楊超

（1. 五邑大學(xué)土木建筑學(xué)院，廣東江門529020；2. 湖南科技大學(xué)頁巖氣資源利用湖南省 重點實驗室，巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測湖南省重點實驗室，湖南湘潭411201）

我國南海擁有豐富的海洋資源，亦是我國“一帶一路”戰(zhàn)略的重要組成部分. 目前，我國正在南海開展大規(guī)模的島礁工程建設(shè)，島礁巖土工程問題正受到廣泛的關(guān)注. Blackwelder 等人先后對顆粒材料開展一維高壓壓縮試驗，以研究該材料的顆粒破碎特性，結(jié)果表明，壓力高達8.5 MPa 時其破碎量依然較小[1]. 經(jīng)典土力學(xué)認為土顆粒不可壓縮，土體發(fā)生的變形是由孔隙的壓縮產(chǎn)生的. 因此，土體顆粒破碎這一現(xiàn)象在相當長一段時間內(nèi)并未引起人們注意[2]. 然而，鈣質(zhì)砂是一種具有多孔隙、形狀不規(guī)則、易破碎、顆粒易膠結(jié)等特殊性質(zhì)的材料[3-6]，其常在較低壓力下發(fā)生顆粒破碎現(xiàn)象[3]. 在島礁填筑、地基處理、基礎(chǔ)施工[7-9]等工程建設(shè)中不可避免地會遇到顆粒破碎的問題，顆粒破碎將引起材料的級配重新組合，材料的物理性質(zhì)與力學(xué)性質(zhì)發(fā)生較大變化[10-12]，進而使其壓縮性增大、強度軟化，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)或破壞[13]. 顆粒破碎使鈣質(zhì)砂剪脹性減小、體積收縮應(yīng)變增大、峰值強度降低[14]. 為滿足南海島礁大規(guī)模工程建設(shè)的要求，需要全面、深入地研究顆粒破碎對鈣質(zhì)砂力學(xué)性質(zhì)的影響，以便正確評價鈣質(zhì)砂地層的工程性質(zhì)，解決施工、運營中可能出現(xiàn)的工程地質(zhì)問題. 因此，有必要對鈣質(zhì)砂顆粒破碎的研究方法與進展進行歸納總結(jié)，以期指導(dǎo)鈣質(zhì)砂顆粒破碎的研究工作.

1 鈣質(zhì)砂顆粒破碎的影響因素

影響土體顆粒破碎的因素很多，既有土體顆粒本身的物理力學(xué)性質(zhì)，如土體顆粒的地質(zhì)成因、礦物成分、微觀結(jié)構(gòu)、尺寸、形狀、表面粗糙程度等；也有其他的外在因素，如顆粒級配、中間粒徑、孔隙比、相對密度、應(yīng)力水平、應(yīng)力路徑、含水量、加載時間等因素[2]. 對于鈣質(zhì)砂顆粒破碎的研究主要集中在礦物成分、顆粒形狀、孔隙、粒徑、級配、圍壓、應(yīng)力水平等方面.

礦物成分對土體顆粒破碎的影響主要表現(xiàn)在其摩氏硬度上. 石英砂摩氏硬度為 7，在圍壓達到2 MPa 時石英砂才發(fā)生明顯的顆粒破碎[15]. 而鈣質(zhì)砂的礦物成分主要為方解石和文石，方解石摩氏硬度為2.5 ～3，文石摩氏硬度為3.5 ～4，因此，鈣質(zhì)砂在普通的圍壓下就發(fā)生了顆粒破碎現(xiàn)象[6,16].

鈣質(zhì)砂多為生物成因，顆粒性質(zhì)受原生生物骨架的影響，其主要成分為珊瑚、貝殼、珊瑚藻、有孔蟲等碎屑[6]. 在鈣質(zhì)砂沉積過程中保留了原生生物骨架中的細小孔隙，形成了多孔隙(含有內(nèi)孔隙)[17-18]、形狀不規(guī)則的特點，鈣質(zhì)砂的典型顆粒形狀如圖1 所示[19]. 顆粒間以點-邊接觸和邊-邊接觸為主，點-邊接觸處易出現(xiàn)較高應(yīng)力而導(dǎo)致棱角發(fā)生斷裂、破碎. 鈣質(zhì)砂顆粒強度隨粒徑的增加而逐漸降低[20]，一般認為，大顆粒里含有更多缺陷和裂隙，更易于破裂[21]，破碎后的小顆粒所含缺陷會越來越少，其被破壞程度也越低. 鈣質(zhì)砂等向壓縮試驗中，1 ～2 mm 粒徑的顆粒在壓縮前后含量變化不大，0.1 ～0.25 mm 粒徑的顆粒含量變化較大[20]. 三軸排水剪切試驗中，2 ～5 mm 粒徑的鈣質(zhì)砂試樣顆粒破碎程度最為嚴重；而0.075 ～0.25 mm 粒徑的試樣，除了粉粒增加約6.7%以外，級配基本無變化[10]；級配不良的鈣質(zhì)砂比級配良好的鈣質(zhì)砂更易發(fā)生顆粒破碎現(xiàn)象.

