颗粒破碎及剪胀对钙质砂抗剪强度影响研究

钙质砂是海洋沉积物中的一种,富含碳酸钙或其他难溶碳酸盐类物质的特殊介质。由于其颗粒质脆,受力后易产生破碎,表现出与常规陆源砂不同的力学性质。通过对取自南沙群岛永暑礁附近海域的钙质砂进行三轴剪切试验,分析了钙质砂颗粒破碎与剪胀对其抗剪强度的影响。试验结果表明,颗粒破碎与剪胀对钙质砂强度有着重要影响,低围压下剪胀对其强度的影响远大于颗粒破碎,随着围压的增加,钙质砂颗粒破碎加剧,剪胀影响越来越小,而颗粒破碎的影响则越来越显著;颗粒破碎对强度的影响随着围压的增大而增大,当破碎达到一定程度后颗粒破碎渐趋减弱,其影响也渐趋于稳定。     

颗粒破碎对钙质砂的应力-应变及强度影响研究

压力作用下颗粒发生破碎是引起砂土力学特性变化的重要因素之一, 对于钙质砂这种易破碎的材料更是如此。为进一步弄清颗粒破碎对钙质砂的应力-应变强度影响, 本文对钙质砂进行三轴固结排水剪切试验得到应力-应变曲线, 并筛分得到三轴试验前后钙质砂颗分曲线。通过引入Hardin定义的颗粒相对破碎率Br, 分析了相对密度、围压与颗粒破碎的关系及颗粒破碎对钙质砂应力-应变和抗剪强度的影响。结果表明:随围压的增大颗粒破碎增量逐渐减小, 直到破碎达到一个上限值, 此时围压和相对密度对颗粒破碎影响很小; 颗粒间的滑动标志着应力达到极限状态, 而颗粒破碎会阻碍应力达到极限状态, 在本实验中, 低围压时颗粒破碎少, 颗粒相对运动形式为滑移, 使应力-应变曲线为软化型, 高围压下颗粒破碎严重, 颗粒破碎在剪切过程中始终发生, 使应力-应变曲线呈应变硬化型; 颗粒破碎使体变从剪胀逐渐发展到剪缩, 且破碎越严重剪缩越严重; 在低围压下钙质砂强度主要由剪胀和咬合提供, 高围压下颗粒破碎严重, 剪胀消失, 咬合减小, 使峰值摩擦角减小, 抗剪强度降低。     

堆石料的临界状态与考虑颗粒破碎的本构模型

高应力水平时堆石料的颗粒破碎对其强度和变形机制有重要影响。临界状态土力学理论对重塑土的应力-应变关系的描述较为成功,但目前颗粒破碎对堆石料的临界状态的影响及其数学描述鲜有研究。对堆石料进行了固结应力从0.4 MPa到4 MPa的18组固结排水和固结不排水常规三轴压缩试验,以及6组等向压缩试验。试验结果表明：在排水条件和不排水条件下,不同的固结应力试样都趋于临界状态;堆石料的临界状态在q-p′平面和e-lgp′平面均为非线性变化。基于此试验结果,通过引入状态参数,在广义塑性力学的理论框架下,建立了考虑颗粒破碎的堆石料本构模型,并给出了模型参数的确定方法。与长河坝料的试验进行了对比,结果表明所建议的本构模型可以较好地模拟堆石料从低围压0.4 MPa到高围压 3.5 MPa下的应力-应变特性     

颗粒破碎对绢云母片岩强度和变形影响的试验研究

为进一步弄清颗粒破碎对软岩粗粒料强度、变形的影响,开展2组不同初始干密度下的绢云母片岩粗粒料的固结排水三轴试验,分析了绢云母片岩粗粒料颗粒破碎规律,并探讨了颗粒破碎对绢云母片岩粗粒料力学性质的影响。结果表明,绢云母片岩粗粒料相对破碎率随围压的增加而增大,但颗粒破碎增幅速率受初始干密度影响较大,颗粒破碎与围压之间的关系可用线性关系描述;由于初始孔隙率的影响,使得试样在同一应力水平下高密度试样颗粒破碎明显高于低密度试样;颗粒破碎对高密度试样抗剪强度降低的影响高于低密度试样,导致两种干密度试样的应力-应变曲线在某处出现相交,最终出现初始密度低的试样抗剪强度大于初始密度高的试样抗剪强度的现象;高密度试样孔隙率较小,其剪胀因子一直保持在1附近,而低密度试样孔隙率较大,受颗粒破碎和剪胀的影响迟缓一些,低密度试样体变较高密度要大些,但整体上由于颗粒破碎和剪胀的影响,绢云母片岩粗粒料的体变均不大。     

