中国南海岛礁吹填珊瑚砂剪切力学特性

珊瑚砂作为一种特殊的生物碎屑沉积物,我国南海广泛分布,其具有多孔、非均质、非连续等工程特性,作为填岛的材料和工程建设的基础,吹填珊瑚砂的力学特性是珊瑚岛礁工程研究的关键科学问题。中国南海降雨量大,吹填珊瑚砂渗透性好,工程荷载高,含水性和高荷载对于吹填珊瑚砂剪切力学特性的影响非常显著。利用自主研制的土石混合体大型剪切力学试验机,采用中国南沙某岛礁吹填珊瑚砂,在级配和组分分析的基础上,研究不同密实度、含水量条件下高轴向荷载珊瑚砂的剪切力学特性,通过试验结果分析得出如下结论:(1)含水量增加导致吹填珊瑚砂抗剪强度减小,呈负相关关系;密实度增加引起抗剪强度增加,呈正相关关系;(2)含水量对吹填珊瑚砂内摩擦角影响显著,呈负相关关系,含水量大于10%,内摩擦角降低较小;密实度90%时,含水量大于5%,黏聚力降低较小;(3)密实度对吹填珊瑚砂的黏聚力影响规律不明显,密实度对内摩擦角影响较显著,当含水量大于5%时,随着密实度的增加内摩擦角显著增大;(4)在高荷载条件下,含水量和密实度对吹填珊瑚砂抗剪力学特性影响较为显著,含水量小、密实度大的吹填珊瑚砂抗剪特性最强,对于岛礁填岛工程设计及场地条件改性具有指导意义。     

南海岛礁吹填钙质砂渗透特性试验研究

南海吹填钙质砂的渗透性对于岛礁地下淡水的形成至关重要。通过室内常水头渗透试验研究了吹填钙质砂的级配、孔隙比和渗透性之间的相互关系,开展了相同级配钙质砂在不同孔隙比下的渗透性试验,研究了不均匀系数和曲率系数对钙质砂渗透系数的影响规律。试验结果表明,钙质砂的渗透系数和10~e(e为孔隙比)有很好的线性关系,并且与不均匀系数、曲率系数和颗粒粒径都有很好的相关性;通过对室内试验结果考虑多因素的分析,建立了钙质砂渗透系数计算模型,该模型公式可为岛礁吹填土层的渗透性评估和新填岛礁地下淡水的形成分析提供参考。     

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...     

地震荷载作用下南海非饱和钙质砂动力特性研究

以往对钙质砂动力特性的研究多关注饱和状态的钙质砂,且试验过程中多施加正弦波以代替地震荷载。为克服这一缺陷,提出一种地震荷载加速度时程转化为应力时程的动三轴地震荷载输入方法,选取南海地区钙质砂进行动三轴试验,研究非饱和状态下钙质砂在单个地震荷载持续时间内和多个地震荷载持续时间内的动力特性。试验表明：在地震荷载作用下,钙质砂应变和孔压发展呈现阶梯状,破坏应变既有正值也有负值,即破坏类型既有拉伸破坏也有压缩破坏,这有别于正弦荷载下的动孔压和动应变发展规律;随着基质吸力增大,试样破坏时最大动孔压呈现递减趋势,钙质砂试样破坏时的最大孔压均未达到有效围压。     

钙质砂动强度试验研究

钙质砂是一种ＣａＣＯ３含量超过５０％以上的特殊岩土介质,具有独特的力学和工程性状。利用动三轴试验,研究钙质砂在循环荷载作用下动应变,动孔压,动强度及液化特性。     

中国南海钙质砂蠕变-应力-时间四参数数学模型

钙质砂是一种海洋生物沉积形成的具有特殊结构和力学性质的岩土材料,是我国南海岛礁吹填工程的物源材料。为进一步了解其蠕变特性,采用三轴流变仪对取自中国南海某岛礁的钙质砂进行不同围压条件下的长期蠕变试验研究。试验结果表明,在小于其破坏强度的恒定应力作用下,饱和钙质砂发生衰减蠕变,随时间增加,变形不断增加,但变形速率不断减小,直至变形稳定,所受应力越大则达到变形稳定所需时间越长,且蠕变变形量与所受偏应力正相关、与有效围压反相关。应力-应变与应变-时间均为非线性关系。试验研究发现,可采用幂函数对钙质砂蠕变应变-时间进行数学描述,基于试验结果,提出了一种蠕变应变与时间、偏应力和有效围压相关的四参数新的蠕变模型,可以对钙质砂的蠕变过程进行较好的数学描述;与经典的Mesri蠕变模型相比,所提出的数学蠕变模型不需要开展常规三轴压缩试验确定破坏时的峰值偏应力,减少了试验工作,具有一定的优势。     

