建筑材料学报
JOURNAL OF BUILDING MATERIALS
第24卷第2期2021年4月
Vol. 24,No. 2
Apr. ,2021
文章编号：1007-9629(2021)02-0427-06
不同粒度粗粒的极限孔隙比和破碎特征
戴仁辉1，李明东1，2，陈士军1，易进翔1，高玉峰2
(1.东华理工大学土木与建筑工程学院，江西南昌330013； 2.河海大学岩土工程科学研究所，江苏南京210024)
摘要：为了研究以石英砂为主要成分的粗粒土压实过程，分别利用量筒倒转法和振动击实试验，测 定了不同粒度粗粒的极限孔隙比，分析了极限孔隙比随粒径变化的规律；采用压实容量表征粗粒 孔隙比
变化范围，探究了压实容量与粒径的关系；开展了不同粒度粗粒和原料土的颗粒破碎特征
试验，分析了击实过程中的颗粒破碎特征和演变过程.结果表明：粗粒最大孔隙比随着粒径的增大
先快速减小后缓慢增大，最小孔隙比随着粒径的增大线性减小；粗粒土压实容量随着粒径的增大
先减小后增大；粗粒土在击实过程中的颗粒破碎量随着粒径的增大线性增大；颗粒破碎使粗粒土 向着级配连续的方向发展，粗粒土逐渐趋于均匀化.关键词：粒度；石英砂；粗粒；孔隙比；击实；颗粒破碎中图分类号:TU441+. 5 文献标志码：A
doi ：10. 3969力.issn. 1007-9629. 2021. 02. 028
Ultimate Void Ratios of Coar Particles of Different Sizes and Its
Particle Breakage Characteristics
DAI Renhui 1 , LI Mingdong 1'2, CHEN Shijun 1 , YI Jinxiang 1 , GAO Yu f e ng 2
(1. School of Civil and Architectural Engineering, East China University of Technology, Nanchang 330013, China ;
2. Geotechnical Rearch Institute, Hohai University, Nanjing 210024, China)
Abstract : To study the compaction of coar-particle soil with quartz sand as the main component, the ulti
mate void ratios of coar particle of different sizes were determined by measuring cylinder rotation method and the vibration compaction test respectively. Compaction capacity was ud to express the variation
range of the void ratio of coar-particle soil. The relationship between compaction capacity and particle
size was explored. Particle breakage characteristics of coar particle and raw soil of different particle sizes
were tested, and the characteristics and evolution process of particle breakage during compaction was ana lyzed. The results show that the maximum void ratio decreas rapidly with the increa of particle size at
first and then increas slowly. The minimum void ratio decreas linearly with the increa
of particle
size. The compaction capacity decreas with the increa of particle size and then increas. The particle
breakage of coar-particle soil increas linearly with the increa of particle size during the compaction
process, and the coar-particle soil gradually tends to be uniform. The rearch results have guiding sig
nificance for compaction of coar-particle soil with quartz sand as the main component.
