颗粒破碎对绢云母片岩强度和变形影响的试验研究

秦尚林，杨兰强, ，陈荣辉，陈善雄

（1.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071；2.浙江省工程勘察院，浙江 宁波 315000）

1 前 言

粗粒料是一种天然的填筑材料，广泛应用于大坝、路基、机场等填筑工程。粗粒料的力学特性一直是岩土工程中的重要研究方向之一，随着大型三轴试验仪的发展，研究人员对粗粒料进行了不同应力路径、不同围压、循环加、卸载等条件下的三轴试验[1-3]，但主要集中在圆球状、块状的硬质母岩粗粒料方面三轴试验研究。大量试验研究和数值模拟多采用圆球状、块状颗粒试样，而对片状颗粒缺乏足够地认识，导致采用片状粗粒料作为填料的工程时常发生各种病害。

颗粒破碎是影响粗粒土剪切特性的重要因素。在土力学研究初期，Terzaghi 就提出土细观结构的概念，此后随着细观土力学的发展，越来越多的学者对颗粒破碎进行了研究。Lee 等[4]、Marsal[5]、Hardin[6]等学者对颗粒破碎进行了度量，国内外许多研究人员对影响颗粒破碎的因素进行了探索，建立了一些考虑颗粒破碎的本构模型，并认识到颗粒破碎是影响粗粒料力学特性的重要因素。程展林等[7]采用CT 三轴仪研究了块状粗粒土颗粒运动规律。王光进等[8]对砾石粗粒土三轴试验进行了数值模拟。目前对颗粒破碎的研究主要集中在影响因素的试验研究上，破碎对土体的力学性质会产生什么样的影响鲜见文献报道[9]，对于更易破碎的片状颗粒和风化片状颗粒研究很少。

绢云母片岩是一种非常特殊的片状软岩，作为路基填料，压实过程中颗粒极易破碎，表现出类似于粉土的压实特性，压实质量非常难以控制，国内外对其力学特性及压实特性研究甚少，鲜见相关文献资料。本研究对片状、易发生颗粒破碎的绢云母片岩粗粒料进行了大型三轴试验及颗粒分析试验，初步分析了绢云母片岩粗粒料颗粒破碎特性，重点探讨了颗粒破碎对绢云母片岩粗粒料力学性质的影响。

2 粗粒料力学特性试验研究

2.1 片岩颗粒的矿物特征及基本性质

试验试样取自谷竹高速公路，线路位于鄂西北地区，沿线广泛赋存绢云母片岩，见图1。

图1 绢云母片岩Fig.1 Sericite schist

绢云母片岩主要矿物成分为云母、绿泥石、石英和长石，呈鳞片状结构，片状构造，极易沿片理面劈开成极薄片状，径厚比大。因此，绢云母片岩粗粒料棱角丰富，且强度低，相比块状结构的颗粒更易发生破碎。另外，绢云母片岩表面滑腻，碾碎后的细颗粒具有一定的黏性，兼具云母类矿物和黏土类矿物的多种特点。

对绢云母片岩进行X 衍射试验，其结果见表1。其主要矿物成分为绿泥石和云母，绿泥石与云母极相似，解理完全，参差状断口。

表1 X 衍射试验分析结果Table 1 X-ray diffraction experiments analysis

2.2 试样制备

试验在2 000 kN 大型动静三轴试验机上进行，试样尺寸为φ 300 mm×600 mm，试样中容许最大粒径为60 mm。由于试验仪器尺寸的限制，必须对现场原始级配进行缩尺。为能近似反映出材料的实际工作条件，本试验采用替代法[10]对原始试料进行缩尺备样，用粒径为5～60 mm 替代粒径大于60 mm的颗粒，并保持小于5 mm 的粒径含量不变，初始级配和试验级配如图2 所示。其中，粒径小于0.075 mm 的颗粒含量小于5%，属于无黏性粗粒料。

图2 初始级配和试验级配Fig.2 Initial gradation and test gradation

按同一级配，两种干密度制备试样，为方便说明，试样按表2 进行分组编号。其中，ST1为较高初始密度试样组，分6 层装样，每层高10 cm，击实成型；ST2为较低初始密度试样组，分4 层装样，每层高15 cm，人工轻微振捣压实。

