颗粒形状对钙质砂最终级配影响的试验研究

李 钒,陈远中,廖 洁,夏 冰,樊科伟

(1.深圳市公明供水调蓄工程管理处,广东 深圳 518107; 2.三江学院土木工程学院,江苏 南京 210012;3.河海大学水利水电学院,江苏 南京 210098; 4.宁波市鄞州区水库管理中心,浙江 宁波 315100)

钙质砂通常指富含碳酸钙或其他难溶碳酸盐类物质的特殊介质,与常规陆源砂相比,钙质砂在较低围压下会产生颗粒破碎[1-2]。因而当风力发电和海上石油平台等结构建设在钙质砂地基上时,打桩过程中桩周钙质砂会受到较大的剪切应变,导致钙质砂颗粒破碎严重,进而影响上部结构的稳定性。近年来,国内外学者进行了大量的三轴试验研究颗粒破碎对钙质砂力学性质的影响,并建立了考虑钙质砂颗粒破碎的本构模型[3-9]。然而三轴试验中试样的剪切应变有限,远远达不到打桩过程中桩周钙质砂所受到的剪切应变,因此通过三轴试验研究的钙质砂力学性质以及建立的本构模型可能并不适用于大剪切应变下的情况。

针对上述情况,Coop等[10]采用环剪试验研究了钙质砂在不同竖向应力下的大剪应变条件的破碎情况,发现钙质砂在剪切应变作用下会发生颗粒破碎,当剪切应变增大到一定程度后,钙质砂级配会趋于稳定,且在较高的竖向应力下钙质砂稳定时级配的分形维数接近于2.57。稳定级配的存在是建立考虑颗粒破碎的钙质砂本构模型的前提。Yin等[11]发现颗粒破碎材料的塑性功与颗粒级配的演变有关,并将颗粒破碎程度指标作为破碎材料本构模型建立的重要参数。然而,实际工程以及实验室等按照环剪试验结果得到最终级配配比进行下一步试验时,由于未发生破碎的颗粒与破碎过的颗粒的形状存在差异,因此,在对采用未破碎的钙质砂配比成最终级配的样品进行剪切时,仍有可能发生破碎,进而影响其最终级配。

为探究大剪应变作用下颗粒形状对钙质砂最终级配的影响,本文开展了一系列的钙质砂环剪试验,探究钙质砂在大剪应变作用下的最终级配;通过量测剪切过程中钙质砂颗粒形状,研究钙质砂颗粒破碎过程中的形状演变情况。

1 试验材料、仪器与方案

1.1 试验材料

试验所用钙质砂(图1)取自中国南海,其级配情况如图2所示。本文将未经历过破碎的钙质砂定义为自然砂,经历过破碎的钙质砂定义为破碎砂。环剪试验之前,首先通过振动筛将自然砂筛分为以下7个粒径组:0mm

图1 钙质砂的SEM图像

图2 钙质砂颗粒级配曲线

1.2 试验仪器

环剪仪由于能够对试样施加很大的剪切应变,常用于测试重塑环状土样的残余剪切强度以及大剪切应变条件下的颗粒破碎。本文所用环剪仪为英国GDS公司研制,如图3所示。环剪仪中试样为一外径为100mm、内径为70mm、高为5mm的环形体。试样放置于一个可以不限角度转动的底座上,试样上方设置一顶帽,顶帽位置固定不动,顶帽上方可施加竖向应力;环剪仪通过转动底座带动试样,从而使得试样上表面与顶帽间产生剪切作用。

图3 环剪仪

环剪试验的剪切速度为2.2mm/min,定义环剪仪中剪切应变γ=S/H,其中S为剪切位移,H为试样初始高度。采用剪切应变表示而非剪切位移是由于应变表示数据更便于与其他仪器的数据进行定性比较,另外一个原因是强调达到稳定级配需要非常大的应变,而这最好通过绘制应变而不是位移来实现。

采用颗粒粒度与粒形图像分析仪Morphologi G3测量钙质砂颗粒形状的参数。Morphologi G3测量的形状参数为砂颗粒的表面投影形状参数,包括投影面长宽比、圆度、凸度。长宽比是指穿过颗粒投影面最短直径与最长直径的比值,取值范围为0～1,长宽比值越接近1,表明颗粒形状越规则;圆度是指与颗粒投影面具有相同面积的圆周长与投影面周长的比值,取值范围为0～1,圆度越接近1,表明颗粒越接近于圆;凸度是指颗粒投影面外包线周长除以颗粒投影面实际周长,用于表征土体表面的粗糙度,取值范围为0～1,凸度越接近1,说明颗粒表面越平滑。表1为4种不同形状颗粒的形状参数。

表1 不同形状颗粒的形状参数

采用Morpholigi G3测量不同粒径组颗粒形状时,并非对所有颗粒进行测量,而是从不同粒径组中各随机挑出100个颗粒作为代表进行测量(Altuhafi等[12]曾选用36个颗粒作为代表),通过统计100个值中小于50%所对应的值作为每种粒径的代表值。

