基于颗粒破碎的钙质沉积物高压固结变形分析

采用高压固结试验,研究珊瑚礁沉积碎屑物试样在固结、回弹过程中的变形特性以及在不同加载方式、含水条件下的颗粒破碎情况,分析含砂量对变形的影响以及不同试验条件下的颗粒破碎规律。研究结果表明,不同的含砂量使砂、砾在试样固结时起到的作用不同,导致试样变形规律存在差异;加载方式、含水条件等对颗粒破碎影响显著,并在颗粒破碎结果分析中发现,0.25 mm是颗粒破碎时相对稳定的粒径,是研究钙质砂颗粒破碎的一个重要粒径界限,其结果对于将钙质碎屑物作为稳定的填筑材料、提高珊瑚礁地基稳定性等具有实用价值。     

考虑形貌特征和级配影响的钙质砂压缩破碎力学特性研究

针对岛礁大型构筑物修建过程中由于高应力而导致作为地基材料的钙质砂发生破碎,进而引发地基沉降变形问题。本文采用高压固结仪对钙质砂开展了一系列终止压力为16 MPa的侧限压缩试验,研究了高应力水平下钙质砂的压缩破碎特性。同时基于显微图像采集和处理技术对钙质砂颗粒的形状参数(圆度和完整度)进行了定量化表征,研究了钙质砂的形状分布规律。最终分别探讨了级配特征(如平均粒径、不均匀系数)、形貌特征等因素对钙质砂压缩和破碎特性的影响。结果表明:随着平均粒径的增大,钙质砂颗粒的形状不规则程度逐渐增加,其棱角也越发育。随着竖向应力的增大,在e-logp平面内,不同粒径钙质砂的压缩曲线逐渐会聚并相交于一条直线,初始粒径对其压缩特性的影响逐渐减小以致消失。而不同级配钙质砂的压缩曲线也发生会聚,但未相交于一条直线。当试样的不均匀系数(C_u)相近时,其压缩破碎量随着平均粒径(d₅₀)的增大而逐渐增加,当试样的d₅₀相近时,其压缩破碎量随着C_u增大而逐渐减小。上述研究成果将对南海岛礁大型工程建设提供重要科学依据。     

钙质砂一维压缩回弹过程中声发射特征试验研究

为了揭示钙质砂在一维压缩回弹作用下的压缩变形、颗粒破碎特性以及声发射规律,对钙质砂进行了3种相对密实度下不同粒组的一维压缩回弹实验和声发射实验。通过对不同粒组、不同相对密实度的钙质砂进行一维压缩实验和同步的声发射实时监测,获得其压缩、回弹和声发射特性,最后通过筛分获得实验后的颗粒粒径分布,得出相对破碎势B_r。实验结果表明:钙质砂的压缩变形由颗粒位置调整和破碎两部分组成,其中颗粒破碎是产生压缩变形的主要因素,回弹曲线近似一条直线,表明压缩变形为不可恢复的塑形变形;压力相同时颗粒粒径越大,相对破碎势B_r越大。颗粒形状不同致使颗粒间填充作用与嵌合作用不同,影响颗粒的滑移与重排列,进而影响颗粒的压缩变形。两种砂的声发射计数率随粒径增大而增大,且都集中出现在800~3200 kPa的压缩阶段,钙质砂的压缩变形及破碎特性与其声发射特征具有一致性,钙质砂声发射计数率与时间关系曲线和应力与时间关系曲线吻合较好,可通过声发射计数率与时间关系曲线来反映钙质砂的力学特性。钙质砂存在一个声发射事件最少的“临界孔隙比”,本次实验中1~2 mm钙质砂临界孔隙比为1.33~1.41,试样的初始孔隙比偏离该临界值时,声发射活动会有不同程度提高。     