Key words ： particle size; quartz sand; coar particle; void ratio ; compaction; particle breakage
收稿日期：2019-10-08；修订日期：2019-11-25
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51609093)；江苏省博士后基金科研资助计划(16O1OO7A)；东华理工大学研究生创新基金(DHYC -
201931)
第一作者：戴仁辉(1994—)，男，安徽黄山人，东华理工大学硕士生.E-mail ：pe_dairenhui@126. com
通讯作者：李明东(1981-)，男，山东临沂人，东华理工大学教授，硕士生导师，博士 .E-mail ：**************
428建筑材料学报第24卷
粗粒土越密实，强度越高、压缩性越小、渗透性
越低，工程性能越好•文献［卜2］对于地基和填土的 评价具有极高的指导价值，至今仍是最主要的评价
指标I 程中常采用击实方法来提高粗粒土密实 度，而击实过程会导致粗粒破碎，改变粗粒土的颗粒
组成，继而影响粗粒土的工程性能闪・最大孔隙比和 最小孔隙比是确定相对密实度的关键参数，测定最
大孔隙比的方法有量筒倒转法、漏斗法及松砂器法，
测定最小孔隙比的方法有锤击法和振动法⑸•对于 砂土，量筒倒转法的测定结果普遍优于漏斗法及松 砂器法3］，其最大孔隙比随细粒掺量的增大而减
小⑺.当黏粒掺量不大于30%时，最小孔隙比随细 粒掺量的增大而减小页.细粒掺量对极限孔隙比的 影响机制相同如□•颗粒形状也会影响到极限孔隙 比，理想浑圆颗粒的最大、最小孔隙比分别为
0. 909 86和0. 354 07刀，最大孔隙比随颗粒球度的
减小而增大，最小孔隙比则相反™.颗粒级配对压 实的影响机制为不同粒径颗粒的相互填充效应、颗
粒的悬浮效应和小颗粒的虚填效应［⑷•颗粒破碎方
面，研究发现贝壳砂颗粒破碎受试样尺寸、围压、土 粒比重的影响［⑷，其颗粒破碎程度随试样尺寸及围 压的增大而增大.随着颗粒破碎程度加深，土粒均会
从初始分布逐渐趋向自相似的分形分布"词•对颗 粒破碎的定量分析以HELrdin 相对破碎率为主，砂土
多发生棱角破碎，且多棱角颗粒的试样变形大于浑临海东湖
圆颗粒试样“词.因此，探明颗粒粒径对极限孔隙比 及颗粒破碎的影响，对于土体压实及土颗粒破碎有
着重要的意义.
本文采用量筒倒转法、振动锤击法测定了不同 粒径粗粒的极限孔隙比，分析了孔隙比变化范围与 粒度的关系，研究了粗粒的破碎特征.
1试验
1.1试验材料
1. 1. 1原料土
原料土取自南昌市赣江中下游左岸秋水广场处 （北纬 N28°41'9・ 59〃，东经 E115°51‘27・ 14〃），主要成 分为石英砂.其基本物理性能如表1所示.表中：Gs 为相对密度皿6。、必。和弘。分别表示小于该粒径的土
颗粒质量占土颗粒总质量的60%.30%及10%；G 、
G 分别表示土的不均匀系数及曲率系数.
表1原料土的基本性质 Table 1 Basic properties of raw soil
w( water)/
%
p!
(g • cm -3)Gs
〃6o/mm
〃30 /mm 〃io/
mm
Cu C c
8. 2
1. 68
2. 65 1. 300. 46
0. 23 5. 650. 71
1.1. 2不同粒度粗粒
将原料土沥水风干，然后进行筛分•各粒度粗粒 均准备4 kg，编号分别为P 〜7 J 如图1所示•将各
粒度粗粒分为2等份，进行平行试验.
(a) 二0.075-0.16 mm (b) 2： 〃二0.16-0.315 mm (c) 3#, 〃二0.315-0.63 mm (d) 4： 〃二0.63-1.25 mm
(e) 5#, 〃二 1.25-2.5 mm
(f) 6#, d=2.5-5 mm
(g) 7#, 〃二5-10 mm
图1不同粒度的粗粒
Fig. 1 Different particle size of coar
particle
第2期戴仁辉，等：不同粒度粗粒的极限孔隙比和破碎特征429
1.2极限孔隙比试验
1.2.1最大孔隙比
采用量筒倒转法测定粗粒的最小干密度,
其中量筒容积为1ooo mL.利用式(2)计算粗粒的
最大孔隙比Cmax-心不在焉什么意思
^max(G$p/pdmin)1
1.2.2最小孔隙比
(2)
采用室内锤击法测定各粒度粗粒的最大干密度
如”利用式(3)计算各粒度粗粒最小孔隙比锤
击工具选用JDM-2型电动相对密实度仪，金属圆筒体积为250mL，内径为5cm，长度为12.7cm，锤体质量为1.25kg，直径为5cm，下落高度为15cm.粗粒分3次倒入金属圆筒进行锤击，每次粗粒为金属圆筒的1/3，锤击32次/min，直至粗粒体积不变为止.