鈣質(zhì)砂受到壓縮時就會發(fā)生顆粒破碎，顆粒破碎隨壓力升高而加??；剪切作用下鈣質(zhì)砂的破碎量隨著剪切應(yīng)變的增加而增大，但不會持續(xù)增大，破碎量達到一定程度時顆粒破碎現(xiàn)象將停止[10]. 總體而言，剪應(yīng)力作用下其顆粒破碎程度比等向壓縮大.

圖1 鈣質(zhì)砂顆粒典型形狀

2 鈣質(zhì)砂顆粒破碎的研究方法

2.1 顆粒破碎的度量方法

對于鈣質(zhì)砂顆粒破碎的度量方法研究成果較為單一，主要采用顆分曲線為分析手段. 除此之外，僅文獻[22-23]從能量方面解釋了鈣質(zhì)砂顆粒破碎現(xiàn)象，即采用Hardin 提出的破碎度量理論，分析鈣質(zhì)砂顆粒破碎機理，提出了顆粒破碎下剪脹耦合作用的破碎功表達式，并在試驗中證明了相對破碎Br與軸向應(yīng)變X1、塑性功WP、破碎功WB之間的關(guān)系，建立了鈣質(zhì)砂顆粒破碎評價指標與能量公式；以相對破碎量作為鈣質(zhì)砂顆粒破碎的評價指標.

2.2 理論研究

鈣質(zhì)砂顆粒破碎的理論研究常以試驗為基礎(chǔ)，引入損傷力學(xué)、彈塑性力學(xué)、概率統(tǒng)計、能量觀點等理論，建立了彈性損傷模型[24-25]、邊界面塑性模型[26]、彈性損傷統(tǒng)計本構(gòu)模型[27]、損傷邊界面模型[28]和彈塑性增量本構(gòu)模型[29]等，以此解釋低應(yīng)力水平下，鈣質(zhì)砂顆粒在微觀上存在的顆粒破碎與滑移兩種機制的耦合作用，和成樁時顆粒破碎使接觸面的法向剛度急劇降低導(dǎo)致樁側(cè)阻力低的特殊性質(zhì)，以及鈣質(zhì)砂與結(jié)構(gòu)接觸面的彈塑性增量本構(gòu)關(guān)系等.

2.3 室內(nèi)試驗研究

鈣質(zhì)砂的物理力學(xué)性質(zhì)是工程技術(shù)人員重點關(guān)注的問題之一. 然而，鈣質(zhì)砂顆粒在較低壓力下就會發(fā)生破碎，從而導(dǎo)致級配發(fā)生巨大變化，其結(jié)果是使鈣質(zhì)砂級配得到了改良和優(yōu)化；此時的測試結(jié)果不能代表原始級配下鈣質(zhì)砂的物理力學(xué)性質(zhì)和設(shè)計指標，最終可能因為使用了錯誤的鈣質(zhì)砂地層設(shè)計指標而影響工程的安全. 學(xué)者們分別從不同的應(yīng)力條件和試驗條件等方面開展了鈣質(zhì)砂顆粒破碎試驗，研究了不同應(yīng)力環(huán)境[10,14,30-46]、排水條件[10]、粒徑[10]、顆粒形狀[10]、加載方式[10,14,30-46]下鈣質(zhì)砂的力學(xué)性質(zhì)與顆粒破碎現(xiàn)象，并嘗試建立考慮顆粒破碎的鈣質(zhì)砂力學(xué)模型. 此外，呂海波等[47]利用電鏡掃描和汞壓儀對鈣質(zhì)砂進行了細觀試驗，對鈣質(zhì)砂細觀形態(tài)和宏觀力學(xué)性質(zhì)進行了分析，并指出在低應(yīng)力水平下鈣質(zhì)砂就會發(fā)生明顯的體積縮小，主要是顆粒破碎造成的；顆粒形狀不規(guī)則以及內(nèi)孔隙發(fā)育是鈣質(zhì)砂容易產(chǎn)生破碎的重要原因. 對單個鈣質(zhì)砂的顆粒強度與破碎特征也進行了相關(guān)研究，并取得了一些成果[19,48-49]，結(jié)果表明鈣質(zhì)砂顆粒強度符合weibull 分布特征.