钙质砂与硅质砂液化特性对比试验研究

钙质砂颗粒具有形状不规则、多孔隙、强度低、易破碎等特点,较硅质砂表现出更为复杂的液化变形特性。本文对相同级配的钙质砂和硅质砂进行了物性试验、不排水循环三轴试验、轻型动力触探试验,研究两种砂在物理性质、抗液化能力和贯入阻力三方面的差异,分析实验结果得到结论如下:(1)钙质砂比硅质砂具有更大的孔隙比和内摩擦角,这与钙质砂颗粒特点相匹配;(2)砂土抗液化能力随着相对密度的增大而增大,相同相对密度下钙质砂比硅质砂具有更高的抗液化能力和抗变形能力;(3)砂土贯入阻力随着相对密度的增大而增大,相同相对密度下钙质砂比硅质砂具有更高的贯入阻力。综合不排水循环三轴试验和轻型动力触探试验的结果,指出采用陆源硅质砂地基上经验数据建立的基于贯入阻力的液化判别方法直接用于钙质砂地基可能偏保守。     

不同应力路径下钙质砂的力学及变形特性试验研究

钙质砂是海洋钙质生物死亡后形成的一种具有丰富内部孔隙、低强度、不规则形状和易破碎的岩土材料。通过对钙质砂分别开展的等向压缩、常规三轴压缩、平均主应力为常数的三轴压缩、减压的三轴压缩和等应力比加载5种试验,探讨了不同应力路径下钙质砂的力学及变形特性。试验结果表明应力路径对钙质砂的抗剪强度和变形特征具有重要影响。钙质砂在等向压缩条件下具有明显的各向异性特征;常规三轴压缩试验条件下,密实钙质砂呈现低压剪胀、高压剪缩的变形特征,且峰值强度与初始固结压力之间呈幂函数关系;平均主应力为常数的三轴压缩试验中,增加偏应力会引起试样的体变;与常规三轴压缩试验不同,在减压的三轴压缩试验中,应力-应变关系曲线均表现为应变软化;而等应力比加载试验中,试样基本处于弹性状态下,且轴向应力与轴向应变之间呈幂函数关系。试验结果还发现钙质砂的切线泊松比不仅要考虑钙质砂的变形和应力状态等的影响,还要考虑应力路径的影响。不同应力路径试验条件下峰值应力比大小顺序与最大体变大小顺序不受初始固结压力的影响。钙质砂的峰值内摩擦角均随着初始固结压力的增大而减小,大致与初始固结压力的对数呈线性函数关系。     

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。     

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。     

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。     

南海钙质砂宏细观破碎力学特性

针对取自我国南部某海域的钙质砂样本,做了以下两方面工作：一是通过电子显微镜获取了钙质砂颗粒的几何投影图像,利用图像处理技术对图形进行黑白二值化处理,获取单元颗粒形状轮廓边界,使用圆度和粗糙度2个参数对钙质砂的颗粒形状进行定义和量化。二是通过不同围压下的三轴固结排水剪切试验及试验前后的颗分测量对比,研究了颗粒破碎对钙质砂的变形、强度、能量耗散等特性的影响。研究表明,大粒径钙质砂（粒径大于2.0 mm）和小粒径钙质砂（粒径小于0.5 mm）形态比较接近圆形、颗粒表面相对光滑;相比而言,中间粒径（粒径介于0.5～2.0 mm之间）钙质砂形状较不规则,表面棱角较多。钙质砂在三轴排水剪切过程中发生颗粒破碎,试样向着级配均匀的方向发展。随着初始围压的增大,颗粒破碎程度加大,土样整体剪胀趋势减小,而破碎引起的能量耗散增加。而在高围压（初始围压为600 kPa）剪切过程中,仅考虑摩擦耗散,以及同时考虑摩擦、体积耗散两种情况下,计算得到的最大颗粒破碎耗散分别可达土样总输入塑性功的25%和18%。     

钙质砂颗粒内孔隙的结构特征分析

钙质砂是一种碳酸钙含量达50%以上的海洋生物成因的颗粒状材料。从微观结构上来看,钙质砂颗粒棱角度高、形状不规则、强度低、易破碎,且颗粒含有内孔隙。内孔隙的存在深刻影响着钙质砂的压缩、剪切和破碎等力学性能。利用激光技术对南沙群岛永暑礁环礁泻湖的未胶结钙质砂颗粒进行飞秒切割,通过光学显微镜探查并获取了颗粒的内孔隙图像,借助MATLAB图像处理软件,对钙质砂颗粒的内孔隙进行了定量分析。结果表明：较大颗粒钙质砂的内孔隙断面孔隙度相对较大,小孔隙数量较多,而大孔隙所占空间则较大;对于1 mm以上的钙质砂,缝隙状内孔隙含量远低于等轴或不等轴孔隙,等轴与不等轴内孔数量大致相等。     