^min(G^p/pdmax)1(3) 1.3颗粒破碎试验
1.3.1不同粒度粗粒的颗粒破碎试验
将最大干密度试验击实后的各粒度粗粒进行颗粒分析，获得各粒度粗粒击实后的粒度构成，分析各粒度粗粒在击实过程中的颗粒破碎特征.
1.3.2原料土的颗粒破碎试验
取4份原料土进行击实试验，击实次数分别为96、192、288、384次，对击实后的土样进行颗粒分析试验，分别测定各试验组的粒度构成，分析原料土在不同击实次数下的颗粒破碎特征.
2不同粒度粗粒的极限孔隙比
2.1最大孔隙比
不同粒度粗粒的e..与d的关系如图2所示.由图2可见:e"°与d在半对数坐标系上呈非线性关系，它随粒径的增大先快速减小后缓慢增大，存在1个最小值；在砂粒范围内，即d从0.075mm逐渐增大到2mm时，e"*逐渐减小，与李珊珊等闵的结论一致；当d从2mm逐渐增大到10mm时，e-g逐渐增大;e论的最小值为1，大于理论上假定土颗粒为均匀圆球所推导的^=0.90986™，原因在于实际粗粒并非圆球形，粒间孔隙量更大.
2.2最小孔隙比
不同粒度粗粒的与d的关系如图3所示.由图3可见，与d在半对数坐标系上呈线性关系，它随着粒径的增大而逐渐减小.由此可得em，与d 的关系如式(4)所示.
e min=alg d+b(4)式中:a为曲线的斜率，表示d每变化1个对数周(10倍)所引起的的变化量，即a=—(△张/Mg d),b
图2各粒度粗粒e””与4的关系
图3各粒度粗粒e區与4的关系
Fig.3Relationship of minimum void ratio versus
particle size of coar particle
为曲线在纵轴的截距，表示d=lmm时，emn的值.这与王新志等⑷发现的当d从0.5mm逐渐增加到5mm时，钙质砂p血"逐渐增大结论一致.
2.3压实容量
随着粒径的增大，不同粒度粗粒e-m线性减小，先快速减小后缓慢增大.针对不同粒度粗粒这一特性，提出压实容量如式(5)所示.e呷越小，表明粗粒的可压实性越小，反映出粗粒的压实性能.
^cap^max(5)图4为粗粒与d的关系曲线.图5为与平均粒度(2。)的关系曲线.由图4可见：e哪与d在半对数坐标系上呈非线性关系，它随粒径的增大先逐渐减小后逐渐增大，存在一个最小值.
由图5可见，当d从0.075mm逐渐增大到0.8mm时，逐渐减小，与Cubrinovski E7］发现的不同细粒含量砂土e哪随Dg的增大而增大的结论一致.当d从0.8mm逐渐增大到10mm时，逐渐增尢Cubrinovski认为在砾粒范围内，即d从2mm逐渐增大到10mm时，会随着d的增大而逐渐减小，并拟合其关系如式(6)所示.在砾粒范围内，e哪并无明显减小趋势，
而随粒径的增大略有增
430建筑材料学报第24卷
Particle No.
图4粗粒Gcap与d的关系曲线
Fig.4Curve of compaction capacity versus the particle size of coar particle
图5不同材料ecap与。50的关系曲线Fig.5Curves of compaction capacity versus the mean particle size of different material(Ref.[7])
大，其试验结果更符合图4.由图4可见弋哪与lg（6//弘）呈双曲线关系，可用式（7）表达.由式（4）、（5）、（7）可得细蛀与d的关系如式（8）所示.
^max_^min=0.23+0.O6/D5O（6）
«cap=c[lg（//〃o）了+吧；（7）0max=0min+0cap=alg力+“+C[lg（力/必）了+幺爲
（8）式中：〃0为界限粒径，mm，即d<Zd Q时，％卩随着d的增大而减小,d>d0时，〈ap随着d的增
大而增大；唸?为界限粒径处粗粒的压实容量；c能反映匕ap减小或增大的速率大小,c值越大，〃每变化1个对数周（10倍）所引起的bp的变化速率越大.
