粗粒料三轴湿化颗粒破碎试验研究魏松12，朱俊高12（1.河海大学岩土工程研究所，江苏南京210098；2.河海大学岩土工程水利部重点。
中数字19所标示的点分别为同一围压下所需进行的9个三轴试验试验结束时刻的应力-应变点（也代表9个试验），表示以下含义：1表示等压固结后结束试验；2，3，4为干态试样剪切到设计的湿化应力水平后结束试验；5为干态试样剪切到峰值后结束试验；6为等压固结完成然后进行浸水饱和湿化变形稳定后结束试验；7，8，9为在分别与2，3，4相同应力水平5；下保持应力状态不变进行浸水饱和湿化直到变形稳定后结束试验。通过以上试验，可得到4组围压下与从低到高4个湿化应力水平S；对应的浸水湿化前（分别对应点14）及湿化后（分别对应点69）的变形量和颗粒破碎量，从而可以得到湿化变形量和与之相对应的颗粒湿化破碎量。
具体试验时，先把土样风干（此时土样称为“干态”），按上述试验设计级配（）配料，搅拌均匀，分5层填入制样筒，振捣至控制密度，并将试样顶面整平。为防止细颗粒与大颗粒离析，制样时每层预留少量细土撒于顶面。制样完成后安装试样，在一定的围压下，等向固结至稳定，然后开始进行三轴排气剪切试验，剪切速率为0.1 mm/min.当各试样在达到设计的湿化应力水平时，保持应力状态不变，从试样底部向顶部浸水饱和湿化。浸水后，当轴向变形和体积变形同时达到稳定后认为湿化完成。对于点15对应的试验不需浸水饱和湿化。试验结束后，对试样再进行风干筛分，得到试验后的颗粒级配。
3试验成果及分析3.1湿化变形根据以上三轴试验，得到了不同湿化应力水平下湿化变形的轴向应变Asw（简称湿化轴变）和体积应变Aswv（简称湿化体变）。所示为湿化应力水平与相应的湿化应变量关系图。所示为围压分别为600和900 kPa不同湿化应力水平下对应中点69的三轴湿化试验的应力-应变和体变关系曲线。中每条曲线上箭头所标示的位置分别为湿化开始点和湿化结束点，中间直线段为由于湿化所产生的变形值。在本文中，轴变以压缩为正、体变以剪缩为正，反之为负。
由，4可知，本组湿化三轴试验具有以下规律：（1）某一围压下，随着湿化时应力水平又的增加，湿化轴变As1w在增大，湿化体变Asvw却随的增加而减小。同时可看到当围压低而湿化应力水平较高时，试样湿化产生了湿胀，这与人们常认为的湿缩有所不同；（2）当围压不同而湿化应力水平5；相近时，湿化轴变Asw基本上随围压的增大而增大，湿化体变AsOT也随围压的增大而增大。以上湿化变形规律如何从机制上进行解释，是粗粒料不同围压和湿化应力水平下的应力-应变-体变关系曲线湿化变形研究的困难所在。本文在以下部分将结合湿化颗粒破碎进行探索性的分析。
3.2湿化颗粒破碎3.2.1湿化颗粒破碎的原因分析颗粒破碎性是粗粒料的基本特性之一。与砂相比，在并不高的围压下粗粒料也会出现破碎现象。
在工程实际中，无论是在运输、施工碾压、还是稳定承载或是干湿变化过程中都有颗粒破碎现象。当粗粒料浸水湿化时，由于材料的软化，在相同的应力状态下，各个颗粒接触点所能承受荷载的能力降低，此时只有增加颗粒的接触点数和颗粒的接触面积才能保证内外力的平衡，于是就出现颗粒破碎以维持原有力的平衡，这就是粗粒料湿化破碎的原因。这与干态或饱和态粗粒料由于外荷载的增加而破碎的原因有所不同。因此，湿化变形的大小应该与石料的软化系数等参数有关。
3.2.2颗粒破碎的量化指标进行颗粒破碎的研究必须有描述破碎的量化指标，该指标最好能够反映颗粒破碎的真实情况。对于一个试样，存在不同的粒径和颗粒形状的很多颗粒，如果去研究每个颗粒的破碎几乎是不可能的，因此，切实可行的方法是从统计的角度对整个试样不同粒组进行研究。目前，大多数学者所提出的量化颗粒破碎的指标也是从这个角度定义的。现有描述破碎量的指标主要有破碎率尽，D15、破碎率汉（包括破碎势褚、破碎量汉）、比表面积M以及及。
