人工浮石颗粒破碎与临界状态面的三维表征及其在可压碎多孔粒状材料中的应用

本研究针对火山浮石等可压碎多孔土壤引发的工程灾害问题，通过人工浮石的各向同性和三轴压缩试验，建立了机械性能与颗粒破碎的关系，提出基于应力-孔隙比-破碎指数(e-p′-Br)三维空间的新型临界状态面方程，为可压碎多孔粒状材料的力学行为提供了系统化解释框架，对地质灾害防治具有重要意义。

　　

在全球范围内，火山浮石等具有高孔隙结构的可压碎土壤引发了大量工程灾害，如2018年北海道地震导致的边坡流动灾害。这类材料的力学行为因颗粒自身孔隙和破碎导致的级配变化而异常复杂，传统理论难以系统解释。针对这一难题，研究人员开展了突破性研究。

为解决可压碎多孔粒状材料力学行为的系统化表征问题，国内某研究机构团队在《Soils and Foundations》发表了创新成果。研究采用DL黏土模拟火山浮石，通过特定配比制成人工浮石颗粒，系统开展了各向同性固结和CD(排水)/CU(不排水)三轴压缩试验。通过创新的"筛分计数法"测定颗粒内孔隙比(e_intra)，结合Hardin相对破碎度(B_r)和级配状态指数(I_G)量化破碎程度，建立了三维临界状态面模型。

关键技术包括：(1)人工浮石制备与表征；(2)三轴试验系统；(3)筛分计数法测定e_intra；(4)基于分形理论的I_G计算；(5)临界状态面方程拟合。研究样本包括人工浮石和天然Ta-d浮石对照。

研究结果方面：

1. 材料特性：人工浮石e_intra与粒径呈线性关系(0.299×直径+0.0935)，单颗粒强度仅为硅砂的2.1%，具有典型多孔材料特征。
2. 力学行为：CU试验显示类似极松砂的应力路径，均能达到临界状态；CD试验在围压>100kPa时持续体积收缩。
3. 破碎规律：B_r与I_G高度相关，随压力增加呈单调上升，且破碎应力阈值低于普通砂土。
4. 临界状态面：提出修正方程e=e_{inter_min}ⁱ-e_cI_G+(e_{inter_max}ⁱ-e_{inter_min}ⁱ)exp[-(p′/p_cs)^k₁]+e_intraⁱ，成功统一描述人工和天然浮石数据。

讨论部分强调，该研究首次将颗粒内孔隙(e_intra)纳入临界状态理论框架，解决了传统"破碎面"在高压下出现负孔隙比的物理矛盾。通过I_G量化破碎程度，使模型具有明确的物理意义。研究发现多孔材料的临界状态线位移显著大于非多孔材料，这归因于颗粒破碎时内孔隙释放带来的高压缩性。

该理论框架为火山碎屑流等地质灾害的机理分析和预测提供了新工具，对边坡稳定评估和抗震设计具有重要指导价值。未来研究可进一步探索单颗粒强度曲线、颗粒形状函数等因素对模型参数的影响，并考虑非饱和状态下吸力和孔隙气压的效应。