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。     

高压力下原状层间错动带三轴不排水剪切特性及其影响因素分析

针对某大型水电站揭露的原状层间错动带试样,模拟现场快速施工可能会产生的不排水边界条件,在围压5～30 MPa的高压力条件下开展了不固结不排水三轴试验,并结合试样物理性质的差异,分析讨论了原状层间错动带的力学特性。试样试验曲线和破坏模式主要由高围压控制：其应力-应变关系曲线均为应变硬化型且破坏后呈腰鼓状为塑性破坏。此外,较湿颗粒发生了大规模的颗粒破碎,其是造成高饱和度试样强度包线的趋势线随围压降低的根本原因。试验结果明显受物理性质影响造成了试验数据离散性,敏感性分析表明,围压P和饱和度 对初始弹性模量 和破坏强度 的影响最大,其次是孔隙比e,颗粒粒径（ ）分布对其影响程度最小。根据试样剪切特性建立的强度特征（ 和 ）初步预测公式可供实际工程参考。     

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%。     

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33o～58o和28o～47o,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Br*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。     

不同先期固结压力下的错动带力学特性研究

针对白鹤滩大型水电站揭露的错动带,探索了一种反映原岩应力状态的错动带试样制备方法,采用替代法对错动带进行超粒径处理,同时控制先期固结压力和稳压时间进行静载固结,并基于不同先期固结压力、不同高围压下的不固结、不排水三轴试验,结合矿物成分分析试验和扫描电镜试验,分析了不同先期固结压力下错动带的力学和变形特性。试验结果表明,不同高围压、不同固结压力下错动带应力-应变关系曲线基本表现为有剪胀行为的应变硬化型力学行为,且多为腰鼓型塑性破坏;在相同固结压力条件下,随着围压升高,错动带试样破坏应力、变形模量和泊松比均呈增大趋势,扩容效应更明显;相同围压条件下,随着先期固结压力的增大,错动带破坏应力逐步提高,弹性模量逐渐增大,而泊松比略有减小,敏感性不大;同时黏聚力和内摩擦角随固结压力的增加而分别减小和增大,呈劣化趋势。错动带微观结构的定性和定量分析进一步揭示了错动带作为一种夹杂错动后残留有岩石碎屑(块)软弱物质的颗粒类材料,在高应力下其塑性变形主要来源于颗粒破碎和颗粒的定向排列。因此,先期固结压力是影响错动带性质的重要因素。     

三轴压缩条件下钙质砂的颗粒破裂过程研究

提出了钙质砂在载荷作用下同时存在颗粒破碎和滑移两种变形机制,二者分别采用弹性损伤模型和边界面塑性模型予以描述,在模型中考虑颗粒损伤率对峰值应力比的影响。计算发现,围压和固结应力比增加使声发射活动增强,进而从微观机制上分析了原因。     

K0固结条件下砂土的循环剪切特性试验研究

利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,针对福建标准砂Dr = 30 %,在K0固结条件下,进行不同围压下的循环三轴试验,探讨了K0固结过程和K0固结条件下砂土的孔隙水压力特性与强度特性,并与原有均等固结条件和非均等固结条件下的循环三轴试验进行对比分析。通过分析和比较表明,砂土的K0固结试验过程可以分为两个阶段,第1个阶段是初期的缓慢变形阶段,第2个阶段是后期的稳定发展阶段,围压对静止土压力系数K0的测定有一定影响。不同固结过程对砂土动孔隙水压力的发展有很大的影响,K0固结条件下试样出现明显的剪胀现象。另外,K0固结条件下砂土动强度高于非均等固结条件（Kc = 1.67）下砂土动强度,低于非均等固结条件（Kc =2.94）下砂土动强度。     

