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水 利 学 报

２０２４年 ９月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５５卷 第 ９期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２４）０９ － １０５８ － １３

考虑炭质泥岩颗粒破碎的级配演化预测模型

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付宏渊 ，杨海涛 ，吴二鲁 ，曾 铃 ，钟 涛 ，姜懿芸 １
（１．长沙理工大学 土木工程学院，湖南 长沙 ４１０１１４；２．绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 ３１２０００）
摘要：为准确预测炭质泥岩在冲击荷载过程中的颗粒破碎及级配曲线的变化，建立炭质泥岩 “冲击能和含水率 －
破碎指标－ 级配分布” 的数学模型。通过引入一个可以描述连续级配曲线的单参数级配方程，建立单参数级配方
程和颗粒破碎率 Ｂ 的数学关系表达式，实现了 “破碎指标－ 级配分布” 的转换。通过设置反 Ｓ型和双曲线型两种
ｗ
典型炭质泥岩填料连续级配，开展了一系列不同含水率和冲击能的冲击试验。结果表明：无论炭质泥岩的初始级
配是双曲线型分布还是反 Ｓ型分布，当冲击能一定时，炭质泥岩的颗破碎率均随着初始含水率的增大而增大；当
含水率一定时，炭质泥岩的颗粒破碎率随冲击能的增加而增加，当冲击能量达到 ６．０７５ｋＪ后，颗粒破碎率基本保
持不变，各粒组的颗粒含量相对于初始含量的变化趋于一个稳定的比例。根据炭质泥岩在冲击过程中的颗粒破碎
率 Ｂ 与初始含水率和冲击能的关系，建立了颗粒破碎率与含水率、冲击能的数学关系式，实现了 “冲击能和含
ｗ
水率－ 破碎指标” 的转换。从而以破碎指标为媒介，建立了 “冲击能和含水率 － 破碎指标 － 级配参数” 的数学模
型，并通过验证发现该模型可以较好反映不同冲击能和含水率条件下炭质泥岩级配曲线演化规律。
关键词：炭质泥岩；冲击试验；级配方程；颗粒破碎；级配演化
中图分类号：ＴＵ４５
文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２３０７４０

１ 研究背景

工程中将单轴饱和抗压强度小于 ３０ＭＰａ的岩石称为软岩，如炭质泥岩、炭质页岩、千枚岩、红
层泥岩等 ［１］ 。软岩具有遇水易软化、抗剪强度低、颗粒易破碎等特点，其力学性质明显劣于硬岩堆石
料 ［２］ 。在土石坝附近往往缺乏硬岩筑坝材料，而力学性质相对较差的软岩却数量可观。为了减少工程
造价、有效缩短工期，常采用坝址附近的软岩粗粒料作为土石坝工程的填筑料，比如我国的小浪底心
墙堆石坝、水布垭面板堆石坝、鱼跳面板堆石坝等 ［３］ 。在坝体填筑过程中，软岩粗粒料受到振动压路
机等大型机械的振动冲击荷载而极易发生颗粒破碎，导致其初始级配和整体结构发生较大变化，而准
确把握软岩筑坝料的力学性质是保障坝体合理设计和安全运行的关键。因此，探究冲击荷载作用下炭
质泥岩的颗粒破碎特征及其级配演变有助于了解软岩筑坝材料特性的变化，具有十分重要的现实意义
和工程价值。
颗粒破碎会导致粗粒料的物理性质（如粒度、颗粒级配和干密度）发生变化 ［４］ ，直接影响粗粒料的
强度、渗透和变形等性质 ［５ － ６］ 。为研究颗粒破碎对粗粒料物理性质的影响，学者们通过一维压缩试
验 ［７］ 、直剪试验 ［８］ 、环剪试验 ［９］ 、三轴试验 ［１０］ 等静力试验方法得到了不同应力加载模式下粗粒料的

收稿日期：２０２３ － １２ － ２６；网络首发日期：２０２４ － ０９ － ２４
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｌｉｎｋ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｕｒｌｉｄ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２４０９２３．１３５０．００１
基金项目：国家自然科学基金项目（５２３７８４４０，５２０７８０６７，５２０７８０６６）；湖南省自然科学基金杰出青年基金项目（２０２３ＪＪ１００４５）；长
沙市杰出创新青年培养计划项目（ ｋｑ２３０５０２３）；交通运输行业重点科技项目（２０２２ － ＭＳ１ － ０３２）；湖南省研究生创新项目
（ＣＸ２０２３０８７３）
作者简介：付宏渊（ １９６５ － ），教授，博士生导师，主要从事岩土工程防灾减灾研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｆｕｈｙ００１＠１６３．ｃｏｍ
通信作者：曾铃（１９８６ － ），教授，博士生导师，博士后，主要从事软岩边坡防控减灾、特殊土路基处理等研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｚｌ００１＠
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