表2 试样分组及编号情况Table 2 Grouping and numbering of sample

2.3 试验方法

试样直径为300 mm、高为600 mm，由不同粒径组颗粒按上述试验级配制成，对试验后的每个试样整体风干后进行筛分试验。每组做4 个试样，均为饱和固结排水三轴试验，围压分别取200、400、600、800 kPa。制样、饱和方法以及加载按规范要求进行，轴向加载由应变控制，剪切速率为1 mm/min。为研究颗粒破碎规律，轴向加载终止条件：当应力-应变关系曲线有明显的峰值时，达到峰后2%的应变停止；当应力-应变无峰值时，取应变15%所对应的应力为破坏应力，并使应变达到17%停止加载。试验完毕后对样品进行全料颗粒分析试验。

3 绢云母片岩粗粒料颗粒破碎分析

3.1 颗粒破碎的度量

为了描述颗粒破碎的程度，定量地分析颗粒破碎对粗粒土力学特性的影响，许多学者定义了颗粒破碎参量来衡量粗粒料的颗粒破碎。常用的方法有以下几种。

Lee 等[4]在研究砂土的颗粒破碎时，将试验前颗粒含量为15%的粒径与试验后颗粒含量为15%的粒径的比值作为破碎参量，即B15=D15i/D15f，其中D15i、D15f分别为试验前、后颗粒含量为15%所对应的粒径。

柏树田[11]提出，用堆石料受荷前、后限制粒径之差来度量颗粒破碎，即B60=D60i-D60f，该类方法主要都是针对某一粒径的变化来描述颗粒破碎。

Marsal[5]在对土的抗剪强度进行讨论时定义了破碎参量Bg，将试验后级配曲线上某一筛分粒径的百分含量减去试验前该筛分粒径的百分含量得到该粒径的百分含量变化值，并把各个筛分粒径的百分含量变化值的正值部分之和定义为破碎参量Bg，即

式中：Bg为颗粒破碎率；ΔWk=Wki-Wkf，Wki为试验前级配曲线上某级粒组的含量，Wkf为试验后级配曲线相同粒组的含量。

Hardin[6]对堆石料和砂土进行了大量的试验，发现粒径小于0.074 mm 的土颗粒很难破碎。因此，将级配曲线与0.074 mm 竖线所围成的面积定义为土体的破碎势Bp，并定义破碎参量Bt为试验前后的破碎势之差，即

式中：Bpi、Bpf分别为试验前、后的破碎势。为了消除土体初始级配的影响，Hardin 提出了相对破碎参量Br的概念，即Br=Bt/Bpi。该破碎参量能够整体地反映颗粒破碎。

3.2 颗粒破碎试验结果及分析

为研究绢云母片岩粗粒料在不同装样干密度、不同应力水平下的颗粒破碎情况，对饱和固结排水三轴试验后的试样进行了颗粒分析试验。试验结果及颗粒破碎参量计算数据见表3，图3为围压与各种颗粒破碎参量关系曲线。

表3 颗粒破碎统计Table 3 Statistic data of particle breakage

由表3 可以看出，对于较高初始密度的ST1 试样组，B15、B60、Bg和Br均随围压的增加而增大；对于较低初始密度的ST2 试样组，Br随围压的增加略微增大，而B15、B60和Bg随围压增加呈波动变化。从Bg的计算中可以看出，只有大于10 mm 粒径的颗粒组含量是减少的，只有该部分对Bg的值产生影响。B15、B60两种参数比较类似，均反映某一粒径在试验前、后的变化，而相对破碎率Br能反映级配曲线与0.074 mm 线的面积变化情况，综合考虑了各粒组含量变化的影响，并消除了初始级配的影响，因此采用相对破碎率Br进行分析，得到以下认识：（1）绢云母片岩粗粒料在较低应力水平下也易发生颗粒破碎，围压为200 kPa 时，初始装样密度高的试样与初始装样密度低的试样相对颗粒破碎率Br分别达到了15.15%和12.86%，相比于泥岩、灰岩和砂岩更易破碎；（2）除围压为200 kPa 外，其余围压下初始干密度越大，相对破碎破碎率越大。初始干密度越高，试样孔隙率越小，进行饱和排水剪切时，相比于低密度试样，颗粒间有更多的接触点，颗粒不宜翻滚和滑动，加上绢云母片岩自身的强度和形状特点，更容易发生破碎或者沿颗粒本身的层理破裂；（3）同一密度下，随着围压增大，颗粒间的承载结构会破坏，颗粒变得更易滑动，因此，相对破碎率Br越大；初始干密度越高，相对颗粒破碎率随围压的增加而增加。

