钙质土颗粒咬合作用机制

形状不规则的钙质土在剪切应力作用下土颗粒之间存在咬合作用,从而使抗剪强度显著提高。为研究钙质土颗粒的咬合作用机制,针对不同粒径的钙质土开展三轴固结不排水和固结排水试验,并对颗粒形状进行了分析,揭示了钙质土咬合力的形成机制和表现形式。研究表明：①不规则的颗粒形状是钙质土产生咬合力的前提条件;②在不同粒径的钙质土中,因不同形状颗粒的含量存在差异导致咬合力大小也不同;③咬合力大小受应力水平影响较为明显,在低围压下咬合作用导致剪胀而提高内摩擦角;在高围压下咬合作用克服颗粒强度做功,造成颗粒破碎,提高黏聚力值而降低有效内摩擦角。钙质土颗粒之间的咬合对强度有明显增强作用,在工程设计中应充分考虑咬合力的影响。     

钙质土的剪切特性试验研究

钙质土因其颗粒形状不规则、易破碎、高孔隙比等特征,其力学性质较为特殊。采用室内大型直接剪切试验设备,对取自南海珊瑚礁和三亚岸礁的粗颗粒钙质土进行了直剪试验,研究了粗颗粒钙质土在不同含水率、不同密度和不同矿物组成条件下的钙质土剪切特性。结果表明,粗颗粒钙质土表现出与常规无黏性土截然不同的力学性质,即（1）与石英砂相比,表观黏聚力较大,内摩擦角较高,软化性较弱;（2）表观黏聚力随着平均粒径的增大而增大,内摩擦角随着干密度的增大而增大;（3）与峰值强度相比,土体剪切破坏后其残余强度的表观黏聚力锐减而内摩擦角仅略有减小。研究成果可为岛礁工程建设提供借鉴,也可为其他粗颗粒土的研究提供参考。     

非塑性细粒对饱和砂土液化特性影响的试验研究

利用空心圆柱扭剪仪对含非塑性细粒的饱和砂土进行单调加载和循环扭剪试验,研究了不同细粒含量饱和砂土的液化特性。试验结果表明：（1）最大孔隙比与最小孔隙比均随着细粒含量的增加呈先减小后增大的趋势,分别在20%和40%时达到最小。（2）细粒含量从0%增加到20%,体积应变逐渐增加;细粒含量从20%增加到40%时,体积应变逐渐减小;之后随着细粒含量从40%增加到60%,体积应变再次增大;细粒含量超过60%以后,体积应变再次递减。（3）随着细粒含量的增加,土样的峰值强度随之降低,应力-应变关系从应变硬化特征发展为理想的弹塑性。相变角在细粒含量为30%时达到最小值。（4）细粒含量越大,达到液化所需的循环次数越小,液化时的应变越小。（5）抗液化强度曲线与抗液化应力比的变化趋势一致,在小于界限细粒含量（30%）时,随着细粒含量的增加而减小。在界限细粒含量附近（30%～50%）时,随着细粒含量的增加而增大。在细粒含量增加到60%时出现明显的骤减,之后再次随着细粒含量的增加而增大。界限细粒含量在40%左右。     

纤维加筋黄土的抗剪强度特性研究

通过直接剪切试验研究了不同含水率、不同纤维量、不同压实度纤维加筋黄土的黏聚力、内摩擦角和抗剪强度的变化规律。研究结果表明:含水率由14%增加到18%时,黄土的黏聚力逐渐减小,当其大于20%时,黏聚力c急剧减小;当黄土的含水率为18%时,内摩擦角φ最大,黄土的抗剪强度达到最大值;纤维材料在黄土中呈面状、网状和团状分布,内摩擦角和黏聚力均随纤维量的增大先增大后减小,纤维量0.5%为最优纤维量;纤维含量小于最优纤维量时,内摩擦角随压实度的增大变化较小,当纤维含量大于最优纤维量时,内摩擦角变化较大;同时,在实际应用方面,该试验给出了含水率、纤维量和压实度与内摩擦角和黏聚力的函数关系,对黄土地区施工具有指导意义。     

细粒含量对饱和砂土动弹性模量与阻尼比的影响研究

利用GDS循环三轴试验系统,进行一系列不同细粒含量砂土的不排水动三轴试验,研究细粒含量对饱和砂土动弹性模量与阻尼比的影响。试验结果表明,砂土的动弹性模量随细粒含量的增加而减小,但当超过细粒含量的临界值30%后,变化趋势则相反;阻尼比随着细粒含量的增加呈现先增大后减小的趋势,其细粒含量的临界值也为30%。当细粒含量小于30%时,砂土的动力特性主要由粗粒决定,粗粒间形成的骨架孔隙比随细粒含量的增加而增大,相同应变水平下抵抗变形的能力随之减弱,从而使动弹性模量减小。同时,土颗粒间接触点的减少使应力波在土中传播速度变慢,使得土体对动荷载反应的滞后性增强,阻尼比随之增加;当细粒含量大于30%后,砂土的动力特性主要由细粒决定,细粒间孔隙比随着细粒含量的增加而减小,从而使砂土的动弹性模量与阻尼比呈现出相反的变化趋势     