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%。     

吹填砂地基强夯试验研究

通过某码头工程典型试验区进行的强夯试验，研究了在单点夯试验过程中夯沉量与夯击次数的关系、地基土水平位移和深度的关系、夯击次数与孔隙水压力的关系及孔隙水压力增长与消散和时间的关系；在试验块强夯后，进行了静载试验、静力触探试验和钻孔取土室内土工试验。通过对强夯前后进行对比，得到了强夯法加固吹填砂地基的效果，提出了合理的强夯施工参数和控制工艺，并得出了一些有益的结论。     

冲击荷载引起的颗粒破碎对钙质砂液化特性的影响

钙质砂具有孔隙率高、强度低、易破碎的特点。同时,钙质砂在波浪和地震等振动荷载的作用下,也具有发生液化的可能性。为探究钙质砂颗粒破碎与抗液化强度的关系,对南海永兴岛的钙质砂开展了三轴试验研究工作。首先,利用小型手动冲击装置对钙质砂进行破碎处理,获取了不同相对破碎率(Br)的试样,然后利用多功能动三轴仪分别对原始试样和不同破碎程度的试样进行了液化试验。结果表明：在相同围压和密实度条件下,钙质砂的抗液化强度(CRR)随着Br的增大而降低,但降低速率会随着Br的增大而减小。另一方面,相对密实度的增大会削弱颗粒破碎对钙质砂抗液化能力的影响。最后,为了定量评价颗粒破碎对钙质砂抗液化强度的影响,建立了Br-CRR的数学关系。     

钙质砂声发射特征的三轴试验研究

钙质砂在低应力水平下就会产生颗粒破碎,并伴随有明显的声发射。在不同围压下,对不同初始孔隙比和级配的南沙群岛永暑礁钙质砂进行室内三轴排水剪切试验,同时监测其声发射信号。试验发现：当围压增加或初始孔隙比减小时,钙质砂偏应力峰值逐渐增加,但在某一界限围压时,声发射活动出现最强,在某一界限孔隙比附近时,声发射活动出现最弱;对于级配较差的钙质砂,试验前期声发射活动较弱,其偏应力峰值较小。     

中国南海珊瑚岛礁钻探技术

中国南海珊瑚岛礁拥有巨大的资源潜力和科研价值。2013—2017年,贵州省地矿局一一五地质大队配合中国科学院在南海诸岛礁实施科研钻井数百口,施工过程中,合理解决了远离大陆封闭环境中的各种特殊困难,攻克了“珊瑚岛礁松散珊瑚砂层抽水试验成井下管”、“珊瑚岛礁第四系覆盖层钻探取心”、“珊瑚岛礁泻湖砂层钻探取心”、“珊瑚岛礁钻探事故预防与处理”等重要技术难题,形成了一套成熟完整的适用于岛礁勘查的钻探技术工艺体系,开我国岛礁钻探工程实践之先河。该技术体系能保证岛礁钻探工程安全和质量,对于我国今后岛礁勘查具有重要的指导意义。     

中国南海珊瑚岛礁泻湖砂层钻探取心技术

中国南海珊瑚岛礁拥有巨大的资源潜力和科研价值。科学钻探是珊瑚岛礁研究工作中获取地层资料的重要技术手段。南海珊瑚岛礁地下普遍存在多层厚层泻湖砂层，主要结构为无胶结或轻微胶结的细粒珊瑚砂，这种层位钻探取心极端困难，是影响钻探成果的主要难题之一。南海两个岛礁所实施的3口千米以上深井施工过程中，为解决泻湖砂层钻探取心难题，在分析泻湖砂层性状的基础上，综合研究钻具合理选用、钻进参数控制、钻井液性能控制等钻探工程核心内容，形成了较完整的适用于泻湖砂层钻探取心的“多要素组合钻探取心技术”。使用该技术能确保珊瑚岛礁泻湖砂层岩心采取率达到95%以上，并基本保持岩心原状性。该研究成果对于珊瑚岛礁钻探具有重要的借鉴作用。     