2.4 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬能全面反饋顆粒破碎的演化過程和力學(xué)機制，獲得地基中破碎帶的發(fā)展過程. 張家銘等[7]基于二維離散單元法，對沉樁過程中鈣質(zhì)砂顆粒的破碎情況進行了模擬，研究了不同樁型的沉樁過程、樁周土體的力學(xué)響應(yīng)和沉樁過程中鈣質(zhì)砂的顆粒破碎現(xiàn)象.

2.5 模型試驗研究

鈣質(zhì)砂場地由于顆粒破碎引起的工程事故被人們廣泛關(guān)注，且該研究主要以室內(nèi)模型試驗為主. 江浩等[50-51]利用室內(nèi)模型試驗研究了鈣質(zhì)砂中單樁、群樁的承載與變形性能以及其影響因素. 徐學(xué)勇等[52]測試不同參數(shù)作用時鈣質(zhì)砂爆炸前后的聲波特性和表面沉降規(guī)律，研究了飽和鈣質(zhì)砂爆炸的密實動力特性. 秦月等[53]根據(jù)實際工程中單樁受力特點，對足尺樁基進行等比例縮尺，開展室內(nèi)小尺寸模型單樁的豎向拉拔、水平推移和豎向壓載試驗. 以上研究表明，鈣質(zhì)砂地基中顆粒破碎和重分布引起的樁周水平有效應(yīng)力的大幅降低導(dǎo)致了樁側(cè)摩阻力衰減；同時，鈣質(zhì)砂的高孔隙比和顆粒破碎特性對爆炸密實效果有重要影響.

3 鈣質(zhì)砂顆粒破碎研究存在的問題

3.1 鈣質(zhì)砂顆粒破碎影響因素的描述

目前關(guān)于鈣質(zhì)砂顆粒破碎的研究主要集中于顆粒破碎現(xiàn)象以及其影響因素，而顆粒破碎對鈣質(zhì)砂物理力學(xué)性質(zhì)的影響機制等方面的研究仍不夠深入，對鈣質(zhì)砂破碎機理的認識仍處于定性描述階段，各因素的影響模式仍需通過大量實驗進行進一步研究，且如何定量描述顆粒破碎對鈣質(zhì)砂工程特性的影響仍然是鈣質(zhì)砂顆粒破碎研究成果在工程應(yīng)用中面臨的一道難題.

3.2 鈣質(zhì)砂顆粒破碎的研究方法

鈣質(zhì)砂顆粒破碎的理論方面的研究主要從能量、統(tǒng)計學(xué)、損傷力學(xué)以及彈塑性力學(xué)等方面描述了鈣質(zhì)砂的顆粒破碎特性，建立了本構(gòu)模型. 既有成果主要從宏觀方面研究了顆粒破碎對鈣質(zhì)砂力學(xué)性質(zhì)的影響，尚未從微觀角度分析鈣質(zhì)砂的微觀變形機制以及顆粒破碎的發(fā)生機理.

鈣質(zhì)砂顆粒破碎的度量方法有的以顆分曲線為基礎(chǔ)，該方法操作容易，但難以應(yīng)用到實際工程；也有的從能量觀點出發(fā)，采用相對破碎Br度量鈣質(zhì)砂顆粒的破碎程度，但顆粒破碎產(chǎn)生的破碎功和塑性功測量困難. 目前，鈣質(zhì)砂顆粒破碎試驗主要有一維壓縮試驗、三軸剪切試驗和室內(nèi)擊實試驗等，測試分析方法主要以力學(xué)性質(zhì)分析結(jié)合試驗前后的顆粒分析為主，尚未考慮加載時間對鈣質(zhì)砂顆粒破碎的影響，缺乏鈣質(zhì)砂顆粒破碎的動態(tài)觀測，亦缺乏動荷載作用下鈣質(zhì)砂顆粒破碎機理的相關(guān)研究.