Subcritical compaction and yielding of granular quartz sand

Cylindrical samples of water-saturated, initially loose, St. Peter quartz sand were consolidated using triaxial deformation apparatus at room temperature, constant fluid pressure (12.5 MPa), and elevated confining pressures (up to 262.5 MPa). The samples were deformed along four loading paths: (1) hydrostatic stressing tests in which confining pressure was monotonically increased; (2) hydrostatic stress cycling similar to (1) except that effective pressure was periodically decreased to initial conditions; (3) triaxial deformation at constant effective pressure in which differential stress was applied after raising effective pressure to an elevated level; and (4) triaxial stress cycling similar to (3) except that the axial differential stress was periodically decreased to zero. Hydrostatic stressing at a constant rate results in a complex nonlinear consolidation response. At low pressures, large strains occur without significant acoustic emission (AE) activity. With increased pressure, the stress versus strain curve becomes quasi-linear with a corresponding nonlinear increase in AE rates. At elevated pressures, macroscopic yielding is marked by the onset of large strains, high AE rates, and significant grain failure. Stress cycling experiments show that measurable inelastic strain occurs at all stages of hydrostatic loading. The reload portions of stress cycles are characterized by a poro-elastic response and lower AE rates than during constant rate hydrostatic stressing. As the stress nears and exceeds the level that was applied during previous loading cycles, strain and AE rates increase in a manner consistent with yielding. Triaxial stressing cycles achieve greater consolidation and AE rates than hydrostatic loading at similar mean stress levels. By comparing our results with previously published studies, we construct a three-component model to describe elastic and inelastic compaction of granular sand. This model involves acoustically silent grain rearrangement that contributes significant inelastic strain at low pressures, poro-elastic (Hertzian) deformation at all pressures, and inelastic strain related to granular cracking and particle failure which increases in significance at greater pressures.     

含碳酸盐混合砂的三轴剪切试验研究

含碳酸盐混合砂作为一种特殊的岩土材料主要分布于热带沿海地区,独特的成因和组构使得其具有不同于陆源砂的岩土工程特性。针对取自我国南海的珊瑚砂与取自长江流域石英砂按不同质量百分比配制而成的混合砂,开展不同围压下的三轴固结排水剪切试验,研究不同碳酸钙含量混合砂的剪切特性。结果表明：（1）混合砂峰值强度随有效围压和碳酸钙含量的增加呈近似线性增长;（2）围压及碳酸含量是影响混合砂剪胀特性的主要参数,随着碳酸盐含量的增加,胀缩转换点及其对应的轴向应变量增大;（3）随着碳酸盐含量的增加,混合砂的黏聚力呈线性增加趋势,峰值内摩擦角?f缓慢增长;（4）混合砂的相对破碎率Br随碳酸钙含量及围压的增加而增加。     

高围压下砂土的渗透特性试验研究

利用高压三轴渗透试验系统,对某矿区深部的粗砂和细砂进行了高围压条件下的渗透试验。研究了同一水力梯度下渗透系数与围压的关系;同一围压下渗透系数与渗透水力梯度的关系;同一水力梯度下,围压逐级加载的渗透系数与一次加载的渗透系数之间的差别。结果表明,粗砂和细砂在同一水力梯度下渗透系数均随围压的增大而逐渐减小,在同一围压下,渗透系数会随渗透水力梯度的增大而逐渐增大;同一水力梯度下,围压逐级加载下的渗透系数明显小于一次加载条件下的渗透系数。根据围压与渗透系数的关系拟合出了两种砂样渗透系数与围压关系的数学表达式。为探究高围压下渗透系数变化的原因,研究了砂样试验过程中的体积变化和试验前后的粒度成分变化。结果表明,围压的施加过程伴随着试样的体积减小,相应的孔隙度减小,渗透系数降低;高围压条件下,砂土颗粒被挤碎成细颗粒,使得砂土的细粒含量增多,孔隙度减小,导致了砂土渗透系数的降低。     