3颗粒破碎特征
3.1不同粒度粗粒的颗粒破碎
不同粒度粗粒的颗粒破碎情况与粒径的关系如图6、7所示.由图6可见：各粒度粗粒在击实后均有不同程度的破碎，其中1#粒度粗粒破碎量为5.7%,〃从0.16mm逐渐增大到10mm时，各粒度粗粒破碎量在半对数坐标系上随着粒径的增大呈线性增加；颗粒粒径对颗粒破碎影响很大，可能的原因是粒径越大，在击实作用下越容易产生应力集中，造成颗粒的破碎•与王新志等⑻发现南海钙质砂在砂粒范围内即d从0.075mm逐渐增大到2mm时，颗粒破碎量随粒径的增大而增加的结论一致.
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3#
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Particle No.
图6各粒度粗粒颗粒破碎量
Fig.6Fragmentation content versus particle
size of coar particle
20
(5,18.9%)■7#
(2.5,12.0%)
%
(S
S
E
U
I
Aq)o£J
bo
lnssEd
5
►T
10
5
(1.25,9.5%)
/(0.63,&5%)
Y(0.315,6.0%)
\\(0.075,5.7%)
A\\/(0.16,3.1%)
0L
10110°
Particle size/mm
图7各粒度粗粒击碎颗粒的粒径分布
Fig.7Particle size distribution after soil
compaction of coar particle soil
由图7可见，各粒度曲线斜率随着粒径减小均表现出不同程度的减小，说明本等级粒度粗粒被击碎到更小等级粒度粗粒的趋势随着粒度的减小而逐渐减小.
各粒度粗粒在击实过程中，粒径较大的颗粒更容易被击碎并填充于大颗粒的孔隙中，这也使得细in的测定结果偏小.随着粒度的减小，粗粒颗粒破碎量逐渐减小，破碎颗粒的填充作用也逐渐减小.这与缶in
随着d增大而逐渐减小的结论一致.
3.2原料土颗粒破碎特征
原料土在不同击实次数下的颗粒破碎特征如图8所示.由图8可见，原料土在击实过程中同样存在颗粒破碎现象，但随着击实次数的增加，单位击实功
第2期戴仁辉，等：不同粒度粗粒的极限孔隙比和破碎特征431
引起的颗粒破碎量减少，击实对原料土的颗粒破碎作用是有限的.
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朱高炽Aq)o
口
SJ
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Mlnsd
图8不同击实次数粗粒的颗粒分布曲线Fig.8Plot of particle size distribution in different
compaction times of coar particle
原料土在不同击实次数下的不均匀系数G与曲率系数C。如表2所示.由表2可见，随着击实次数的增加，G由0.71逐渐线性增大到1.03,G由5.65逐渐减小到4.10.说明增加击实次数可以有效提高原料土的连续性，但原料土会逐渐趋于均匀化.土体在击实过程中的应力集中现象逐渐减弱，这正解释了随着击实次数的增加，单位击实功引起的颗粒破碎量减少的现象.
表2不同击实次数时原料土级配参数
Table2Parameters of raw soil gradation in different hitting times Number of
compaction/times
〃io/m m J30/m m J60/mm G G
00.230.46 1.300.71 5.65
960.210.410.900.89 4.29
1920.220.420.900.89 4.09
2880.190.390.840.95 4.42
3840.190.390.78 1.03 4.10
4结论
(1)不同粒度石英砂粗粒的最小孔隙比e透随着粒径d的增大线性减小，与d的关系为召皿= alg d~\~b・
(2)压实容量纭p与d的定量关系可表达为%ap=c[lg(a/)了+w爲，当d=d0时,e cap出现最小值盘.
(3)不同粒度石英砂粗粒的最大孔隙比£嗅与d 的定量关系可表达为％p=alg+
min
°c ap•度石英砂粗粒的颗粒破碎量随粒径的增大线性增大；击实对原料土颗粒破碎作用是有限的，增加击实次数可以有效提高原料土的连续性，但原料土会逐渐趋于均匀化.
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(4)原料土在击实过程中存在颗粒破碎.不同粒(下转第439页)
>篮球运动的意义