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。     

钙质砂砾剪切强度及变形的粒径效应试验研究

颗粒形态不规则、颗粒级配不均匀的钙质砂砾在施加荷载后具有明显的粒径效应。通过对不同粒径、干湿条件下的钙质砂砾进行剪切试验,分析不同剪切方式下钙质砂砾的剪切应力-位移关系特点,研究钙质砂的剪切强度及变形的粒径效应。结果表明：粒径从0.075 mm增至60 mm时,钙质砂砾的峰值强度呈现出先增后减再增的特点;粒径为0.25～0.5 mm是峰值强度变化的拐点,此粒径下钙质砂颗粒产生更多的破碎;由于拐点粒径的影响,内摩擦角随粒径增加呈现出先增再减的规律,似黏聚力则随粒径增加呈现出先增后减再增的规律;由于水膜效应的存在,一定含水条件下的钙质砂抗剪强度比风干条件下低;由于不同剪切方式下的有效应力路径及剪胀角存在差异,直剪试验获得的似黏聚力参数较单剪试验偏大,且随着粒径的增加,偏差越大。     

冻融作用下高填方黄土抗剪强度劣化特性分析

以延安新区高填方黄土为研究对象，开展了冻融作用下高填方黄土抗剪强度试验研究，分析了冻融作用对高填方黄土抗剪强度指标影响规律及其劣化特性。结果表明，冻融作用下高填方黄土黏聚力随冻融循环次数增加而逐渐减小，第4次冻融后黏聚力损伤增量达到最大，之后随着冻融继续进行，黏聚力损伤增量逐渐减小；干密度相同时，含水率越小黏聚力越大，且在冻融作用下含水率越小，黏聚力劣化幅值和速率越大，冻融作用下内摩擦角没有明显规律性变化。给出了冻融作用下高填方黄土黏聚力损伤劣化模型，并利用独立试验数据进行了验证，结果表明该模型能较好地描述冻融作用下高填方黄土黏聚力劣化特征。     

砂与黏土混合物强度特性环剪试验研究

为分析砂和黏土混合物的强度特性,将石英砂和高岭土按不同质量比配制试验土样,开展了一系列固结排水条件下的环剪试验。通过设置轴压为75 kPa、150 kPa、300 kPa和600 kPa状态下开展试验,得到土样剪切角与剪切应力的关系曲线。根据试验曲线的峰值剪应力,通过莫尔-库仑准则得到土样的黏聚力和摩擦角。结果表明,砂和黏土混合物的黏聚力在5~18 kPa范围内波动,当高岭土含量为50%时黏聚力值达到最小值。当高岭土含量小于50%时,摩擦角随高岭土含量增加略有减小;当高岭土含量超过50%时,摩擦角随高岭土含量增加而减小的趋势更明显。     

含石量对土石混合体剪切特性的影响

为了探究不同含石量对土石混合体的抗剪强度及剪胀性的影响,利用先进的大型单剪试验仪进行了21组大型单剪试验。试验设计了从0%～80%含石量共7组试验样品,在100、200、300 kPa三种不同的法向压力下进行单剪试验。基于试验结果,分析了含石量对土石混合体的抗剪强度和剪胀、剪缩特性之间的关系。试验结果表明,在相同的法向压力下,随着含石量的增加,土石混合体的内摩擦角及黏聚力总体上有先增大后减小的趋势。当土石混合体在含石量为40%～50%之间时,其抗剪强度最大。研究表明：土石混合体抗剪强度受到土石混合体孔隙比的影响,同时随着含石量的增加,土石混合体中的结构形式及主导颗粒也相应的发生变化。当含石量在0%～20%之间时,细集料在土石混合体中占主导地位,土石混合体为悬浮密实结构,此时土石混合体的抗剪强度与基质颗粒的性质相近;当含石量在20%～50%时,土石混合体为骨架孔隙结构,随着含石量的增加,土石混合体的骨架逐渐形成,颗粒之间咬合力增加,使得黏聚力及内摩擦角都有明显提高;当含石量超过50%之后,土石混合体表现为骨架密实结构,孔隙率开始上升并且细粒料开始大幅减少,细集料不能充分填充块石之间的孔隙,于是土石混合体抗剪强度开始下降。     

粒组含量对钙质砂压缩变形特性影响的宏细观研究

钙质砂是一种海洋生物成因的特殊岩土介质,其颗粒形态与基本性质较一般陆源砂有很大的不同。一方面通过钙质砂及石英砂的显微镜三维成像试验,对比研究了钙质砂的三维颗粒形态特征。发现相比石英砂,钙质砂颗粒棱角更显著,轮廓趋于扁平。另一方面,对两砂进行一维压缩试验,分析了各粒组含量对钙质砂压缩特性的影响规律,并利用三维形态分析从细观上解释了钙质砂的压缩宏观特性。发现相同级配、密实度下,钙质砂的压缩性比石英砂高约60%～160%（以av1-2表征）,且粗粒组（5～1 mm）含量对钙质砂的压缩性影响最为显著;当粗粒组含量<25%,中、细粒组质量比值M一定时,存在最劣粗粒含量使钙质砂压缩性最大,且该值随着M的增大而减小,并提出了一个经验公式。     

