摘 要：颗粒状土在岩土工程领域中作为最基本的建筑材料，其物理力学性能受到广泛地重视。在大型建筑物如高堆石坝修建中，在高应力作用下颗粒破碎率较高的特殊现象。本文通过查阅各种试验结果来分别考虑颗粒矿物成分与成因、颗粒粒径、颗粒形状、颗粒级配等内在因素，分析其对颗粒破碎过程的贡献。同时也揭示了颗粒破碎是一个复杂的过程，是多种影响因素协同作用的结果。
关键词：颗粒破碎 高应力 临界破碎应力 影响因素
颗粒破碎机理
引 言
根据经典土力学摩尔-库伦强度理论，土的内摩擦角和黏聚力c是土体最重要的抗剪强度指标。经典土力学认为土颗粒是不可压缩、破碎，在低应力作用下粗颗粒以滑移和转动为主；而在高应力作用下，粗颗粒配位数较低，接触点应力集中现象比较明显，随荷载增大逐渐破碎，颗粒破碎改变了土体原有的颗粒级配，使级配向良好的方向发展，从而间接地改变了土体的抗剪强度指标[1]。因此，在这种情况下再采用经典土力学理论中固定的强度指标和c值进行强度、稳定分析是不恰当的。
在高应力作用下，影响土体颗粒破碎的内在因素有土颗粒原有的物理力学性质、矿物成分、微观结构、尺寸形状、土体的颗粒级配、相对密度、土体的含水率等。本文将主要围绕其中几个因素来进行描述与分析，同时分析其内在机理。
1、临界破碎应力
土体颗粒破碎现象早在20世纪末21世纪初就开始引起了科研学者的关注。经典土力学中的分析是基于低应力作用下的连续土体介质，而在高应力作用下土体颗粒破碎现象比较显著，属于颗粒力学范畴。因此，土体颗粒破碎存在临界破碎应力，高于此应力，土体颗粒破碎相当明显，反之，颗粒破碎不显著。
Terzaghi、Peek（1948）对砂样在96.5MPa做一维压缩试验时发现颗粒破碎现象十分明显。
De Souza（1958）对三种不同的砂在138MPa进行了试验。结果表明，在压缩的过程中压缩指数发生变化处出现了一个破碎点。
De Beer（1963）为了对Terzaghi、Peek（1948）提出的说法进行验证，即在9.8MPa的应力以下，破碎可以忽略不计；在9.8MPa以上，随着应力的增加，破碎急剧降低。
2、影响土体颗粒破碎内在因素
2.1 颗粒矿物成分与成因
土体颗粒破碎是由颗粒接触点高应力集中而引起的。对于不同的硬度，颗粒破碎情况不一定.
颗粒的硬度主要体现在土的成因和矿物成分上。比如石英砂（SiO2） 在围压达到2MPa时才发生颗粒破碎[2]，而钙质砂其硬度远低于石英，故在普通围压下即可发生颗粒破碎[3]。
2.2 颗粒粒径
根据概率分布规律，大多数人认为颗粒粒径越大，颗粒破碎的概率会更大，因为大颗粒内含潜在裂纹和缺陷较多，更容易破碎。类似地，当大颗粒破碎成若干细颗粒时，细颗粒所含的缺陷会越来越少，破碎的难度加大。
2.3 颗粒形状
不同形状的颗粒抵抗破碎的能力相差悬殊，硬度相同时，圆形或椭圆形的颗粒破碎较小，而条状、片状颗粒破碎强烈。颗粒破碎在很大程度上表现为颗粒棱角在剪力作用下的折断。颗粒形状越不规则，颗粒间的点接触力越易偏离形心，使颗粒产生较大的弯矩，颗粒容易在这种较大弯矩的作用下折断，表现为破碎率较高。
2.4 颗粒级配
颗粒破碎瞬间土体强度会瞬间降低，土体中粗颗粒破碎为细颗粒，填入原有孔隙，使土体孔隙比降低，密实度增加。颗粒破碎后颗粒重新排列，级配发生改变。
3、 颗粒破碎内在机理分析
黄文熙认为高应力下砂土的抗剪强度由滑动摩擦强度分量、剪胀效应分量和破碎重排列作用分量组成[4]。在应力水平较低时，土体颗粒通过滑移、转动消除较大的能量，故颗粒基本保持完整状态。随着应力逐渐增大，颗粒不断调整位置，颗粒间接触点紧密接触，土体孔隙比变小，土体变密实。当接近到临界应力时，土体颗粒滑移、转动受阻，硬度较小的粗颗粒的配位数较少，其接触点上的应力较大，超过颗粒极限强度后开始破碎为细颗粒，细颗粒填充孔隙，孔隙比加快减小。
高应力下砂土的剪切过程是破碎颗粒与未破碎颗粒偏离了原平衡状态、通过不断调整自身位置以消耗外力（法向力和切向力）功的过程。若剪切速率较慢，剪切过程中大颗粒的配位数稳定，破碎后的颗粒与未破碎颗粒有足够的时间进行重排列、重定位等自我调整，不同剪切速率试样最终能够达到较为一致的细观状态，表现为各试样的宏观抗剪强度基本一致。若剪切速率较快，颗粒之间不能充分的接触，大颗粒的配位数变化的速度快，力在颗粒之间的传递时间短，颗粒破碎的可能性变小。
4、 结论与建议
本文主要分析了在高应力下颗粒破碎现象。初步结论与建议如下：
（1）颗粒破碎存在临界应力，该应力与颗粒矿物成分、含水率、颗粒级配等有关。低于临界应力，颗粒在受力过程中基本不会出现破碎；高于临界应力，颗粒破碎现象较为显著。
（2）颗粒矿物成分与成因对颗粒破碎有影响，主要体现着硬度上，硬度越大，颗粒越难破碎。一般地，颗粒粒径越大，颗粒越容易破碎。表面粗糙、棱角较多的颗粒越容易破裂。级配良好的颗粒比级配不良的颗粒更不容易破碎。
（3）围压越大，颗粒破碎率越大，剪切应变、应力状态、应力路径对颗粒破碎亦有较大影响。加载速率越大，颗粒破碎率越大，体现为颗粒破碎可能性越大。
（4）颗粒破碎是一个相当复杂过程，各种影响因素不是单一地影响破碎过程的，而是协同参与颗粒破碎过程的。
参考文献
[1] 张家铭， 汪稔， 张阳明， 等. 土体颗粒破碎研究进展[J]. 岩土力学， 2003， 24（增刊）： 661-665.
[2] Lee， K.L.&Seed， H.B.. Drained strength characteristics of sand. Proc. ASCE， JSMFD， 1967， 93（SM6）
[3] 刘崇权， 汪稳. 钙质砂物理力学性质初探[J]. 岩土力学， 1995. 16（4）： 74-83
[4] 黄文熙. 土的工程性質[M]. 北京： 水利水电出版社， 1983.