不排水条件下钙质砂声发射试验研究

通过对钙质砂进行不排水条件下声发射试验,探讨了不同围压、剪切速率、初始孔隙比和级配下钙质砂声发射规律。试验结果表明:低围压（围压低于400 kPa）时,钙质砂声发射活动频率随着围压的升高而增加;围压增至800 kPa时,声发射活动频率有所下降。低剪切速率下,钙质砂剪切试验明显分为颗粒破碎阶段和颗粒滑移阶段,随着剪切速率增大,二者之间较模糊,不能明显区分;松散和密实状态下,钙质砂声发射活动规律相似,钙质砂声发射活动频率均高于中密状态钙质砂;级配较好的钙质砂,声发射率峰值出现在试样发生剪切破坏前;级配稍差,试样声发射率相对均匀,声发射率峰值出现在邻近试验结束时。      

钙质砂一维蠕变分形破碎特性宏微观试验研究

钙质砂是远洋地区港口、机场和民用建筑等构筑物的天然地基材料。通过钙质砂一维压缩蠕变试验和微观结构测试,发现了蠕变前后表面孔隙面积减小且呈分散分布的规律以及试验过程中试样瞬时变形、快速变形和衰减变形特征与粒径的高度相关性;利用基于分形理论改进的相对颗粒破碎率和质量分形维数描述了蠕变前后颗粒破碎程度,得到了分形维数和蠕变与时间的衰减形态曲线关系以及宏观质量分形维数和微观表面分形维数的线性关系,并在此基础上对单一粒径组钙质砂蠕变过程中的分形破碎行为进行了多尺度分析和宏微观跨尺度关联性研究,获得了蠕变过程中颗粒破碎发展以及微观孔隙变化规律,证明了钙质砂蠕变过程中的颗粒重组排列、破碎和研磨行为,揭示了钙质砂蠕变机制。     

钙质砂抗剪强度特性的环剪试验

珊瑚礁沉积的钙质砂与石英砂的物理力学性质有较大差别。对取自南海岛礁的钙质砂进行了单次往返环剪试验以分析钙质砂的抗剪强度特性,试验中考虑了相对密实度和竖向应力对结果的影响,并与相同级配和试验条件下的石英砂进行对比分析。结果表明：钙质砂正向剪切时应力-位移曲线为软化型,具有明显的残余强度特性,而反向剪切时则表现为硬化型,正向和反向剪切强度基本一致;石英砂正向剪切和反向剪切均表现为软化型。钙质砂正向剪切和反向剪切残余强度与峰值强度的比值在0.75～0.93之间;石英砂正向剪切和反向剪切残余强度与对应峰值强度的比值在0.89～0.96之间。相同级配和试验条件下,钙质砂残余强度均大于石英砂,且强度比值基本保持在1.05～1.3之间。在100、200 kPa竖向荷载作用下,钙质砂0.5～2.0 mm的颗粒发生了破碎,破碎率分别为4%和6%。     

钙质砂破碎过程及其微观机制试验研究

为了掌握南海钙质砂压缩变形特征及其微观机制,对3种不同粒组(S1:1.43~2mm、S2:0.5~1mm、S3:0.5~2mm)的钙质砂进行100~3200kPa压力范围的压缩试验,利用自制的砂土微观结构提取装置和图像处理软件(PCAS)获得并分析了钙质砂压缩过程中微观结构。结果表明:(1)钙质砂的大小、形状和级配对颗粒的破碎具有显著影响,当压力较低时(＜800kPa),粒径较大的S1组以砂颗粒棱角破碎为主;粒径较小的S2组没有明显破裂,相对规则的颗粒形态使S2粒组在该压力范围内主要因颗粒的滚动与重分布导致压缩;级配良好的S3组除部分低宽度断肢状颗粒外其余大小、形态颗粒无明显破裂。(2)当压力较大时(＞800kPa),S1组钙质砂逐渐转向以颗粒的整体破坏为主的破碎形式;S2、S3两组试样随着密实度的提高,砂颗粒的破坏以整体破碎为主。基于对破碎过程中试样微观结构变化的提取与分析,总结并提出了控制钙质砂颗粒破碎的4种接触模式:点-线接触、线-面接触、面-面接触和复合接触,可用于判断不同条件下的颗粒破碎形式。最后,讨论了钙质砂在破碎过程中颗粒几何参数的变化。     