等方法，其中以Hardin破碎势方法的物理意义较明确。Hardin定义为：颗分曲线与3=0.074mm竖线所围成的上方面积为该土料的颗粒破碎势Sp；试验前后的破碎势差值为破碎量汉；破碎量与试验前的破碎势（用Spi表示）的比值为破碎率杈，即杈=汉/Bpi.本文采用Hardin的破碎势方法来进行颗粒破碎的研究。
3.2.3湿化颗粒破碎对颗分曲线的影响在粗粒料颗粒破碎时，不仅大颗粒会破碎，小颗粒也会破碎，而且前一级大颗粒破碎时新生成的不同粒径的小颗粒又会继续破碎，这样连环式的破碎造成了土体颗粒级配的改变。粗粒料的工程性质与其级配有着密切关系，故有必要考虑颗粒破碎对其工程性能的影响。粗粒料湿化颗粒破碎造成了颗分级配曲线及对应的曲率系数C.、不均匀系数Cu、控制粒径<4）的变化，目前这点很少有涉及。
根据以上三轴湿化试验，可以得到不同围压、不同湿化应力水平5w下由于浸水湿化造成的颗分级配曲线的各粒径累计百分比P及对应Cc，Cu及控制粒径J60湿化后（对应中69试验结束点）与湿化前（对应中14试验结束点）的变化情况，如，6所示。，6中AP，AC.，ACu及A成。
表示参数凡Cc，Cu及由于湿化引起的变化量，是湿化后的值减湿化前的值。
应该指出，上述每个湿化颗粒破碎的量值不是用一个试样、而是由两个试样试验得到的，这必定带来一定的误差。同时，对于粗粒料的颗粒破碎分析，由于受到的影响因素很多，如制样振捣、固结、Cu值大于湿化前的情况，如所示。这是否为试验误差还是实际存在的现象，需要进一步研究。但这也说明，在湿化作用下，颗粒破碎是一个复杂的过程。同时也可知，根据围压和应力水平的不同，ACc的变化幅度约为0.2-0.6，ACu的浮动范围约通过以上分析可知，浸水湿化对颗粒级配曲线的影响是显而易见的，而这些对于颗粒级配要求较高的土料（如反滤料等）是很重要的。
3.2.4湿化颗粒破碎的基本规律根据以上试验，得到了不同围压、不同湿化应力水平SW下湿化前后的颗粒破碎量At和破碎率A，见表1.所示为不同围压下湿化应力水平与湿化破碎率的关系曲线。为了统一标准，在计算破碎率时，采用制样振捣后的颗粒级配破碎势作为基数。
表1不同围压和湿化应力水平下湿化破碎量和破碎率剪切、湿化、风干、筛分等，试验结果所表现出的规律不是很清晰。但根据，6，一些趋势还是较明显的。
当粗粒料由干态经浸水湿化变为湿态时：（1）在某一围压下，随着湿化应力水平的增加，湿化前后级配曲线的颗粒累积百分比的差值AP随粒径d呈驼峰状分布，先随d的减小逐渐达到驼峰，驼峰位于d25左右（d=1mm左右），后随着d的减小，差值逐渐趋近0，如所示；（2）当围压不同而湿化应力水平相近时，围压越大A户越大；（3）当围压一定，随着湿化应力水平的增加，湿化后与湿化前颗粒级配曲线特征参数的差值AC.，ACu，Ad6.都减小。
但在湿化应力水平较低时，出现了湿化后的Cc和Sw与Mr关系曲线如前所述，在进行颗粒破碎试验过程中，影响破碎的因素很多，所以试验结果的离散性较大，可重现性较差。但由表1和中的基本趋势，可以认为湿化破碎有以下规律：（1）在同一围压下，随着湿化应力水平的增大，由于湿化造成的颗粒破碎量逐渐增大，低湿化应力水平时增大较慢，当湿化应力水平较高时增大速率加快；（2）在相近湿化应力水平下，随着围压的增加，颗粒的破碎率也在增加；（3）当湿化应力水平在0.70.8左右时，湿化破碎率曲线出现曲率最大点。