图3 颗粒破碎参量与围压的关系Fig.3 Relationships between particle breakage parameter and confining pressure

文献[12]将Br与围压σ3的关系采用式（3）来描述。

式中：a、b为拟合参数；pa为标准大气压强（kPa）。

图4 相对破碎率与围压的关系Fig.4 Relationships between particle breakage parameter and confining pressure

4 颗粒破碎对力学性质的影响

4.1 颗粒破碎对应力-应变关系的影响

为研究颗粒破碎对绢云母片岩粗粒料力学性质的影响，图5 给出了ST1和ST2 两组试样的饱和固结排水三轴试验（σ1-σ3）-ε1和εv-ε1关系曲线。由图可知，偏应力峰值随围压增大而增大，两种干密度试样在整个加载过程中均表现为应变硬化型，但同一围压下初始阶段，ST2 低密度试样组的偏应力小于ST1 高密度试样组的偏应力；随着轴向应变的增加，ST2 的偏应力增幅速率较大，当应变达到一定程度时，在同一坐标系统下两种干密度试样的应力-应变曲线出现交叉，表现出初始密度低的试样偏应力峰值大于初始密度高的试样。

一般而言，初始干密度越大，对应的峰值强度也就越高，而绢云母片岩粗粒料却出现了初始干密度越大，峰值强度越低的情况，分析认为主要是由于颗粒破碎造成的。大量研究表明，剪胀提高了抗剪强度，剪缩减小了抗剪强度。由于颗粒破坏，使断裂的颗粒残余部分更容易嵌入孔隙中，不易形成大孔隙，因而大大减小了土产生剪胀的可能性，颗粒破碎量大时很少发生剪胀，因此，颗粒破碎导致粗粒料的抗剪强度降低。

为了更好地解释这个问题，这里采用了剪胀因子D[13]，其定义为

当D＞1 时，表示剪胀；D ＜1 时，表示剪缩。

图5 偏应力-轴向应变关系和体积应变-轴向应变关系曲线Fig.5 Curves of deviatoric stress-strain and volumetric strain-axial strain

图6为两种干密度下的剪胀因子与轴向应变的关系。由图可知，围压从200 kPa 到800 kPa 时，ST1 试样组随着轴向应变增大，其剪胀因子基本位于0.8～1.0 之间，ST2 试样组随着轴向应变增大，其剪胀因子出现先减小后逐渐增大，并趋近于1 的现象。图6(b)可以反映出，试样在剪切过程中均表现出先剪缩，后逐渐朝剪胀的方向发展。而ST1 反映了在剪切的一开始，颗粒破碎就对剪胀性就受到抑制。由于ST1 初始孔隙率较ST2 要低，初始阶段的颗粒间内嵌活动较少，因此，初始阶段剪缩现象不明显。由表3 的颗粒破碎指数可以看出，ST1 剪切过程产生的颗粒破碎要大于ST2 剪切造成的颗粒破碎。

图6 剪胀因子与轴向应变关系曲线Fig.6 Curves of dilatancy factor and axial strain

由于ST1 初始干密度大于ST2 的初始干密度，加载初期，试样的颗粒破碎程度还未对试样的抗剪强度产生影响，因此，初始阶段ST1 偏应力大于ST2的偏应力。随着加载地继续，大量的颗粒破碎导致粗粒料的抗剪强度降低。由于ST1 初始孔隙率较小，ST1 要比ST2 试样先进入颗粒破碎阶段，ST1 的颗粒破碎率始终大于ST2 的颗粒破碎率，所以在加载后期，ST1 的颗粒破碎导致抗剪强度迅速衰减，而ST2 相对颗粒破碎较低，两种干密度试样的应力-应变曲线在某处出现相交，最终出现初始密度低的试样抗剪强度大于初始密度高的试样抗剪强度。

