钙质砂的干密度特征及其试验方法研究

最大、最小干密度是评价砂土密实度的重要计算参数。通过钙质砂的最大、最小干密度试验,揭示了钙质砂颗粒破碎对最大干密度的影响,分析了最大、最小干密度随粒径和含水率的变化规律,并总结了钙质砂的最大、最小干密度的测试方法。研究表明,最大干密度随粒径的增大呈现先减小后增加的趋势;在最大干密度的测试中存在明显的颗粒破碎现象,使测试结果偏大;颗粒破碎量随粒径的增加先增加后减小,其中粗砂的破碎量最大;最小干密度随粒径的增大而减小,单一粒组钙质砂最小干密度的最大值仍然小于级配良好钙质砂的最小干密度,同一粒组的钙质砂的最小干密度随含水率的增大呈现出略有减小的趋势。建议钙质砂的最大干密度试验宜采用电动相对密度仪法,最小干密度试验宜采用量筒法。     

直剪剪切速率对钙质砂强度及变形特征的影响

为深入研究剪切速率对钙质砂强度和变形特征的影响,对钙质干砂进行不同剪切速率条件下的直剪试验。研究结果表明,随剪切速率从0.1 mm/min增至2.4 mm/min时钙质砂抗剪强度先减小后增大,其内摩擦角亦呈现出先减小后增大趋势,临界剪切速率为1.6 mm/min;低法向应力条件下钙质砂试样随剪切速率的增加更易于呈现剪胀现象,高法向应力条件下剪切速率从0.1 mm/min增长至1.6 mm/min时试样整体剪缩量逐渐减小;当剪切速率继续从1.6 mm/min增长至2.4 mm/min时试样最大剪缩量逐渐增加;不同法向应力水平条件下钙质砂加载速率效应的细观机制不同,较低应力水平条件下钙质砂加载速率效应主要由试样内部颗粒错动、换位、重新排列引起,在较高应力水平条件下钙质砂加载速率效应主要由颗粒破碎引起。     

钙质砂剪切特性的围压效应和粒径效应研究

为研究钙质砂剪切特性的围压效应和粒径效应,开展了在不同粒径、不同相对密实度以及不同围压条件下的三轴剪切试验,并引入应力相对软化系数和剪胀系数对应变软化特征及剪胀特征进行了定量表征。试验研究表明,随围压的增大,不同粒径钙质砂试样应变软化特征及剪胀特征逐渐减弱,且围压与应力相对软化系数和剪胀系数均呈半对数线性相关。不同粒径钙质砂试样存在一强度临界围压和体变临界围压分别使得应变软化特征和剪胀特征消失。在粒径为5～0.075 mm范围内,对松样而言,围压对软化特征和剪胀特征存在显著影响,但与粒径不存在显著相关性;对密样而言,随粒径逐渐减小,围压对试样软化特征的影响逐渐增强,而对试样剪胀特征的影响逐渐减弱。在低围压（50 kPa）条件下,0.5～0.25 mm粒径组试样破碎最显著。     

钙质砂剪切特性的围压效应和粒径效应研究

为研究钙质砂剪切特性的围压效应和粒径效应,开展了在不同粒径、不同相对密实度以及不同围压条件下的三轴剪切试验,并引入应力相对软化系数和剪胀系数对应变软化特征及剪胀特征进行了定量表征。试验研究表明,随围压的增大,不同粒径钙质砂试样应变软化特征及剪胀特征逐渐减弱,且围压与应力相对软化系数和剪胀系数均呈半对数线性相关。不同粒径钙质砂试样存在一强度临界围压和体变临界围压分别使得应变软化特征和剪胀特征消失。在粒径为5-0.075 mm范围内,对松样而言,围压对软化特征和剪胀特征存在显著影响,但与粒径不存在显著相关性;对密样而言,随粒径逐渐减小,围压对试样软化特征的影响逐渐增强,而对试样剪胀特征的影响逐渐减弱。在低围压(50 kPa)条件下,0.5-0.25 mm粒径组试样破碎最显著。     

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。     

风积砂毛细现象的试验研究

为了研究颗粒配比对风积砂中毛细现象的影响,本文通过9种不同颗粒配比的风积砂进行室内竖管法毛细水上升高度试验,得出了如下结论:(1)在单一砂样试验中,粗砂(粒径0.5～2 mm)、中砂(粒径0.25～0.5mm)、细砂(粒径0.075～0.25 mm)、粉土(粒径<0.075 mm)的最大毛细水上升高度分别为7.5 cm、16.0 cm、30.5cm、98.0 cm;(2)在混合砂样试验中,中砂和粉土以9:1、8:2、7:3、1:1混合,最大毛细水上升高度分别为32.0 cm、51.0 cm、71.0 cm、73.0 cm。揭示了风积砂平均粒径越小,最大毛细水上升高度越高,并建立了风积砂毛细水上升高度h(cm)-时间t(min)lnh=a(lnt)2+b(lnt)+c形式的预测模型,其中a、b、c是与风积砂物理性质有关的物理量,为生态保护及工程应用提供参考依据。     