以上规律表明，湿化引起的粗粒料颗粒破碎与围压和湿化应力水平有关，与前面的湿化轴向应变的规律相类似，这从侧面也预示着粗粒料的湿化变形与湿化颗粒破碎有一定的内在联系。
3.3湿化变形与颗粒破碎的关系为了分析湿化变形与湿化过程中颗粒破碎的关系，（a），（b）所示为湿化过程中的颗粒破碎率与湿化轴变体变的关系曲线，同时根据线性拟合得到（a）中不同围压下的拟合直线的斜率尤与围压ct3的关系曲线，见（c）。从整体来看，所得试验数据点有些离散，但基本变化趋势显示湿化过程中的颗粒破碎率与湿化轴变体变之间有一定的相关性。
由可知，湿化过程中颗粒破碎率与湿化轴变体变有如下关系：（1）在同一围压下，随着湿化应力水平的增加，颗粒破碎率与湿化轴变量近似呈线性增加（（a）中虚线为近似拟合的直线），其斜率尤随围压的增加而减小，而湿化体变则呈加速减小的趋势，在低围压时会出现湿胀；（2）在相同的湿化破碎率下，湿化轴变随着围压的增加逐渐减小，而湿化体变逐渐增大；在相同的湿化轴变下，颗粒破碎率随围压的增加而增加；同时，在相同的湿化体变下，颗粒破碎率也随围压的增加而增加；（3）根据（c）可见不同围压下的拟合直线的斜率尤与围压的关系曲线基本上成线性关系，相关性很好；（4）虽然湿化体变与湿化颗粒破碎率在湿化应力水平较小时关系曲线规律不太好（（b）），但仍可看到，在小围压下，随着湿化颗粒破碎率的增加湿化体变减小速率逐渐加快，而对于高围压，湿化体变随着湿化颗粒破碎率的增加变化比较平缓。这说明，对于高围压下的粗粒料，在不同的湿化应力水平下，虽然湿化造成的颗粒破碎随着又的增加有较大变化，但湿化体变并不产生较大的变化。
3.4湿化变形的颗粒破碎分析根据上述粗粒料湿化破碎规律，对前面湿化试验得到的规律可以从颗粒破碎角度做如下初步解释：（1）在某一围压下，随着湿化应力水平的增大，颗粒由于湿化作用引起的破碎量逐渐增大，从而带来颗粒的重新填充和排列造成湿化轴变量的增大；同时随着应力水平的增大，试样表现为剪胀性（对密实粗粒料试样），故由于颗粒湿化破碎造成的剪缩将随应力水平的增加被剪胀作用部分或全部抵消，湿化体变表现为减小趋势，当湿化应力水平较高时就会出现湿胀（即湿化体变为负）；（2）同时，在相近湿化应力水平下，围压越大则颗粒由于湿化作用产生的破碎量越大，因而湿化轴变Aw和湿化体变Av也越大。由上可见，虽然影响湿化变形的因素较多、同时上述解释只是初步的，但是颗粒破碎无疑是其内在、起到重要作用的因素之一。
湿化破碎率与湿化变形量关系曲线4结语本文通过对某粗粒料进行的三轴湿化颗粒破碎试验，得到了不同围压不同湿化应力水平下的湿化变形量及颗粒破碎量，经过对试验数据的分析，得到了以下主要结论：（1）粗粒料的湿化变形与围压及湿化应力水平有关；（2）浸水湿化影响粗粒料的颗粒级配曲线，湿化前后级配曲线颗粒累积百分比的差值AP随粒径呈驼峰状分布，驼峰位于必5左右（d=1mm左右）；当围压不同而湿化应力水平相近时，围压越大AP越大；同时湿化引起的颗粒破碎促使C.，Cu及成。减小；（3）湿化引起的颗粒破碎量随着围压的增加和湿化应力水平的增加而增大；（4）湿化变形与湿化颗粒破碎之间有很好的相关性，湿化轴变与湿化颗粒破碎近似成线性关系；（5）湿化变形的基本规律可以从湿化颗粒破碎规律的角度加以解释。
由于本文只进行了一种颗粒级配下的湿化颗粒破碎试验，所得结论是否适合其他情况仍有待进一步研究。同时，由于采用平行试验方法得到不同状态下的颗粒破碎量，存在一定的误差，期望能利用CT扫描等先进的试验设备用一个试样来得到需要的颗粒破碎量，这样的湿化颗粒破碎的研究将会取得更大的进步。
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