钙质砂水理性质及对岛礁淡水透镜体形成的影响

钙质砂的水理性质对岛礁地下淡水透镜体的形成至关重要。通过室内试验的方法从透水性、容水性和给水性3个方面对南海钙质砂的水理性质进行了研究,并在此基础上进一步结合数值模拟手段,探讨了上述相关性质对岛礁淡水透镜体形成的影响。结果表明：南海钙质砂多具有级配不良且不均匀的特征;其渗透系数通常在0.023~110 m/d之间,区域间差异较大,而孔隙度和给水度则主要集中在0.40~0.55和0.012~0.310之间,与同粒径范围的陆源砂相比,呈现出容水性好但给水性偏低的特征。钙质砂的水理性质对岛礁地下淡水透镜体形成的影响主要体现在流速、厚度、资源储量以及形成时间等方面,其中钙质砂的透水性越好,地下水中的流速越快,咸淡水间的混合作用越强,导致淡水透镜体的厚度越薄,储量越少;给水性则主要影响钙质砂中淡水透镜体的资源储量,对淡水透镜体的厚度及形状影响较小。     

钙质土电导率和渗透性的相关研究

电导率是反映岛礁地下水土耦合性质的直接可测量参数,渗透系数是岛礁地下淡水体形成的重要影响因素,研究了不同地质条件下电导率变化规律,并用其表征土体渗透性有重要意义。首先测量不同干密度、含水率和孔隙液浓度下单一粒径钙质土电导率。由于钙质粉土内含黏粒成分,其表面双电层对电导率有影响,因此单独测量钙质粉土在干密度和含水率正交条件下的电导率,并进行变水头渗透试验。接着配制钙质粉土含量递增的级配土,测电导率并进行常水头渗透试验。试验发现,钙质土电导率与干密度,含水率和孔隙液浓度呈现明显规律性;级配土内随粉土含量增加电导率增加先缓慢,后迅速,最后趋于稳定;级配土渗透系数随电导率增加先缓慢减小后迅速减小;粉土渗透系数随电导率增加呈现中间大两头小的规律。最后初步推导了钙质土电导率与渗透系数的经验公式。     

吹填人工岛地基钙质粉土夹层的渗透特性研究

南海吹填钙质土地基中含有多层粒径小于0.075 mm的细颗粒钙质粉土夹层,这些粉土夹层的渗透性对人工岛地下淡水的形成具有重要影响。通过室内变水头试验研究了钙质粉土渗透系数与干密度、初始含水率之间的相关性,论证了Samarasinghe与Mesri公式在计算钙质粉土渗透系数上的可靠性;通过静态氮吸附试验对渗透试验前、后钙质粉土的孔径变化特征进行了分析。研究结果表明:钙质粉土的渗透系数在初始含水率相同时随着干密度的增大而减小,在干密度相同时随着初始含水率的增大而增大,且在饱和时渗透系数达到最大;Samarasinghe与Mesri公式对钙质粉土渗透系数的计算具有较高精度;钙质粉土为大孔材料,渗流作用下使更多的微孔和介孔转变为大孔,孔隙类型以一端开口的均匀圆筒形孔为主。研究成果可为南海的人工吹填岛地下水渗流场的计算分析提供科学依据。     

中国南海吹填岛礁钙质砂动力特性试验研究

南海对我国经济发展、资源开发与运输、维护国土完整具有战略性意义。目前我国已在南海海域以吹填方式建设了一系列的岛礁,并在其上修建了一系列的结构物（房屋、防波堤、机场等）。作为这些重要结构物的地基材料,珊瑚钙质砂在极端波浪、海底地震等环境荷载作用下的动态响应特性对评价其上结构物的安全稳定性具有重要的意义。以我国南海珊瑚岛礁吹填工程为背景,对取自岛礁吹填体现场的钙质砂样品,以吹填现场实测的颗粒级配和干密度为依据,开展动态三轴循环试验,研究我国南海珊瑚岛礁吹填体钙质砂地基土的动力特性。试验结果表明：岛礁钙质砂受动态循环荷载作用,在排水不通畅的条件下可以达到部分液化状态,在排水通畅的条件下不发生液化;在不排水条件下,岛礁钙质砂归一化的累积孔压u/ 与振次比N/Nf符合Seed提出的反正弦孔压发展模式;在不排水条件下,所有岛礁钙质砂样品的动态变形模量Ed /E0与归一化应变?m /?r之间全部重合在一条双曲线上,表明不排水条件下岛礁钙质砂的Ed /E0与?m /?r之间的关系不受干密度和颗粒级配的影响,具有很好的统一性。     

