单向压缩条件下不同粒径及级配粗粒料的破碎特性
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（2）混合粒径区间试样侧限压缩试验 ① 选 取 0.5～1 mm&1～2 mm、1～2 mm&2～5
收稿日期：2019-01-20 作者简介：毛 磊(1994-),男,四川乐山人,硕士研究生,研究方向：岩土力学,E-mail：1328540430@。
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第1期
毛 磊，等：单向压缩条件下不同粒径及级配粗粒料的破碎特性
第 55 卷 第 1 期 2019 年 1 月
甘肃水利水电技术
GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY
Vol.55，No.1 Jun.，2019
DOI：10.19645/j.issn2095-0144.2019.01.006
单向压缩条件下不同粒径及级配粗粒料的破碎特性
试验所用仪器为高压固结仪，最大竖向应力为 3.6 MPa,环刀尺寸为ϕ6.18×2.0 cm。试验所用材料
为煤渣，选用木棰对原材料进行人工破碎处理，发 现煤渣质地比较脆弱。同时，破碎的过程中会对试 样造成许多肉眼看不见的潜在微裂纹，能够在一定 程度模拟工程中采用爆破等开采方式对堆石料造 成的损伤裂隙，加上材料本身的易碎特性，试样在 相对不高的应力水平下就会开始产生破碎，十分适 合用作颗粒破碎特性的试验研究。在破碎完成后 对试样进行了筛分和烘干处理，试样含水率为零。 1.2 试验设置
毛 磊 1，邓春文 2，刘恩龙 1,2
（1. 四川大学 灾后重建与管理学院，四川 成都 610207；
2. 四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室 水利水电学院，四川 成都 610065）
摘要：目前，针对粒状材料力学性质的研究主要考虑的是颗粒的滑移与错动，对粒状材料破碎机理的研究并不是很充 分。利用高压单向压缩仪来研究不同粒径及级配粗粒料在单向压缩条件下的颗粒破碎，用可以反映颗粒破碎特性的 参量指数来探讨粒状材料的破碎机理和影响其破碎差异的因素。根据试验颗粒分析所得粒径级配曲线，求得粗粒料 的颗粒破碎指数，进而分析高应力条件下粗粒料的颗粒破碎机理。结果分析显示颗粒粒径大、干密度小、级配不优的 试样更容易发生破碎，且同等应力条件下破碎也更为严重。 关键词：粗粒料；颗粒破碎；单向压缩；破碎分析 中图分类号：TV41；TU411.2 文献标志码：A 文章编号：2095-0144（2019）01-0022-04
第 55 卷
mm 的两组分别由两种粒径区间组成的颗粒按质量
比 1∶1 混合，控制装样后的干密度分别为 1.8 g/cm3、
1.9 g/cm3、2.0 g/cm3，选取 2～5 mm&5～10 mm 的颗
粒按质量比 1∶1 混合，控制装样后的干密度分别为
1.7 g/cm3、1.8 g/cm3、1.9 g/cm3，在最高应力为 3.6 MPa
BI对试样的破碎情况进行定量分析。 2.1 破碎指数公式
破碎指数 BI表示为：
∑d - d n
ini
icu
BI =
i=1
d - d ini
ifr
n
（1）
式中：dini、dicu、difr——分别是图 1 中所对应的①初始 级配、②当前级配、③极限级配
的粒径大小；
n——取样点的个数。
图 1 中 Pi为小于某粒径所对应的颗粒质量百分 比。本文在计算时 n 取为 9，对应 Pi 为 10%、20%、 30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%。
最高应力为 3.6 MPa 的条件下进行多级连续加载侧
限压缩试验，共 2 组 6 个试样。
试验加载方式为分级连续加载，每一级加载稳
定后施加下一级荷载。试验结束后对破碎后试样
进行筛分，称量记录并求得各个粒组的百分比含
量，绘制级配曲线图并计算破碎指数。
2 颗粒级配变化及破碎指数
本文采用刘恩龙[8]等在 2011 年提出的破碎指数