岛礁吹填珊瑚砂力学行为与颗粒破碎特性试验研究

珊瑚砂是岛礁陆域吹填唯一的材料,因其特殊的海洋生物成因和孔隙结构特征,珊瑚砂颗粒在常规工程应力水平下就会发生破碎。通过对取自南海某吹填岛礁的珊瑚砂开展室内三轴固结排水剪切试验,研究珊瑚砂强度、变形参数和颗粒破碎程度随相对密实度、围压的演变规律,并与其他研究成果中的南海珊瑚砂强度参数进行对比分析。研究结果表明:珊瑚砂应变软化及剪胀特征随有效围压的增大、密实度的减小而逐渐减弱;在常规应力范围内,得到珊瑚砂峰值摩擦角和临界状态摩擦角的取值范围分别为33°～58°和28°～47°,且均随有效围压的增大而减小;建立了珊瑚砂割线模量E₅₀与相对密实度、有效围压间的关系式;珊瑚砂峰值摩擦角与修正相对破碎指数B_r^*间的关系可用指数为负数的幂函数关系式拟合,且当颗粒破碎程度较高时,峰值摩擦角随修正相对破碎指数的增大而减小的趋势变缓;珊瑚砂修正相对破碎指数随塑性功的增大近似以双曲线的形式增长,密实度对两者间的关系影响不大。该研究成果可为南海岛礁基础设施的安全设计提供参考。     

南海珊瑚礁硼同位素组成及其环境意义

采用正热电离质谱方法测定了中国南海诸岛７０００ａ以来的珊瑚礁的硼同位素的硼含量。讨论了珊瑚礁中硼同位素 硼含量,Ｐ不管不顾忻代等参数的关系。结果表明,所测定的珊瑚礁硼同位素组成变化范围为２２．７￣２４．８‰,并且与珊瑚 硼含量呈正相关关系。根据硼同位素与海水ＰＨ值的关系计算出过去７０００ａ南海泊ＰＨ值变化８．１０￣８．４１。初步探讨了硼同位素组成与南海海平面变化的关系。     

南沙珊瑚砂的动剪切模量和阻尼比特性试验研究

珊瑚砂的物理力学性质与陆相沉积物有显著的差异。对南沙岛礁饱和珊瑚砂进行了不排水应变控制分级循环加载动三轴试验,研究了有效围压 和相对密实度Dr对饱和珊瑚砂动剪切模量和阻尼比特性的影响。通过与陆源砂砾土试验结果的对比发现：珊瑚砂与陆源砂砾土在最大动剪切模量Gmax、动剪切模量比G/Gmax曲线及其上下界、参考剪应变 、阻尼比? 曲线及其上下界等均存在显著的差异;珊瑚砂的Gmax比陆源砂的大,采用陆源砂Gmax的经验模型,珊瑚砂的Gmax将被低估约30%;珊瑚砂的非线性稍弱于陆源砂砾土,陆源砂砾土G/Gmax和? 的经验公式不适用于珊瑚砂。给出了珊瑚砂G/Gmax和? 的经验公式及相关参数。     

复杂加载条件下珊瑚砂抗液化强度试验研究

循环加载方式与应力路径对砂土的抗液化强度有很大的影响。利用GDS空心圆柱扭剪仪对南海珊瑚砂进行了一系列复杂加载条件下均等固结不排水循环试验,探讨了90°突变应力路径下主应力方向角对珊瑚砂抗液化强度的影响。试验结果发现：以循环应力比（CSR）作为应力水平指标,当不控制中主应力系数b的变化时,主应力方向角 对珊瑚砂的抗液化强度并无显著影响;当控制b始终保持0.5时,珊瑚砂的抗液化强度随着 的增加呈现出先减小后增大的趋势,且在 45°时的抗液化强度最低。基于分析循环荷载引起的土单元大、小循环主应力 、 变化,定义了单元体循环应力比（USR）作为一个新的物理指标,发现不同循环加载方式与应力路径条件下施加于珊瑚砂试样的USR与引起液化所需的循环次数NL存在事实上的唯一性关系。通过引自文献的4种无黏性土原始试验数据的再处理,独立地验证了以USR表征砂类土液化强度的适用性。     

Creep characteristics of calcareous coral sand in the South China Sea

Acta Geotechnica - In recent years, a series of lands have been built or enlarged on the top of some natural coral reefs by the means of reclamation in the South China Sea (SCS). The reclamation...