颗粒级配与形状对钙质砂渗透性的影响

钙质砂是富存于热带海洋环境（包括中国南海海域）中的一种特殊岩土介质,具有不同于陆源砂的水理性质。采用传统常水头渗流试验,首先探究了不同不均匀系数和曲率系数条件下级配对钙质砂渗透性的影响。针对钙质砂的颗粒形状特性,采用扫描电镜（SEM）与图像处理技术,引入球度 和圆度X的比值 从三维空间角度上对颗粒形状进行了定量描述。并在粒径区间、相对密实度相同的条件下,通过与福建标准砂、玻璃珠进行对比试验来考察钙质砂渗透特性,从而进一步探究颗粒形状对钙质砂渗透性的影响。试验结果表明,钙质砂渗透性随着颗粒粒径不均匀系数和曲率系数的增大而增大,符合级配对一般砂土渗透性的影响规律;钙质砂颗粒形状具有较强的结构性和不均匀性,同等密实度下钙质砂的渗透性小于陆源的石英砂。本研究获得的钙质砂渗透规律对今后南海岛礁填筑和海上平台基础工程设计具有一定的指导意义。     

微生物拌和加固钙质砂渗透特性试验研究

吹填钙质砂是岛礁工程中常见的地基土,其所处的海洋环境对其渗透性和抗渗透破坏能力提出一定要求。微生物与钙质砂拌和的方法,有可能将微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术与吹填工艺结合,以期在吹填过程中完成对地基土的预处理。通过对不同密实度的钙质砂进行微生物固化前后的渗透试验,探究微生物拌和固化方法改善钙质砂渗透性和抗渗透变形性能的效果。结果表明,拌和方法可以使松散钙质砂的渗透系数降低至密实砂同等水平,其抵抗渗透破坏的临界水力坡降也大幅提高,破坏形式由管涌变为流土。     

考虑钙质砂细观颗粒形状影响的液体拖曳力系数试验

钙质砂作为南海岛礁填筑常用的岩土材料,其渗透性很大程度上决定着填筑后土体的固结和沉降。拖曳力系数是表达流体对土体颗粒表面力的参数,也是表征颗粒状土体渗透能力的一个重要参数,目前国内外对钙质砂拖曳力系数的研究十分有限。首先引入一个修正的三维参数 对钙质砂这种天然非规则颗粒材料的形状进行定量描述,然后开展一系列单个钙质砂颗粒在液体中沉降试验,利用高速相机记录颗粒沉降过程,结合图像处理技术获得颗粒沉降平衡速度Ut,进而计算出拖曳力系数CD和雷诺数Re,最后拟合出包含CD、Re及 三个参数的钙质砂拖曳力系数半经验模型。结果发现,在相同雷诺数条件下钙质砂的形状系数 越大,拖曳力系数越小。通过与其他研究结果对比发现,其表面微孔隙越发育,拖曳力系数越小的规律。该模型能够考虑不规则颗粒形状对拖曳力系数的影响,从而提高对土体渗透性预测的精度,对南海岛礁填筑工程中钙质砂固结和沉降的计算也具有重要意义。     