试验中，影响颗粒破碎的主要因素为：干密度 大小、粒径大小、颗粒级配。故设置了单一粒径区 间和混合粒径区间的压缩试验来分析干密度以及 颗粒级配对破碎程度的影响，并统计了不同粒径区 间颗粒在相同干密度及混合比下的试验结果，以分 析粒径大小对颗粒破碎的影响。试验设置如下：
（1）单一粒径区间试样组侧限压缩试验 选取粒径区间分别为 0.5～1 mm、1～2 mm、2～
5 mm 的试样，控制装样后的干密度分别为 1.8 g/cm3、 1.9 g/cm3、2.0 g/cm3，选取粒径区间为 5～10 mm 的试 样，控制装样后的干密度分别为 1.6 g/cm3、1.7 g/cm3、 1.8 g/cm3，在最高应力为 3.6 MPa 的条件下进行多级 连续加载压缩试验，共 4 组 12 个试样。
随着高土石坝和大型工业与民用建筑的兴建， 使得所用的建筑材料处于高应力水平状态下，由此 会导致粗粒料的大量破碎[1]。颗粒破碎会导致其自 身级配的变化并且会对结构的变形和强度产生影响 [2-3]。关于颗粒破碎的研究问题最早在 20 世纪 20 年 代开始引起人们的注意[4]，20 世纪 60 年代以来，颗粒 破碎逐渐成为学者的研究热点。为定量研究颗粒破 碎，学者提出了不同的参数指标来加以描述[5-8]。研 究结果表明，颗粒破碎主要受颗粒的岩性、强度、大 小、形状、级配和初始孔隙比以及应力水平等的影 响[9-11]。但是，这些研究成果还不能满足当前 300 米 级高土石坝的兴建要求，故开展粗粒料在高应力水 平下颗粒破碎力学性质的研究依然十分有必要。
的条件下进行多级连续加载侧限压缩试验，共 3 组
9 个试样。
②选取粒径区间为 0.5～1 mm&1～ mm&2～5 mm&5～10 mm 的两组由 3 种粒
径区间组成的颗粒按质量比 1∶1∶1 混合，控制装样
后的干密度分别为 1.8 g/cm3、1.9 g/cm3、2.0 g/cm3，在
本文以矿渣模拟粗粒料，利用单向压缩仪，进 行不同粒径及级配的多组单向压缩试验并对试验 结果进行整理分析，根据筛分结果，绘制出压缩后颗 粒级配变化曲线，从而求得粗粒料的颗粒破碎指 数。在试验中，影响破碎情况的因素主要为干密度、 粒径大小以及级配情况，通过设置不同的对比试验， 进而分析高应力条件下粗粒料的颗粒破碎机理。 1 试验介绍 1.1 试验材料制备
收稿日期：2019-01-20 作者简介：毛 磊(1994-),男,四川乐山人,硕士研究生,研究方向：岩土力学,E-mail：1328540430@。
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第1期
毛 磊，等：单向压缩条件下不同粒径及级配粗粒料的破碎特性
第 55 卷 第 1 期 2019 年 1 月
甘肃水利水电技术
GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY
Vol.55，No.1 Jun.，2019
DOI：10.19645/j.issn2095-0144.2019.01.006
单向压缩条件下不同粒径及级配粗粒料的破碎特性
试验所用仪器为高压固结仪，最大竖向应力为 3.6 MPa,环刀尺寸为ϕ6.18×2.0 cm。试验所用材料
为煤渣，选用木棰对原材料进行人工破碎处理，发 现煤渣质地比较脆弱。同时，破碎的过程中会对试 样造成许多肉眼看不见的潜在微裂纹，能够在一定 程度模拟工程中采用爆破等开采方式对堆石料造 成的损伤裂隙，加上材料本身的易碎特性，试样在 相对不高的应力水平下就会开始产生破碎，十分适 合用作颗粒破碎特性的试验研究。在破碎完成后 对试样进行了筛分和烘干处理，试样含水率为零。 1.2 试验设置
毛 磊 1，邓春文 2，刘恩龙 1,2
（1. 四川大学 灾后重建与管理学院，四川 成都 610207；
2. 四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室 水利水电学院，四川 成都 610065）