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。     

钙质碎屑对热带海滩砂粒度参数的影响分析

钙质碳酸盐碎屑是热带海滩沉积物的重要组成部分,其物理特性与海滩中的石英颗粒差异明显。对海南岛东部文昌铜鼓角两侧海湾海滩砂样采用除钙和不除钙两种预处理方法,使用Mastersizer 2000激光粒度仪和筛析法进行粒度分析,结果表明:除钙以后粒度频率曲线主体朝细偏,但在粒度频率曲线细尾(4~9)会新增一小峰;去钙前后粒度参数存在明显的线性相关,平均粒径、分选系数和偏态的相关系数依次降低;粒度参数的组合变化以“平均粒径变细、分选系数变好、偏态朝细偏”为主,但仍存在其他的组合变化;在对类似于铜鼓岭周边环境的海滩进行沉积物粒度分析及动力环境研究时,需要了解钙质碎屑含量和颗粒组成。     

沉桩过程中钙质砂颗粒破碎特性模拟研究

基于二维离散单元法,对沉桩过程中钙质砂颗粒破碎情况进行了模拟。采用簇粒来模拟易破碎的钙质砂颗粒,并用形状与变形特性相同的聚粒单元来模拟不可破碎颗粒,对这两种单元特性进行对比,分析不同桩型的沉桩过程、桩周土体的力学响应、沉桩过程中钙质砂的颗粒破碎现象。结果表明：破碎颗粒将引起桩侧土体级配的重新调整,与桩体接触好于不可破碎土体;桩处于颗粒破碎的钙质砂中,其沉桩速度较快,对地基土扰动小于未发生颗粒破碎的情况;对于不同桩型、不同土层,桩体压入过程中,桩周土体应力场分布具有相似性;靠近桩端附近,土中水平应力和竖向应力急剧增大,形成应力核;同等条件下发生颗粒破碎的钙质砂地基土中,桩端应力峰值高于不可破碎土体。     

颗粒破碎对钙质砂压缩特性影响的试验研究

利用南海钙质砂和阿拉伯湾钙质砂,进行侧限压缩试验,对其压缩特性进行分析,得到了相应的压缩指数;采用相对破碎率为度量指标,评价了钙质砂在压缩试验过程中的颗粒破碎情况。同时根据试验数据得到了不同初始相对密实度的砂样的塑性功,通过建立塑性功与相对破碎率以及塑性功与压缩指数之间的关系,探讨了颗粒破碎对钙质砂压缩特性的影响。研究显示,在本次试验条件下,颗粒破碎是导致钙质砂压缩变形的主要因素,钙质砂的中值粒径以及碳酸钙含量等因素对其颗粒破碎程度有明显影响;钙质砂的相对破碎率与其输入的塑性功有关,并且受到初始相对密实度的影响,采用相对密实度进行归一化后,两者呈现较好的幂函数关系;通过建立钙质砂压缩指数与塑性功之间的关系,进一步建立了钙质砂的压缩指数与相对破碎率之间的关系,经相对密实度归一化后,两者也呈现幂函数规律,此规律可以用于评价颗粒破碎对钙质砂压缩特性的影响。     

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%。     

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。     

含橡胶纤维钙质砂的渗透和固结特性试验研究

珊瑚岛礁常年处于复杂的海洋动力环境中,岛上堤坝围堰、基坑等构筑物的地基渗透变形甚至破坏会导致地基承载力失效的可能性变高。为探究橡胶纤维固化钙质砂的渗透特性和固结特性,采用常水头渗透试验和固结试验研究不同纤维含量下钙质砂的渗透规律和固结变形规律,并设置含纤维玻璃珠对照组。钙质砂具有颗粒形状极不规则、多棱角、内孔隙多等特点,为进一步研究颗粒形状的影响,采用高速动态图像粒度分析仪对钙质砂和玻璃珠的颗粒形状和粒径进行分析。试验结果表明,纤维含量对钙质砂试样渗透特性几乎无影响,但是含纤维玻璃珠试样中,随着纤维含量的增加,渗透系数先增加后减小。由于形状不规则橡胶纤维的加入,一定程度上填补了钙质砂之间的孔隙;钙质砂试样存在 800 kPa 的压力阈值,当压力超过800 kPa后,其压缩模量增幅变缓;不同纤维含量试样的e-lg p曲线可以用Harris模型表示,钙质砂组的材料系数 C= 5,玻璃珠组材料系数C= 3,此外,材料参数a、b与纤维含量有较好的线性关系。提出了合理的预测模型指导地基加固,具有十分重要的理论价值与工程实际意义。