1.3 试验方案

为研究颗粒形状对钙质砂最终级配的影响,进行了如表2中的环剪试验。其中环剪试验RS1～RS8用于得到粒径为0.60～1.18mm的钙质砂在竖向应力为615 kPa下颗粒级配随剪切应变的变化,并确定其最终级配。制备的试样初始孔隙比为2.150,试样处于最松散状态。环剪试验RSC1～RSC3是将达到最终级配的试样从环剪仪器中取出,然后再放入环剪仪中,放入状态同样为最松散状态,继续对试样进行剪切,直到重新达到最终级配。试验RSN0～RSN5是将未破碎过的自然砂按照RS系列试验得到的最终级配进行制样,试样初始状态仍然为最松散状态,对试样进行剪切,直到重新达到最终级配。通过对比RSC和RSN系列试验结果,研究颗粒形状对钙质砂最终级配的影响;同时测量3组试验部分试样(表2)在剪切前、中、后的形状参数(长宽比、圆度和凸度)。

表2 试验方案

2 试验结果与分析

2.1 单一粒径钙质砂颗粒级配与形状演化

由图4(a)可知,随着剪切应变的增大,试样颗粒不断发生破碎,应变从50000%(RS7)到110000%(RS8)的级配基本不再发生变化,表明钙质砂试样达到最终级配。由图4(b)可知,试样最终级配趋近于一条直线,计算得到其级配分形维数D=2.52,略小于Coop对英国Dog’s Bay钙质砂相同竖向压力下的分形维数(2.57)[10]。造成该差别的原因包括:①所用钙质砂砂型不同,Dog’s Bay钙质砂取自英国海滩,而本文钙质砂取自中国南海;②所用仪器不一样。

图4 不同剪切应变下单一粒径钙质砂级配变化曲线

为了得到不同剪应变下颗粒形状参数的变化情况,对RS0、RS3、RS5、RS7、RS8试样进行了颗粒形状测量,结果如图5所示,图中黑色阴影为不同颗粒形状参数的典型钙质砂颗粒图像。由图5可知,剪切过程中颗粒长宽比明显变大,而圆度和凸度并无明显变化。颗粒破碎形式主要包括断裂、磨损和破碎[13-15],剪切过程中颗粒只有长宽比发生了明显变化,说明钙质砂颗粒在剪切变形下主要发生了断裂行为。对比RS7和RS8的级配和形状参数还可以看出,当级配达到最终状态时,形状参数也不再改变。

图5 剪切过程中钙质砂颗粒形状参数演化

2.2 颗粒形状的影响

由图6(a)可知,将达到最终级配的试样取出再重新放入环剪仪中进行环剪试验,颗粒仍会继续破碎,且应变从30000%变化到50000%,颗粒级配基本不再发生变化,说明钙质砂重新达到了稳定。重新达到稳定时的分形维数为2.56,略大于原稳定时的分形维数2.52,但是增大的幅度较小。颗粒继续发生破碎是因为重新制样使得颗粒间的接触发生改变,导致更多的颗粒发生破碎,但破碎后的形状参数变化不大(图6(b))。

图6 RSC系列试样环剪过程中颗粒级配与形状参数变化

由图7(a)可知,将未经过破碎的自然钙质砂配制成与RS8相同级配的试样进行剪切,同样会造成更多破碎的发生,当应变从70000%变化到120000%时,颗粒级配不再发生变化,说明自然钙质砂颗粒级配也重新达到了稳定。自然钙质砂达到稳定时的分形维数为2.65,与破碎钙质砂最终级配分形维数相比(2.56),自然钙质砂的分形维数变化更大。与单一粒径钙质砂颗粒破碎形式不同的是,级配良好的钙质砂颗粒破碎后不仅长宽比发生了明显变化,圆度也有所增大(图7(b)),这说明级配良好的钙质砂剪切过程中同时发生了断裂和磨损破碎。

图7 RSN系列试样环剪过程中颗粒级配与形状参数变化

为分析自然钙质砂破碎更为严重的原因,对RS8(RS8可以看作是RSC的初始状态,即RSC0)和RSN0试样颗粒形状参数进行了测量,结果如图8所示。RSC0与RSN0颗粒圆度、凸度相近,但是RSN0颗粒的长宽比明显大于RSC0,也就是说RSN0试颗粒形状更不规则,因此RSN0达到最终级配时破碎更为严重,导致其分形维数也更大。总而言之,颗粒形状会影响钙质砂的最终级配,其中颗粒形状越不规则,破碎也越严重。这也说明,实验室进行钙质砂试验或计算机进行钙质砂数值模拟时,直接认为自然钙质砂配比成最终级配的试样不再发生破碎的理念是错误的。正确的做法是,不仅需要关注钙质砂达到最终状态的级配情况,还需要保证钙质砂颗粒形状的一致性。

图8 试样RSC0和RSN0的颗粒形状参数

3 结 论

a.单一粒径钙质砂在大剪应变作用下主要发生颗粒断裂破碎,均匀级配钙质砂则会同时发生颗粒断裂和磨损破碎,当剪应变达到50000%时,单一粒径和均匀级配的钙质砂级配均会趋于稳定。

b.初始颗粒形状会影响钙质砂在大剪应力作用下的最终级配,颗粒形状越不规则,颗粒破碎越严重,钙质砂最终级配的分形维数也越大。因此,开展钙质砂物理试验或进行钙质砂数值模拟时,需要同时保持钙质砂级配和颗粒形状的一致性。