3.3 鈣質(zhì)砂的物理力學(xué)性質(zhì)測試方法

鈣質(zhì)砂顆粒的破碎機制不僅與顆粒自身屬性有關(guān)，還與其所處的環(huán)境密切相關(guān). 鈣質(zhì)砂顆粒間的接觸特征、運動狀態(tài)和運動軌跡都會造成土顆粒不同部位、不同程度發(fā)生破碎；同時，鈣質(zhì)砂顆粒的應(yīng)力環(huán)境、干濕程度同樣會影響其破碎特征. 工程建設(shè)需要準確獲取地基的物理力學(xué)性質(zhì)來指導(dǎo)設(shè)計施工和保證工程質(zhì)量，目前尚未有專門針對易破碎的巖土材料的物理力學(xué)性質(zhì)的測試方法，現(xiàn)有工程仍主要以傳統(tǒng)試驗規(guī)程作為參考來測試鈣質(zhì)砂的物理力學(xué)性質(zhì)；因此，在進行鈣質(zhì)砂這類易碎巖土材料的物理力學(xué)性質(zhì)測試時，勢必會引起顆粒破碎而影響測試結(jié)果的可靠性，以此參數(shù)來開展工程設(shè)計存在較大風險. 在進行土的物理力學(xué)性質(zhì)測試時，顆粒間的接觸方式、測試環(huán)境都是復(fù)雜多變的，如，相對密實度試驗需測試土的最大干密度和最小干密度. 最大干密度采用最小孔隙比來測試，測試在振動金屬容器側(cè)壁的同時還要分層錘擊；最小干密度采用最大孔隙比來測試，量筒法測試最大孔隙比時需將量筒反復(fù)幾次倒轉(zhuǎn)，并緩慢回到原來位置，在倒轉(zhuǎn)過程中顆粒在量筒內(nèi)翻滾并相互摩擦、撞擊. 無論是外部荷載的錘擊還是顆粒的翻滾都會造成鈣質(zhì)砂顆粒不同程度的破碎. 因而，測試結(jié)果并不能代表原始狀態(tài)下鈣質(zhì)砂的物理性質(zhì). 由于對鈣質(zhì)砂顆粒破碎認識不清，仍采用傳統(tǒng)方式進行鈣質(zhì)砂地層工程建設(shè)而引起的工程事故已給人們帶來了慘痛的教訓(xùn).

3.4 鈣質(zhì)砂顆粒破碎的工程影響研究

鈣質(zhì)砂顆粒破碎的工程影響研究較少，主要以數(shù)值模擬和室內(nèi)模型試驗為主. 這些研究主要從鈣質(zhì)砂地基的工程性質(zhì)入手，且偏重于工程現(xiàn)象的解釋，并未深入研究鈣質(zhì)砂地層顆粒破碎的影響機制. 對工程施工、爆破等過程中鈣質(zhì)砂的顆粒破碎現(xiàn)象有一定研究，但還不夠深入，研究成果較少，其機理仍不明晰，難以應(yīng)用于實際工程.

4 結(jié)語

20 多來年對鈣質(zhì)砂顆粒破碎的研究取得了豐碩成果，但相關(guān)成果仍不能滿足工程建設(shè)的需要. 鈣質(zhì)砂的特殊力學(xué)性質(zhì)主要源于顆粒破碎，這是有別于陸源砂的一個重要特征. 當前我國在開展大規(guī)模的南海島礁工程建設(shè)，厘定鈣質(zhì)砂顆粒破碎機制，正確評價鈣質(zhì)砂地層的工程性質(zhì)，解決施工、運營中可能出現(xiàn)的工程地質(zhì)問題，對南海島礁工程建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義. 筆者認為今后鈣質(zhì)砂顆粒破碎的研究可從以下幾個方面著手：

1）分析各因素的影響形式，量化描述顆粒破碎對鈣質(zhì)砂工程特性的影響；

2）完善鈣質(zhì)砂顆粒破碎的度量方法；

3）考慮加載時間的影響，對鈣質(zhì)砂顆粒破碎進行動態(tài)觀測；

4）顆粒破碎微觀發(fā)生機制及其力學(xué)模型；

5）動荷載作用下鈣質(zhì)砂顆粒破碎機理；

6）鈣質(zhì)砂室內(nèi)試驗測試方法；

7）施工荷載作用下鈣質(zhì)砂顆粒破碎機理以及對工程性質(zhì)的影響.