三轴冲击荷载作用下淤泥力学响应研究

利用SPAX-2000（改进型）静动真三轴系统,针对淤泥类超软土进行静动力排水固结试验,研究包括较高频率在内的各冲击荷载频率（1、8、16 Hz）与不同围压（200、250、300 kPa）作用下淤泥的力学响应;此外,结合三轴剪切试验研究不同固结条件对淤泥不排水强度的影响。试验结果表明：（1）在相同冲击频率作用下,试样抗剪强度随着围压增大而提高;围压增大,使得球应力增大,体应变随着增大,有效地促进试样排水固结。（2）相同围压作用下,存在着一个冲击荷载频率阈值,当冲击频率低于这一阈值时,随着冲击荷载频率的提高,轴向应变量逐渐变小,反之逐渐变大。（3）冲击瞬间,体应变为负值,表现为体胀,这与原位试验夯击瞬间的孔隙水压力变化曲线一致,从而验证了高含水率淤泥在冲击作用下的孔压负增长现象。     

不同填充及加载路径下劈裂砂岩渗流特性研究

采用劈裂宜昌砂岩,对中细砂、粗砂及混合砂砂粒填充条件下加载路径、轴压、围压、填充物颗粒粒径及填充物厚度对渗流速度的影响规律进行探讨。研究结果表明,在不同填充物一定的应力情况下,加力路径发生变化,渗流速度也发生变化,这是工程中测量渗流数据离散的原因之一;轴压与渗流速度成线性关系,当围压?3≤1.5 MPa时,围压对渗流的影响较大,当?3＞1.5 MPa时,围压对渗流的影响极小;粒径与渗流速度呈单调递增关系,围压对无填充物的影响大于对有填充物的影响;渗流速度与填砂厚度在一定范围内呈现指数递增关系、研究中给出特定条件下轴压围压与渗流速度的定量分析公式。     

洞庭湖砂纹淤泥质土固结过程微观结构变化

砂纹淤泥质土是一种特殊的夹有微薄层粉细砂的洞庭湖湖相沉积软土,具有独特的薄砂层构造。该软土固结过程中的微观结构变化,对解释宏观的工程现象、揭示土体变形的本质和采取合理的地基处理措施具有重要意义。本文利用X射线微区衍射试验和扫描电子显微镜试验,研究洞庭湖砂纹淤泥质土的矿物成分和微观结构,同时结合固结试验探讨砂纹淤泥质土微观孔隙与结构单元体参数变化特征。研究结果表明:洞庭湖砂纹淤泥质土主要矿物成分为绿泥石、白云母和石英,微观结构为片状或板状聚体结构;随着固结压力增加,等效粒径增长呈先快速后放缓的规律,结构单元体形态参数则先增大后减小;砂纹淤泥质土压缩系数与竖直切面结构单元体定向概率熵呈明显负相关关系。     

油砂力学及热学性质的试验研究

通过对取自新疆克拉玛依风城油田重油储层的油砂进行室温和高温三轴固结排水压缩试验,研究了油砂基本力学和热学性质。研究结果表明：在常温试验条件下,油砂的偏应力-应变曲线可分为弹性阶段、塑性阶段和软化阶段,高温试验条件下则首先会出现压密阶段,不同围压下的体积应变变化规律显著不同;油砂的弹性模量和泊松比均与固结压力有较好的线性关系;高温对油砂的峰值强度、残余强度、泊松比和弹性模量影响很小;油砂的内摩擦角为34°,大小与粗粒土相近,凝聚力为0.47 MPa;油砂的热膨胀系数随围压的增大而增大,环向膨胀系数远大于轴向膨胀系数;围压?3 =5 MPa时存在临界温度,使得油砂的变形在低于或高于临界温度时表现出不同的特点,当温度小于临界温度时,试件的环向变形、轴向变形、体积变形均随温度的升高线性膨胀;当温度大于临界温度时,试件的环向变形、轴向变形、体积变形均随温度的升高线性收缩。最后将风城油砂的性质与加拿大Athabasca和Cold Lake两处的油砂进行了对比,发现3个地区的油砂在强度、变形等方面有很多相似之处,这对风城重油资源的开采具有重要的指导意义。