基于染色标定与图像颗粒分割的钙质砂颗粒破碎特性研究

针对混合粒径钙质砂中不同粒径颗粒绝对破碎量无法获得和现有破碎率难以考虑破碎重叠掩盖破碎量这两个问题开展研究。设计了粗砂、中砂、细砂颗粒集中分布的3种级配钙质砂试样,进行侧限压缩试验。对不同粒径区间钙质砂分别染成不同颜色,拍照获取各粒径区间钙质砂破碎信息;采用Image J软件进行彩色图像颗粒分割、二值化处理、统计各颜色颗粒面积,换算得各颜色颗粒破碎后含量;并提出考虑破碎重叠掩盖的试样累积破碎率指标B_a。结果表明,随压力增大及颗粒分布集中,试样的重叠掩盖破碎量增大。混合粒径钙质砂中的中间粒径(0.25~1.00mm)颗粒易于破碎,各粒径颗粒破坏模式以颗粒边角破碎为主;累积破碎率B_a值较相对破碎率B_r较大,与垂向压力对数值间满足线性关系,为颗粒破碎研究提供了新的思路。     

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。     

大位移剪切下钙质砂破碎演化特性

为了揭示钙质砂在大位移剪切作用下的破碎及形状演化规律,对南海钙质砂进行了系列不同剪切位移下的环剪试验。首先,利用筛分和激光粒度分析获取试验后的颗粒粒径分布,分析颗粒分布变化情况;其次,通过粒径分布对破碎进行定量分析;最后,运用图像处理技术计算颗粒圆度和扁平度,分析了颗粒形状的变化情况。试验结果表明,在不同的竖向压力下,颗粒会达到不同的稳定级配,但达到稳定所需的剪切位移相同;经历大位移剪切后,出现粒径为0.01～0.075 mm钙质砂破碎严重的现象;随剪切位移的增加,颗粒的圆度和扁平度减小。针对细小颗粒破碎严重的现象,修正了相对破碎率;修正后的相对破碎率能考虑粒径为0.01～0.075 mm颗粒发生的破碎。剪切后的钙质砂颗粒更为规则,整体轮廓趋于圆形、表面更光滑。     

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。     

Experimental study on height simulation of capillary fringe

In this paper, the plexiglass experimental column was used to analyze the capillary fringe thickness of three kinds of lithologies-silty sand, silt and silty clay-providing a basis for defining the interface in the study of hydrodynamics at the water table between vandose water and groundwater. The capillary fringe generally refers to the subsurface layer in which the groundwater seeps up to the air-entry suction value due to capillary action, and is nearly saturated with water. The thickness of the capillary fringe varies with different lithologies. In this experiment, self-made stable water supply devices were used to study the height of capillary rise, capillary water volume and capillary fringe thickness of the three lithologies through capillary experiment and numerical simulation. Experimental results show as follows:(1) Rising height of capillary water is related to time, particle radius, volume, etc., and the relationship between height and time is in line with the Hill model.(2) The smaller the particle radius, the more water the pores contain, and the ratio of the unsaturated portion of capillary water to the total water content gradually rises. Experimental results obtained by numerical simulation, segmentation and actual measurement are consistent.(3) The thickness of the capillary zone is related to the lithology. The larger the particle size, the smaller the thickness of the capillary fringe, and vice versa. In silty sand, the thickness measures about 13 cm. The figure rises to 16 cm in silt, and 37 cm in silty clay. This work studies the law of soil water transport at saturated-unsaturated interface. Experimental results are of great significance to the study of soil water and salt transport and soil salinization control in unsaturated zone.     

非饱和含黏土砂毛细上升试验研究

采用MP406水分传感器、WM-1负压计和DT80数据记录仪等设备,开发了一套毛细上升试验系统,对非饱和含黏土砂做了3个不同初始含水率的毛细上升试验,得到了试样各个断面的含水率和吸力随时间的变化规律。研究表明：初始含水率对毛细上升高度和上升速度有显著影响,本套系统可测定毛细上升的实际高度,在土样渗透系数未知的情况下可对不同土样测定其毛细上升的最大高度;可根据湿润锋运动速度、土样含水率变化和吸力变化数值,确定非饱和土渗水系数,从而避免了渗透系数确定费时、费力的困难;可由吸力预测试样的渗水系数,只需测定该土的土-水特征曲线或进行吸力量测即可确定出该土在这一吸力下的渗水系数;并拟合出不同初始含水率试样的湿润锋随时间变化规律     

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。     

压实红黏土水分传输的毛细效应与数值模拟

当路基处于地下水水源丰富且水位较高的区域时,容易受到地下水的毛细上升侵蚀作用。为治理因水分毛细上升而引起的路基病害,需了解其毛细上升规律。在水平吸渗试验原理的基础上略加改进,自制了一套毛细上升试验装置,进行了三种不同初始干密度试样的试验。结果表明,毛细上升高度与含水率的关系类似于土-水特征曲线;试样的干密度越大,在相同的时间内毛细上升高度越小;水分因毛细效应的扩散能力随初始含水率的变化存在一个最优含水率点。最后,利用有限元方法模拟了水分在不同时刻沿着试样高度的分布规律,并对比分析了试验终了时刻的计算值与实测值,二者之间的分布规律比较一致。     

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。     

基于土柱排水实验探讨潜水含水层给水度的影响因素

给水度是重要的水文地质参数之一,为探讨潜水含水层给水度的影响因素,设计均质粗砂、均质细砂、上细下粗、上粗下细4种土柱的排水实验,按照一定间距分段降低地下水位,每段降深设计不同排水时间,求取不同水位埋深的给水度.当地下水位埋深小于支持毛细水高度,给水度受地下水位埋深影响显著,其关系可以用非线性函数来表示.排水时间越长,给水度越大,当土柱分段排水时间超过1 h,给水度值稳定.0.6~0.9 mm粒径的粗砂给水度大于0.2~0.4 mm的细砂;当地下水位在土层分界面下20 cm时,上细下粗土柱给水度显著增大,上粗下细土柱给水度显著减小.给水度的大小与地下水位埋深、排水时间、岩土颗粒和潜水面附近及之上非均质结构等因素有关.