细颗粒对钙质砂渗透性的影响试验研究

钙质砂地基的渗透性是影响人工灰沙岛地下淡水形成的重要因素,而细颗粒的含量及其赋存状态对渗透性有重要的影响,为此开展了不同细颗粒含量的钙质砂渗透性试验研究。选用南海某岛的钙质砂,基于不同细粒配比的钙质砂样常水头渗透试验,分析细颗粒对钙质砂地层渗透性的影响。试验结果显示,促使钙质砂渗透性发生明显变化的粒级为≤0.075mm范围。当最小粒径≤0.075mm时,钙质砂的渗透系数量级为10^-2cm/s,呈中透水性。当最小粒径介于0.075~0.500mm时,渗透系数量级为10^-1cm/s,呈高透水性。钙质砂最终稳定渗透系数与细粒含量之间表现出不同的规律:(1)当细颗粒含量小于9%时,渗透系数随细粒含量的增加而缓慢减小;(2)当细颗粒含量在9%~24%时,渗透性随细粒含量的增加而迅速减小;(3)当细颗粒含量大于24%时,渗透性随细粒含量的增加变化不大。影响渗透系数的细粒含量存在着由试样骨架形成的孔隙决定的,反映孔隙最佳充填时的细粒含量界限值,充填不佳或过量细粒均可能在渗透作用下发生细粒运移流失。     

钙质砂的渗透特性及其影响因素探讨

钙质砂在沉积过程中大多保持着原生生物骨架中的细小孔隙,多孔隙且含内孔隙、形状不规则、强度低易破碎、颗粒棱角度高、会胶结等特殊性质。其工程力学性质较一般陆相、海相沉积物有较大的差异,尤其多孔性和形状高度不规则性致使其渗透性与其他岩土介质差异明显。针对钙质砂的渗透特性开展现场多组双环渗透试验,分析密实度和颗粒级配对钙质砂渗透性的影响。现场渗透试验显示,钙质砂中的渗流速度先缓慢增大再趋于稳定,最后稳定在小幅度波动范围内;钙质砂的渗透系数K与不均匀系数C_u呈负相关关系;由于颗粒分析曲线上小于有效粒径d_(10)的曲线拐点多出现在小于某粒径土重累计百分含量为4%对应的粒径d_4附近,以新变量d_4与限制粒径d_(60)之比d_4/d_(60)分析其与钙质砂渗透性的关系,并经指数函数拟合得一定干密度ρ_d和压实度δ下的钙质砂的渗透系数关系式K=4.75e~(2d_4/d_(60)~n/lgC_u/δ)或K=4.74e~(3.374d_4/d_(60)~n/lgC_u/ρ_d),根据C_u≤5、5C_u≤10、10C_u≤20和C_u≥20的取值,n分别取值2、5、4、3。     

基于不规则钙质砂颗粒发展的拖曳力系数模型及其在细观流固耦合数值模拟中应用

钙质砂广泛分布于我国南海海域,作为岛礁填筑材料,其渗透性很大程度上决定着填筑后土体的固结和沉降。拖曳力系数是表达液体对土体颗粒表面力的参数,也是表征颗粒状土体渗透能力的一个重要指标,目前国内外对具有极不规则形状钙质砂拖曳力系数的研究十分有限。在前期大量钙质砂颗粒沉降试验基础上,建立了能够考虑形状系数的颗粒与液体相互作用拖曳力系数理论公式;在已建立的计算流体动力学-离散元法(CFD-DEM)流固耦合理论框架下,将新发展的拖曳力系数公式嵌入到流固耦合程序中,模拟钙质砂颗粒在液体中沉降过程。通过将模拟结果与室内沉降试验对比,验证了新建立的拖曳力模型及程序实现的准确性。研究结果表明,较CFD-DEM程序中已有的未考虑颗粒形状的拖曳力系数半经验模型,新的拖曳力系数模型能够更准确地模拟不规则颗粒在液体中沉降过程;同时,在数值建模中无需采用异形颗粒即可以反映颗粒形状对拖曳力的影响,这将大大降低数值模拟的计算量,提高计算效率。研究可进一步应用于钙质砂水中堆填后固结沉降以及冲刷等实际工程问题分析中。