高压状态下土体颗粒破碎研究的意义

李伟1翟永超1耿莹莹1段升双

1沈阳建筑大学沈阳110168

摘要：自上世纪以来，高层建筑与大型土石坝工程不断兴起，在它们的地基当中往往会出现高应力区。在这应力较高的区域，作为地基的粒状土颗粒会发生一定的颗粒破碎现象，而这也改变了该区域的颗粒级配，对实际工程产生一定的影响。因此，高应力状态下土体颗粒的破碎研究越来越得到国内外学者的注意。本位主要阐述土体颗粒破碎的研究意义及目前遇到的部分问题。

关键词：高应力区；颗粒破碎；实际工程

TheSignificanceofResearchonParticleCrushingofSoilunderHighPressure

LIWei1，ZHAIYong-chao1，DUANSheng-shuang1

（1.ShenyangJianzhuuniversity，Shenyang110168，China）

Abstract：Sincethelastcentury，high-risebuildingsandlarge-scaleearth-rockdamprojectshavebeenrising，andhigh-stressareasoftenappearintheirfoundations.Inthisareawithhighstress，thegranularsoilparticlesasthefoundationwillundergoacertainphenomenonofparticlecrushing，whichalsochangestheparticlegradationinthearea，andhasacertainimpactontheactualproject.Therefore，theresearchonthecrushingofsoilparticlesunderhighstresshasbeenpaidmoreandmoreattentionbyscholarsathomeandabroad.Thisarticlemainlydescribestheresearchsignificanceandimportanceofsoilparticlebreaking.

Keywords：Highstressarea；Particlecrushing；Actualengineering

所谓的土体颗粒破碎是指当其在受到外部荷载时，颗粒的结构发生破坏和破损，分成粒径相等或不等的若干颗粒。换句话说，只要土体颗粒粒径发生变化就属于颗粒破碎的范畴。但土体颗粒发生变化时，该区域的颗粒级配也会发生相应的变化，然而就会直接改变其本身结构构成，影响其抗剪切强度、峰值摩擦角、相对密实度、孔隙水压力、渗透系数等一系列工程特性。对工程的安全性存在一定的影响。

在经典土力学当中，一般认为土体颗粒是不可被压碎的，土体的压缩变形过程是土中气和水排除以及颗粒重组的过程，其强度理论是建立在粒间摩擦和滑移的基础上。但是，实际上在土体颗粒在受到较大应力时是产生部分和整体的破坏。类似石英砂和钙质砂本身就属于脆性材料，尤其是钙质砂，它是一种高孔隙比、高摩擦角岩土介质，在低围压下也会产生颗粒破碎现象。相比钙质砂，石英砂颗粒破碎需要达到近10MPa，当应力达到15MPa时，破碎将变的相当明显。

随着大型建筑物的不断兴起，颗粒破碎现象也越来越多的出现在岩土工程实践中。在桩端持力层、高土石坝以及重力式海工建筑物地基中常常存在高应力区，在这种高应力条件下，作为填筑材料或地基材料的颗粒土会发生明显的颗粒破碎现象。而这种颗粒破碎会给上部建筑带来什么样的影响，我们急需要解决。

国内外发展现状

最先提出颗粒破碎现象是在20世纪初，由Terzaghi等人发现提出，但经过一系列试验发现颗粒材料在高达8.5MPa的应力下其破碎量都很小，因此在接下来的很长一段时间内人们对没有注意颗粒破碎现象，从而也没有学者进行相关试验研究。直到1958年，麻省理工学院在压力高达138MPa的情况下对多种砂进行了试验研究。发现在压缩过程中会出现一个破碎点，当应力高于该破碎点时，破碎量及其明显。并且，加载越慢，破碎越发显著。随后又有更多的学者加入到颗粒破碎试验研究当中，其中包括Bolton、及Hardin等人。Bolton主要研究了砂的本构关系；而Hardin则主要对如何描述破碎提出了新的定义。1999年，在日本山口大学召开了国际土体破碎会议，总结了近几十年来在土体颗粒破碎方面的研究成果，该会议对以后的土体颗粒破碎研究具有重要的历史性意义。

近年来，陆续有相关论文发表，但研究成果并无新的突破。国外对颗粒破碎的研究主要集中在影响因素的试验研究上，至于破碎后的颗粒在发生新的颗粒重组后会对其力学性质产生怎样的影响，会对上部建筑造成怎样的影响，如何进行设计实际工程等问题没有相关文章发表。

国内在该方面的研究相对较少，主要原因是大部分人还以比较保守的思想进行设计相应的实际工程，遵循经典土力学理论，并未注意到颗粒破碎带来的影响，对破坏机理也缺乏相应的认识。然而以目前的研究成果还不足以说明颗粒破碎的力学机理，也不能应用于实际工程当中，所以我们应该更进一步加强对土体颗粒破碎的研究，建立完善的颗粒破碎力学机理，使其能够应用到实际工程当中，让岩土工程这门学科更加精确。

主要研究内容及问题

如何度量颗粒破碎程度？

如何度量颗粒破碎的破碎程度是较为困难的问题。目前主要有三种方式来度量。一是以能量划分，建立满足能量的平衡关系且符合热力学基本定律的本构模型；二是以残余量来划分；三是以颗粒级配曲线，也是最为方便计算的，例如Hardin提出的相对破碎参量为度量指标是大多数学者所应用的，例如大连理工大学贾宇峰在研究粗粒土本构关系时运用了相对破碎参量的概念。

如何建立相应的本构关系模型？

颗粒破碎是一个既有剪胀又有破碎的过程，如何将而这耦合在一起还没有相应的报道。如何在剪胀的基础上将破碎考虑进去，并建立正确描述其力学性质的本构模型，对将来在实际工程设计中具有重要的指导作用。

大多数学者没有引起足够的重视

目前大多数学者仅仅存留在经典土力学理论当中，一部分认为土颗粒不能被压碎，如果土颗粒被压碎将会颠覆经典土力学；另外一部分认为，目前大多数实际工程不会用到，研究意义不大。而笔者认为经典土力学的假设可以使计算更加简便，更加容易建立本构模型使其应用到实际工程设计当中，但也造成了岩土学科的不精确性。但是随着时代的进步与科技的发展，岩土学科的精确性将会得到巨大的提高，未来的超新型建筑也将会对地基产生更大的应力，我们应该顺应时代的发展。作为面向未来的新时代学者，就要追求完善，追求卓越。

参考文献

[1]张家铭，汪稔，张阳明，陈复兵.土体颗粒破碎研究进展[J].岩土力学，2003

[2]史旦达，周健，贾敏才，等.考虑颗粒破碎的砂土高应力一维压缩特性颗粒流模拟[J].岩土工程学报，2007.