钙质砂颗粒破碎对临界状态影响的试验研究

钙质砂的颗粒易碎性是造成其变形和强度特性不同于石英砂的重要性质。本文基于临界状态理论,通过一系列试验定量地描述钙质砂临界状态线随颗粒破碎的演化规律。本文试验分两个阶段进行:第1阶段研究了60~2000 kPa围压条件下钙质砂的力学特性和颗粒破碎特征;第2阶段以不同破碎率的试样为母本重塑制样,在100~300 kPa围压条件下,剪切至破碎临界状态线。试验结果表明:在较小围压(<300 kPa)条件下,松砂和密砂均表现出明显的剪胀和应变软化特性;而高围压(>1 MPa)条件下,显著的颗粒破碎会造成试样的持续剪缩;颗粒破碎存在明显围压阈值,对于松砂而言,在围压小于300 kPa条件下,颗粒基本不发生破碎;在e-lg p'平面内,破碎临界状态线的截距Δe_Γ和斜率λ_c均会随着修正相对破碎率B_r*的增大而减小,即颗粒破碎会使临界状态线发生下移和逆时针转动;而在q-p'平面内,钙质砂的临界状态点落在同一条直线上,即存在唯一的临界状态应力比M_cr和临界摩擦角φ_cr。     

钙质砂的休止角研究与工程应用

砂土的天然休止角对土堆设计、基坑设计和边坡稳定性研判有重要的指导意义。砂土的天然休止角受土颗粒的摩擦特性、颗粒形状、粒径和含水状态等诸多因素的影响。开展了钙质砂的天然休止角试验,研究了多种因素对钙质砂天然休止角的影响规律。结果表明：钙质砂3种常见颗粒形状中,片状休止角最大,枝棒状次之,块状最小;钙质砂天然休止角随着粒径的增大而增大;当平均粒径相同时,天然休止角随着不均匀系数的增大而增大,随着曲率系数的增大而减少;通过与标准石英砂的对比试验发现,石英砂的天然休止角小于钙质砂天然休止角。对现场钙质砂边坡测量后表明,钙质砂地基经过振冲挤密后基坑开挖最大坡角略大于室内测得的天然休止角。研究结果对钙质砂土堆和基坑设计等工程实践有一定指导意义。     

珊瑚颗粒形状对钙质粗粒土的压缩性能影响

珊瑚颗粒形状不规则是其显著区别于陆源土的一大特征。为揭示珊瑚颗粒形状对钙质粗粒土压缩性能的影响,人工挑选出不同形状(块状、枝状、棒状、片状)的珊瑚颗粒,以块状颗粒为基础,与其他3种不同形状的粗颗粒任意一种混合,控制不同颗粒形状配比制成钙质粗粒土试样,完成室内压缩试验,对比分析试验前后珊瑚颗粒的圆度、长宽比、扁平度和凹凸度等形状参数,评价颗粒形状对压缩性能的影响。结果表明:(1)粒径为10~20 mm钙质粗粒土的压缩模量是4~5. 5 MPa,回弹系数为42~53;(2)随枝状、棒状或片状颗粒掺量的增加(0、10%、20%、30%),试样压缩模量呈小幅波状变化,回弹系数呈持续减小趋势;(3)各加载区间应力-应变曲线包括应力快速增长阶段、应力-应变同步增长阶段、应变增长阶段共3个阶段和1个稳定点;(4)随枝状颗粒掺量的增加,试样的长宽比和凹凸度逐渐增加,圆度和扁平度基本无变化;因颗粒破碎的影响,试验后试样的长宽比及扁平度有所增加,圆度及凹凸度则有所减小。选择钙质粗粒土地基时,应考虑其压缩性能,避免施工初期的快速加载。