摘要：目前，针对粒状材料力学性质的研究主要考虑的是颗粒的滑移与错动，对粒状材料破碎机理的研究并不是很充 分。利用高压单向压缩仪来研究不同粒径及级配粗粒料在单向压缩条件下的颗粒破碎，用可以反映颗粒破碎特性的 参量指数来探讨粒状材料的破碎机理和影响其破碎差异的因素。根据试验颗粒分析所得粒径级配曲线，求得粗粒料 的颗粒破碎指数，进而分析高应力条件下粗粒料的颗粒破碎机理。结果分析显示颗粒粒径大、干密度小、级配不优的 试样更容易发生破碎，且同等应力条件下破碎也更为严重。 关键词：粗粒料；颗粒破碎；单向压缩；破碎分析 中图分类号：TV41；TU411.2 文献标志码：A 文章编号：2095-0144（2019）01-0022-04
第 55 卷
mm 的两组分别由两种粒径区间组成的颗粒按质量
比 1∶1 混合，控制装样后的干密度分别为 1.8 g/cm3、
1.9 g/cm3、2.0 g/cm3，选取 2～5 mm&5～10 mm 的颗
粒按质量比 1∶1 混合，控制装样后的干密度分别为
1.7 g/cm3、1.8 g/cm3、1.9 g/cm3，在最高应力为 3.6 MPa
BI对试样的破碎情况进行定量分析。 2.1 破碎指数公式
破碎指数 BI表示为：
∑d - d n
ini
icu
BI =
i=1
d - d ini
ifr
n
（1）
式中：dini、dicu、difr——分别是图 1 中所对应的①初始 级配、②当前级配、③极限级配
的粒径大小；
n——取样点的个数。
图 1 中 Pi为小于某粒径所对应的颗粒质量百分 比。本文在计算时 n 取为 9，对应 Pi 为 10%、20%、 30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%。
最高应力为 3.6 MPa 的条件下进行多级连续加载侧
限压缩试验，共 2 组 6 个试样。
试验加载方式为分级连续加载，每一级加载稳
定后施加下一级荷载。试验结束后对破碎后试样
进行筛分，称量记录并求得各个粒组的百分比含
量，绘制级配曲线图并计算破碎指数。
2 颗粒级配变化及破碎指数
本文采用刘恩龙[8]等在 2011 年提出的破碎指数
试验中，影响颗粒破碎的主要因素为：干密度 大小、粒径大小、颗粒级配。故设置了单一粒径区 间和混合粒径区间的压缩试验来分析干密度以及 颗粒级配对破碎程度的影响，并统计了不同粒径区 间颗粒在相同干密度及混合比下的试验结果，以分 析粒径大小对颗粒破碎的影响。试验设置如下：
（1）单一粒径区间试样组侧限压缩试验 选取粒径区间分别为 0.5～1 mm、1～2 mm、2～
5 mm 的试样，控制装样后的干密度分别为 1.8 g/cm3、 1.9 g/cm3、2.0 g/cm3，选取粒径区间为 5～10 mm 的试 样，控制装样后的干密度分别为 1.6 g/cm3、1.7 g/cm3、 1.8 g/cm3，在最高应力为 3.6 MPa 的条件下进行多级 连续加载压缩试验，共 4 组 12 个试样。
随着高土石坝和大型工业与民用建筑的兴建， 使得所用的建筑材料处于高应力水平状态下，由此 会导致粗粒料的大量破碎[1]。颗粒破碎会导致其自 身级配的变化并且会对结构的变形和强度产生影响 [2-3]。关于颗粒破碎的研究问题最早在 20 世纪 20 年 代开始引起人们的注意[4]，20 世纪 60 年代以来，颗粒 破碎逐渐成为学者的研究热点。为定量研究颗粒破 碎，学者提出了不同的参数指标来加以描述[5-8]。研 究结果表明，颗粒破碎主要受颗粒的岩性、强度、大 小、形状、级配和初始孔隙比以及应力水平等的影 响[9-11]。但是，这些研究成果还不能满足当前 300 米 级高土石坝的兴建要求，故开展粗粒料在高应力水 平下颗粒破碎力学性质的研究依然十分有必要。
的条件下进行多级连续加载侧限压缩试验，共 3 组
9 个试样。
②选取粒径区间为 0.5～1 mm&1～ mm&2～5 mm&5～10 mm 的两组由 3 种粒
径区间组成的颗粒按质量比 1∶1∶1 混合，控制装样
后的干密度分别为 1.8 g/cm3、1.9 g/cm3、2.0 g/cm3，在
本文以矿渣模拟粗粒料，利用单向压缩仪，进 行不同粒径及级配的多组单向压缩试验并对试验 结果进行整理分析，根据筛分结果，绘制出压缩后颗 粒级配变化曲线，从而求得粗粒料的颗粒破碎指 数。在试验中，影响破碎情况的因素主要为干密度、 粒径大小以及级配情况，通过设置不同的对比试验， 进而分析高应力条件下粗粒料的颗粒破碎机理。 1 试验介绍 1.1 试验材料制备
