是呈平坡，表明该范围粒径的颗粒短缺，且不均匀，颗粒变化范围不大。由本次细砂试验计算得到的不均匀系数和曲率系数可知，粒径分布均匀，颗粒差别不大，级配良好，较大颗粒间的空隙可有较小土粒填充。

2 物理模型试验结果及其分析

2.1 第一状态试验结果

根据试验获得的细砂在不同时刻的破坏图片，绘出细砂破坏过程图（如图2所示）。

从图2 可看出细砂在不同时刻的破坏形态，每间隔0.2秒下沉量基本相同，土体坍塌趋于稳定状态时，细砂的破坏最高点在10cm～15cm处。计算得到等高线图如图3所示，可知，槽内等高线向x 轴正方向有微小弯曲，分布均匀。槽外等高线，呈扇形均匀分布，没有明显的凹凸、密集现象。

从级配曲线图中可以看出，细砂中大颗粒占重要比例，单粒结构是组成细砂的基本结构类型，细砂颗粒较粗大，比表面积小，颗粒之间是点接触，几乎没有连结，颗粒间相互作用的影响较之重力作用的影响可忽略不计。抽开挡板瞬间，由于失去了支撑力，细砂在自重应力作用下倒塌，没有出现裂缝或贯通的裂面。

2.2 第二状态试验结果

根据试验获得的细砂在不同时刻的破坏图片，绘出细砂破坏过程图（如图4所示）。从图4可知细砂在不同时刻的破坏状态，土体坍塌趋于稳定状态时，细砂的破坏最高点在20cm～25cm处。计算得到等高线图如图5所示，可知，槽内线条在x 轴上20cm～25cm处密集，且有明显的弯曲，分布不均匀，槽外等高线呈扇形均匀分布。本次试验中细砂受到较大的压力作用，颗粒受荷后发生位移，相互填充并挤紧，增大了土体密度。所以细砂粒与细砂粒之间的空隙减小，土体更加密实，颗粒间的摩阻力有了增加。细砂的结构，虽然还是单粒结构，但是颗粒间有了微小的联结力，这是外力作用克服颗粒间摩阻力的结果。挡抽开挡板时，虽然颗粒间的联结力比颗粒自身的重力来说很小，不足以阻止颗粒滑落，所以靠近挡板附近的细砂粒滑落下来，但是愈接近槽内的细砂粒支撑的力越多，包括来自不同方向的颗粒支撑力。在多种作用力的支撑下颗粒有可能变成稳定状态。

2.3 微潮细砂破坏形式分析

本次试验中细砂的坍塌沉落是多种破坏形式的综合体。下面具体分析其破坏形式：a.剪裂破坏：在抽开档板瞬间，由于失去了支撑力，细砂在自重应力作用下，使细砂层受到压缩或向旁挤出，引起细砂粒下沉。此下沉量虽很大，但是没有出现裂缝或贯通的裂面，从图拍摄的图片上看，砂粒与砂粒之间几乎都是单独滑落的，（这可能是由于上层细砂粒性质不均匀造成的）这种破坏属于剪坏形式。b.剥落：对于出现在陡坡坡底处的碎石堆是相当熟悉的。这些碎石通常都是些小石块，由于受风化作用的影响，它们从岩体上分离下来，并呈单个小石块坠落成堆。从试验图片过程中可以看出，细砂在下沉过程中，部分颗粒是这种破坏形式。c.倾倒破坏：现在来讨论一个置于斜面上的岩块，如图所示。在这种情况下，岩块的高度为h 和底边长为b，并且假定阻止岩块向下运动的力只是由于摩擦作用而产生的，也即c=0。代表岩块重力W 的矢量落于底边b 之内时，如果斜面倾角φ大于摩擦角准，岩块将产生滑动。但是，如果岩块高而细（h>b），重力矢量W 可能落在底边b 之外，此时岩块将倾倒，也即绕其最低的接触边棱而旋转。对于单一的岩块而言，滑动与倾倒的条件示于图中。图中的四个区段是这样规定的：区段一：φ<准以及b/h＞tanφ，岩块是稳定的，不滑动也不倾倒。区段二：φ＞准以及 b/h＞tanφ，岩块将滑动，但是不倾倒。区段三：φ＜准 以及 b/h＜tanφ，岩块将倾倒，但不滑动。区段四：φ＞准以及b/h＜tanφ，岩块能够同时滑动和倾倒。d.崩落：崩塌是指斜坡上的岩体受重力的影响，突然脱离坡体崩落的现象。此种破坏形态在图片中最明显，几乎靠近挡板部分的颗粒都是这种破坏形式，它们在抽开挡板的瞬间，翻滚、跳跃、互相撞击，当然由于颗粒微小、仅仅是在自重应力作用下沉落，没有外力的作用，不至于破碎。当最后达到能量平衡后堆积在坡脚。

3 结论

通过对细砂颗粒的破坏形式试验分析，可得到如下结论：大部分微潮细砂颗粒的破坏形式与土体的密实度有关。土体的坍塌量，随着密实度的增大，变的越来越小。微潮细砂等高线图，由第一状态至第二状态，槽内等高线分布越来越不均匀。随密实度的增大，出现弯曲、密集现象，密集区间随着密实度的增大，向x 轴的正方向推延。颗粒矿物成分、颗粒形状和级配，是影响细砂破坏形式的重要因素。如细砂的矿物成分对强度的影响，主要来自矿物表面摩擦力，颗粒形状和级配对强度的影响也很明显，如多棱角的颗粒和级配良好的颗粒，会增加颗粒之间的咬合作用，从而能提高细砂的内摩擦角。

[1]刘成宇，土力学[M]北京：中国铁道出版社，2001.

[2]P.Bak,and K.Chen.Self-organized Criticality[J].Scientific American.1991 264(1):26-33.

[3]郭庆国.粗粒土的工程性质及应用[M]北京：黄河水利出版社，1998，8.