绢云母片岩粗粒料两种干密度的体变-轴向应变关系如图5(b)、5(c)所示。由图可以看出，围压从200 kPa 到800 kPa 时，体变一直以剪缩为主，并没有出现粗粒料常有的剪胀现象。这主要是由于绢云母片岩本身颗粒以片状为主，导致片状颗粒的转动需要消耗更多的能量，使得颗粒间翻滚活动没有球状、块状颗粒明显。另外，绢云母片岩属于软岩粗粒料，颗粒易破碎，颗粒破碎具有抑制剪胀的作用。因此，颗粒形态和颗粒易破碎的特性，共同决定了剪胀受到了抑制。

ST1 高密度试样组体变相比ST2 较低密度试样组的体变要小。分析认为，ST1 初始孔隙率较小，图6(a)中的ST1 剪胀因子D 保持在1 附近，说明颗粒破碎一直抑制剪胀的发展，因此，剪缩变形较小。而ST2 干密度较小，则初始孔隙率较大，如图6(b)所示ST2 剪胀因子D 先减小后增大，说明ST2 先经历颗粒内嵌的体缩变形，再受颗粒破碎以及剪胀的共同作用，因此，ST2 的体变要比ST1 大一些。

4.2 颗粒破碎对抗剪强度的影响

图7为2 组试样在不同围压下的摩尔圆和抗剪强度包线，试验结果大体上符合摩尔-库仑强度计算公式：

式中：φ为粗粒料咬合产生的内摩擦角；c为粗粒料咬合产生的表观黏聚力。

图7 试样摩尔圆和抗剪强度包络线Fig.7 Mohr circles and shear strength envelopes of sample

一般情况下，试样密度越高，其抗剪强度指标也会越高，但从图7 可以看出，本次试验应力范围内绢云母片岩高密度试样的抗剪强度指标的c、φ值均略低于低密度试样。分析认为，由于颗粒破坏，使断裂的颗粒残余部分更容易嵌入孔隙中，不易形成大孔隙，大大减少了土产生剪胀的可能性，颗粒破碎量大时会很少发生剪胀，因此颗粒破碎导致粗粒料的抗剪强度降低；ST2 初始孔隙较大，在初始阶段需要经历一段时间剪缩后才会受颗粒破碎和剪胀的影响，ST1 孔隙率较小，易颗粒破碎，加载过程中发生了大量的颗粒破碎，导致试样抗剪强度降低；ST2 颗粒破碎发展历程要比ST1 迟缓，使得同时期的颗粒破碎对试样的抗剪强度影响没有ST1大，因此，ST2 的峰值强度要比ST1 要高。

由于试样的颗粒破碎受初始密度的影响，试样最终颗粒破碎率是不同的，导致试验完毕后试样的最终密度是不同的，表4为ST1与ST2 试样试验完毕后的干密度测试结果。由表可以看出，在相同的试验条件下，试验完毕后ST1 的干密度要小于ST2的干密度。表明初始干密度高的试样，受颗粒破碎的影响后，其最终干密度并不一定高，图7 所描述试样抗剪强度参数正是这种结果的反映，这也表明颗粒破碎是导致强度变化的主要原因。

表4 试验完毕后试样的干密度Table 4 Dry density of the samples after test

5 结 论

（1）绢云母片岩粗粒料易发生颗粒破碎，相对破碎参量Br随围压的增加而增大，初始干密度越大，随围压增大越明显，Br与围压的关系可以用线性关系描述；在较高围压下，初始干密度越大，颗粒破碎量越大。

（2）ST2 初始孔隙率较大，在初始阶段需要经历一段时间体缩变形，才会受颗粒破碎和剪胀的影响。ST1 孔隙率较小，易颗粒破碎，加载过程中发生大量的颗粒破碎的时间要早。当颗粒破碎严重到一定程度，会导致试样抗剪强度降低。而ST2 颗粒破碎发展历程要比ST1 迟缓，使得同时期的颗粒破碎对试样的抗剪强度影响没有ST1 大。两种干密度试样的偏应力在某处出现相交，最终出现初始密度低的试样抗剪强度大于初始密度高的试样抗剪强度。

（3）ST1 初始孔隙率较小，又由于颗粒破碎与剪胀的共同作用，剪胀因子D 一直保持在1 附近，说明在整个加载过程中，试样既不剪胀也不剪缩，试样在剪切过程中体变较小。ST2 干密度较小，初始孔隙率较高，初始阶段由于颗粒间镶嵌造成的剪缩现象较为明显。因此，ST2 体变较ST1 要大一些。

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