辛茂俊

（芜湖市公路管理局无为分局，安徽 芜湖 238300）

1 材料

颗粒材料在机电工程技术中使用广泛，本文选取了两种颗粒材料进行侧限压缩试验，采用荷兰PANalytical 公司生产的（Axios advanced）X 射线荧光光谱仪，对其进行定量分析，得到其物质成份。一种砂样的SiO2含量达到89.72%，可判断其主要成分为石英砂；另一种中 CaO，MgO的含量分别为28.64%和23.30%，并且伴有44.74%的烧失量，可判断其主要成分为钙镁碳酸盐，即白云石，化学成分为 CaMg（CO3）2。

2 试验方法

本试验采用自制压缩仪，在直径285mm、高120mm的Q345 圆形钢锭上，加工出直径79.8mm，高20mm的盲孔，用于填装试样。试样顶部荷载由200T 压力机经由钢筒活塞施加。盲孔和活塞表面经淬火处理以提高硬度，减小钢件的变形误差。利用ABAQUS 有限元软件验算装置的可靠性，结果表明：钢件在250MPa 压应力下的最大主应力为197.4 MPa，最大位移为4.81 ×10-2mm，强度和刚度满足试验要求，变形误差可以忽略不计。

先将固结室置于压力台之上对中，保证压力均匀作用于整个试样上，在盲孔内壁均匀涂抹一层硅油以减小试样与侧壁的摩擦，然后通过漏斗于适当高度将试样分层装入固结室中，轻刷试样使其均匀分布，根据孔隙比控制其密实度。在压力柱左右各吸一表座，将百分表打在模具上，测得到压力柱与固结模具的相对位移，即试样的压缩量。最后将固定好百分表的压力柱放置于试样正上方，并保持其水平，并记录其初始读数。待装置准备好后，开始加载，荷载采用分级加载，当前后两次读数小于0.01mm 时，可以认为本级加载已经稳定，可以进行下一级加载。实验完毕后，取出试样，用原试样盒封装待用。

3 粒状土颗粒的一维压缩

本文对两类土颗粒材料进行了单向侧限压缩试验，本次试验中单向压缩试验轴向压力终止分别为204.8MPa 和102.4MPa.试验中详细记录了每组试样的压缩量、回弹量与应力之间的关系。

从各土样在终级荷载下的单向压缩回弹曲线中可知，加载后各试样孔隙比均持续减小，不同试样的最小孔隙比不同。B 组和E 组试样均为细砾，压缩后孔隙比变化较大；C 组和D 组分别为粗砂和中砂，孔隙比变化次之；原级配的A 组试样孔隙比变化最小。说明粒径越大或者级配越差，可压缩性越强，此时，孔隙比的减小主要来源于颗粒的破碎，粒径的大小会直接影响颗粒破碎情况。

在相同初始孔隙比条件下，各试样均已处于较密实状态，因此其压缩曲线在开始段比较平稳，孔隙比变化不大，只是很少一部分颗粒在压力的作用下对位置进行了重新调整，但是当压力达到引起颗粒破碎时，由于破碎后的小颗粒充填了大颗粒周围空隙，孔隙比急剧下降，达到更加密实状态。A、B、C、D组石英砂样大约在6.4MPa的荷载下发生破碎，而E 组白云石试样在1.6MPa 时，孔隙比开始急剧减小，出现了较明显的颗粒破碎现象。当试样发生破碎时，试验过程中会发出明显的“噼啪”声音。

各试样卸载时回弹较小，这说明土样在压缩过程中发生了不可恢复的塑性变形。其中E 组试样的回弹曲线最为平缓，表面在终级荷载下试样发生了较大程度的塑性变形，完全卸载后的孔隙比和终级荷载下的孔隙比相比，基本不变。从试样来看，颗粒材料完全固结，形成了一个整体，极不易从装置中取出，说明颗粒已基本上达到完全破碎的程度。

双线性模型认为，试样在低压时完全表现为弹性，一旦进入到（LCC）极限压缩线后，就表现为不可恢复的塑性变形。

各试样的压缩参数的测试值，可以看到在砂样在高应力下的压缩变形中，大部分的变形为不可恢复的塑性变形，破碎在压缩中占主导地位，尤其是大粒径的颗粒材料，λ达到κ的10 倍或更多。

4 颗粒的破碎分析

颗粒破碎研究中首要问题是破碎量的定量估计，目前主要存在两类方法：一是利用单位体积颗粒的表面积作为破碎的量化尺度，将破碎后表面积的增量定义为颗粒的破碎率，由于表面积的测定相当困难，该方法显得不是很方便。二是根据颗粒破碎前后的粒度分布，从统计学角度提出的颗粒破碎的量化指 标 ， 如 破 碎 率 B15，B60，B10，Hardin 和Einav 提出的相对破碎率等。本文采用破碎率来度量颗粒的破碎。

按照水科院的方法测定破碎前后限定粒径d60 之差，绘制的破碎率B60 与压力的关系曲线。相比B15，在低压下，各试样的破碎情况就有所区别，这与颗粒粒径的大小有关，由于是计算差值，粒径大的颗粒破碎率相对来说较大，这也是该方法的一个弊端，从概念上破碎率就不能与粒径分离。但整体趋势上与Lee的方法所得的破碎率相似，都在某一压力值下出现破碎率的突变，表明此时出现大量颗粒破碎。

Hardin 相对破碎率Br 是以0.074mm 为破碎极限粒径，认为粉粒不再发生破碎.本试验中测定的最小粒径Dm 为0.36μm，故在此假设颗粒的破碎极限粒径为0.36μm，计算方法与Hardin 破碎率类似，即为总破碎Bt 与初始破碎势Bpo 之比。可以看出，以破碎势为基础的破碎率Br 来度量颗粒破碎率较符合试验的实际情况。

Einav 是在Hardin的基础之上提出的相对破碎率的度量方法，借用了破碎势的概念，与Hardin 不同的是，他并没有给出极限破碎粒径，而是以终止破碎分布来描述完全破碎，而终止破碎的测定就成了此方法的关键之处，在本试验中，由于试样在高压下进行压缩，故假设最高等级荷载为终止破碎分布。

曲线基本和类Hardin 破碎曲线具有相似的变化特征，不同的是它的Y 值介于0～1之间，并且最高等级荷载下的破碎率都为。

总的来说，Lee 和水院的方法具有直观、易于计算的优点，而其缺点在于都只考虑了某一含量或某一粒径，而没有全面整体考察颗粒分析曲线；Lade的方法描述的破碎情况不够准确，存在许多误区，不提倡使用；而Hardin 和Einav的相对破碎Br 最能准确的全面地反映颗粒的破坏情况，其克服了其他几种度量方法对于单一粒径颗粒含量的过分依赖，具有较强的抗试验误差干扰能力，较为真实的衡量了破碎率的大小。

[1]张家铭，汪稳，张阳明等.土体颗粒破碎研究进展 [J].岩土力学，2003，24（增刊）：661-665.

[2]黄文竞.高压应力下石英砂颗粒破碎机理的试验研究[D].武汉：武汉理工大学，2007.