2.4 粗粒土颗粒
粗粒土主要包括砂土和砾土两大类，粗颗粒的形状、排列及分布，颗粒与颗粒接触的方向分布（组构特征将在第3章进行介绍）是影响粗粒土物理力学性质的最基本因素。本节主要介绍粗粒土颗粒的形状、刚度和强度。
2.4.1 颗粒形状
颗粒形状是影响土力学行为的重要内在因素。颗粒的形状特征与研究的尺度有关，图2.5所示为颗粒形状特征的研究尺度。其中，大尺度层面，颗粒整体形状可描述为球状、块状、板状、椭圆、棒状等；细微尺度层面，可用表面平整度、凹凸的程度等局部粗糙特征描述颗粒的表面质地。
图2.4 颗粒级配曲线
图2.5 颗粒形状特征的研究尺度
除了云母外，土中的非黏土矿物颗粒基本都是大体积颗粒，一些颗粒虽然不是等轴的，但也至少是长条状而非片状的。图2.6所示为0号Monterey砂土（试样内277个颗粒，d50=0.43mm，Cu<1.4）长宽比的分布直方图，此类砂土是分选较好的海滩砂，主要由石英和长石组成。该类砂土的平均长宽比为1.39，长宽比的分布可在一定程度上反映砂土和粉土的形状特征，较为典型。
图像对比方法是进行颗粒形状分析的基本手段之一，图2.7即是较为典型的粗粒形状对比。图中球度定义为与颗粒等体积的球体直径与颗粒外切球的直径比值，圆度定义为颗粒表面凹凸处曲率半径的平均值与颗粒内切球的半径比值。球度和圆度描述的是颗粒不同类型和尺度的形态特征。其中，球度主要取决于颗粒伸长率，而圆度主要取决于颗粒表面凹凸体的形态。此外，还有可描述颗粒形态的其他定量化指标。
近年来，计算机技术的发展促进了基于图像分析方法的颗粒形状定量化分析研究。有部分学者提出了用傅里叶级数形式表示的颗粒形状特征参量，此外，还有诸多学者提出了其他形式的特征参量表达式，在这里就不详细列举了。
图2.6 0号Monterey砂土的颗粒形状特征（文献［54］）
图2.7 颗粒形状特征（文献［54］）
2.4.2 颗粒刚度
土体在较小应变状态下的变形来源于粒间接触的弹性变形。接触力学理论认为，颗粒的弹性性质控制着粒间接触的变形性质，变形又会影响颗粒聚集体的刚度。单粒的刚度控制粒间接触的刚度，至少比颗粒聚集体的刚度大一个数量级。
2.4.3 颗粒强度
颗粒的破碎会对粗粒土的力学特性产生重要的影响。在较高的应力状态下，土的压缩很大程度上来源于颗粒破碎。在恒定应力状态下，颗粒破碎逐渐发展，促进土的蠕变。土体中颗粒破碎的总量取决于单粒的刚度、强度以及土颗粒聚集体的传力机制。
本节讨论的颗粒强度是指粒间接触压碎或颗粒拉裂的强度。对于尺寸确定的某种特定材料来说，颗粒强度的统计结果存在波动性。当粗粒土样受到较大的应力作用时，颗粒强度的随机变化会导致颗粒尺寸分布的变化。一般而言，颗粒张拉强度值小于土样本身的屈服强度。颗粒的强度会受到颗粒形状的影响，圆度较低的颗粒相对于圆度较高的颗粒更容易发生破碎。同时，独立颗粒的破碎可能性与其尺寸有关。这是因为颗粒粒径越大，存在的内部缺陷就越多，抗拉强度就越低。如图2.8所示，在双对数坐标轴上，鲕状石灰岩、含碳石灰岩及石英砂的单颗粒强度随着粒径的增加呈近似线性降低的趋势。
图2.8 颗粒强度随粒径的变化情况
图2.9 Ottawa砂土受压时粒径分布演变
颗粒聚集体中颗粒破碎的总量不仅取决于颗粒的强度，还取决于接触力的分布情况以及不同尺寸颗粒的排列和分布特征。虽然可认为，由于颗粒尺寸的增大会导致颗粒缺陷的增多以及在土单元中受到法向接触力的增大，意味着较大的颗粒更容易发生破碎。但需要注意的是，如果大颗粒与周边颗粒的接触很多，且受到的荷载通过接触分散了，那么颗粒发生破碎的概率就会小于接触数较少时的情况。试验结果表明，施加压力增大会导致颗粒的破碎，间接使细粒的含量增大。图2.9所示为Ottawa砂土一维固结试验的颗粒尺寸分布变化，可体现颗粒破碎过程中细粒含量的演变。因此，颗粒的配位数（平均接触数）控制着与粒径相关的颗粒强度，较大的颗粒由于其与小颗粒的接触很多，配位数也较大；而较小的颗粒配位数则较小。故粗粒土聚集体中，大颗粒会受到周围小颗粒的保护或限制，而小颗粒则更可能发生破碎或运动。