4　颗粒破碎及其对剪应力的影响

4.1　单剪试验颗粒破碎

珊瑚砂与普通砂的性质有明显区别，其中一个重要的方面就是珊瑚砂在低应力下即发生颗粒破碎，张家铭等[5-6，15]、孙吉主等[7]、刘崇权等[14]的研究都验证了这一点。

对各组试验后的试样进行了颗粒筛分，分析了单剪试验引起的颗粒破碎情况，不同法向应力下试样的颗粒级配曲线如图5所示。

图5　单剪试验试样颗粒级配曲线

分析颗粒级配曲线可知，500kPa、1000kPa、1500kPa法向应力下单剪试验结束后颗粒级配曲线与原始状态的颗粒级配曲线基本一致，说明在低应力状态的单剪试验中，本珊瑚砂试验样品的颗粒破碎较弱。待法向应力升高至2000kPa时，颗粒级配曲线产生了明显的偏移，粒径小于0.4mm的颗粒含量明显增加，说明试验样品中发生了大量的颗粒破碎，导致小直径的颗粒含量出现了明显的增加。

将每区段筛分粒径的颗粒含量的前后变化情况进行统计，可以获取不同粒径范围内颗粒破碎程度的差异。原始试样某粒径范围内的颗粒含量为W1%，颗粒破碎后同样粒径范围内含量变为W2%，则该粒径范围内颗粒含量绝对变化量为ΔW。将绝对变化量除以初始含量W1%，可以得到相对变化量，从而避免各组粒径本身含量差异高低导致的数据波动，两种含量的计算公式如下。

绝对含量变化：

相对含量变化：

法向应力2000kPa试验粒组转化情况如图6所示，当相对含量ΔW'为负值的时候，说明此粒径组的颗粒损失要优于颗粒增加，颗粒破碎占据主导地位。当ΔW'为正值的时候，说明此粒径组的颗粒增加要优于颗粒损失，其他粒径组内颗粒破碎导致的本粒径组的增加要优于本粒径组内颗粒破碎导致的减少。

图6　2000kPa试验粒组转化情况

在粒径为1.450mm附近、0.600mm附近、0.100mm附近及＜0.075mm区间的颗粒都呈现了明显的增加。0.900mm附近是最优势的颗粒破碎区间，其次是0.160～0.500mm的颗粒区间。这说明在单剪试验条件下，各粒径范围内颗粒破碎的程度是存在差异的，某些粒径范围的颗粒发生较显著的颗粒破碎，而某些粒径范围内的颗粒产生破碎的程度较低，颗粒破碎程度在整个粒径范围内呈现不规则的分布状态，其中的规律还需要更多试验成果的支撑。

4.2　颗粒破碎对剪应力的影响

试验获得的剪应力峰值与法向应力之间的对应关系如图7所示，可以看到本次试验珊瑚砂强度包线呈下弯趋势，随着法向应力的增大，其剪应力的增长幅度在降低。理想砂土材料的剪应力-法向应力关系曲线应当是标准的线性关系，本次试验所获得的下弯曲线和理想砂土剪切曲线存在的明显差异，是和试验用珊瑚砂颗粒破碎有直接关系的。

图7　直剪试验剪应力-法向应力曲线

呈现整体的剪切破坏单剪试验中，峰值剪应变对应的剪切位移较大，说明试样内部进行了充分的相对剪切运动，非常利于颗粒破碎的发生，当法向应力升高，使得颗粒之间的接触力足够大，此时再发生颗粒之间的相对运动，便会发生明显的颗粒破碎。发生破碎的颗粒，其承受的剪切力已经高于自身的破碎应力，剪切能量部分被用于颗粒破碎，从而导致整体试样的剪应力的降低，并且随着法向应力的增大，颗粒破碎愈剧烈，剪应力的降低更加显著，这是本次试验珊瑚砂强度包线呈下弯趋势的直接原因。

根据本次试验剪应力峰值与法向应力的关系求得此类珊瑚砂黏聚力c为5.697kPa、内摩擦角ϕ为26.88°。根据与同类试样的直剪试验结果对比可知，单剪试验计算得出的黏聚力值是偏大的，强度包线呈下弯趋势，导致拟合的线性曲线截距变大。所以在进行珊瑚砂单剪试验时，需要注意高法向应力下颗粒破碎对试验结果影响的问题。