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。     

Bio-mediated calcium carbonate precipitation and its effect on the shear behaviour of calcareous sand

Calcareous sands have abundant intraparticle pores and are prone to particle breakage. This often leads to poor engineering properties, which poses a challenge to coastal infrastructure construction. A study using bio-cementation to improve the engineering properties of calcareous sand is presented in this paper. The macro- and microscopic properties of bio-cemented calcareous sand were characterized by drained triaxial tests and scanning electron microscopy observations. Experimental results show that the precipitated calcium carbonate can effectively fill the intra- and interparticle pores and bond adjacent particles, thus enhancing the shear strength of calcareous sand. The special structures (e.g. abundant intraparticle pores and rough surface) and mineral components (i.e. calcium carbonate) of calcareous sand are beneficial for improving bacterial retention in soil, which leads to a relatively uniform and dense calcium carbonate distribution on the sand particle surface, exhibiting a layer-by-layer growth pattern. This growth pattern and the abundant interparticle pores would result in less effective calcium carbonate. The strength enhancement of bio-cemented calcareous sand is significantly lower than that of bio-cemented silica sand at the same calcium carbonate content, which may be caused by the differences in the following: (a) soil skeleton strength; (b) the amount of effective calcium carbonate; and (c) interparticle pore-filling of calcium carbonate.

     

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。     

钙质砂中毛细水高度与影响因素试验研究

钙质砂是指富含碳酸钙或其他难溶碳酸盐类的海洋成因的特殊介质,具有形状不规则、多孔隙且富含内孔隙等特点;土体因孔隙特性而存在广泛的毛细现象,植物根茎内的导管有如极细的毛细管,能由此吸收土壤里的水分,故钙质砂地层毛细水上升高度研究对岛礁生态研究有重要的意义。采用竖管法研究级配、粒径、干密度、盐度等因素对钙质砂毛细水上升高度的影响,结果显示：细颗粒含量越多、级配越好的连续级配钙质砂试样毛细水上升高度越高;单一粒径钙质砂试样毛细水上升高度随粒径的增大而减小;随着钙质砂干密度增加,粒径小于0.075 mm时毛细水上升高度逐渐减小,而粒径为0.075～0.250 mm时毛细水上升高度逐渐增大;与淡水相比,在低盐度下NaCl溶液对毛细水上升有抑制作用,海水对毛细水上升有促进但效果微弱。钙质砂中毛细水上升高度随时间变化关系符合双对数坐标下的二次多项式关系,其参量与钙质砂的物理性质以及溶液类型相关。     

Effect of waste rubber particles on the shear behaviour of bio-cemented calcareous sand

Calcareous sand, a special type of sand commonly used for the construction of coastal engineering in tropical coasts, is usually required to be strengthened due to its poor engineering mechanical properties. Microbially induced carbonate precipitation has been proved to be a promising method for this purpose. A higher cementation level generally leads to a greater strength enhancement, but tends to cause brittle failure of bio-cemented calcareous sand, which in turn brings great potential risks for the coastal engineering. Therefore, the shear behaviour, especially the brittle behaviour, of bio-cemented calcareous sand needs to be understood properly, and taking some measures to improve its brittle behaviour is also necessary. In this regard, a series of triaxial compression tests were conducted to study the shear behaviour of bio-cemented calcareous sand with various cementation levels, and the waste rubber particles are used to improve the brittle behaviour of bio-cemented calcareous sand. The test results show that the shear strength of bio-cemented calcareous sand increases with the increase in cementation level, and the brittle behaviour is significant gradually. The waste rubber particles contribute to improve the brittle behaviour of bio-cemented calcareous sand, reducing the dilation of bio-cemented calcareous sand and slowing the changes in dilatancy with the increment of stress.

     

MICP联合纤维加筋改性钙质砂力学特性研究

钙质砂是中国南海岛礁工程建设的主要建筑材料和地基土成份,其具有高孔隙、易破碎和强度低等不良工程地质特性。为改善钙质砂力学性能,提高其工程可靠性,提出利用微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）协同纤维加筋改性钙质砂。文章通过开展无侧限抗压试验以及扫描电镜测试,对比分析不同纤维掺量下MICP固化钙质砂的力学响应特性及微观破坏机理。结果表明：（1）MICP技术能够有效固化钙质砂,并提升其力学强度;（2）纤维能够增加细菌定殖面积,提升碳酸钙沉积量,并由此提升试样延性和韧性,降低刚度;（3）应力应变曲线呈阶梯状多峰特征。在应力上升阶段,砂颗粒和碳酸钙会发生局部破碎;在峰后应力下降阶段,碳酸钙、砂颗粒、纤维的胶结作用增强了纤维的抗拔性能,限制了破坏面的发展;（4）碳酸钙、砂颗粒、纤维的耦合胶结作用是纤维加筋改善试样韧性、延性的根本原因。     

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。     

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。     

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。     

钙质砂物理力学性质初探

钙质砂是一种含CaCO3超过50％以上的粒状材料。其特殊的组构特征,导致了独特的力学和工程性状。文中综述了钙质砂在压缩、剪切等方面的表现及其机理,指出钙质砂力学及工程性能的研究必须综合考虑颗粒破碎、剪胀及颗粒重排列。     

MICP对钙质砂单颗粒的破碎行为影响研究

作为一种特殊的岩土介质材料,钙质砂具有在低压下易破碎的性质。微生物诱导方解石沉淀（MICP）技术得到了广泛的关注和认可,可用来改善钙质砂的破碎特性。文章从室内试验和离散元模拟两个角度分别对钙质砂颗粒MICP固化前后进行单颗粒压碎试验,通过Weibull分布和SEM扫描等探究了MICP对钙质砂颗粒破碎行为的影响。结果表明：离散元模拟得到的生存概率曲线及Weibull模量m值与试验结果均吻合较好,验证了该数值模型的有效性。与室内试验相比,数值模拟可以精确地反映颗粒的裂纹分布及破碎过程,且可以研究同一颗粒MICP固化前后的情形,弥补了室内实验的不足,但其取决于模型参数的选取;经过MICP固化后的钙质砂颗粒表面有明显的方解石结晶生成,颗粒表面及内孔隙分别得到一定程度的包裹和填充,导致颗粒破碎强度有明显的增强且离散性大大降低,破碎模式由“多峰型”向“单峰型”转变,局部裂纹减少,多以表面磨损和直接产生贯穿裂纹为主。     

Single-particle crushing behaviour of carbonate sands studied by X-ray microtomography and a combined finite–discrete element method

This paper investigates the particle breakage behaviour of a carbonate sand based on single-particle compression experiments with in situ X-ray microtomography scanning (μCT) and a combined finite–discrete element method (FDEM). Specifically, X-ray μCT is applied to extract the information on grain morphology and intra-particle pores of carbonate sand particles to establish an FDEM model. The model is first calibrated by comparing the simulation results of two carbonate sand grains with the corresponding single-particle compression experiment results and then applied to model the stress evolution, cracking propagation and failure of other carbonate sand particles under single-particle compression. To study the influence of intra-particle pores, FDEM modelling of carbonate sands with completely filled intra-particle pores is also performed. The particle strength of carbonate sands both with and without pore filling is found to follow a Weibull distribution, with that of the sand with pore filling being considerably higher. This behaviour is associated with lower stress concentration, resulting in later crack development in the pore-filled sand than in the sand without pore filling. The cracks are found to usually pass through the intra-particle pores. Consequently, a larger proportion of particles fail in the fragmentation mode in the sand without pore filling.

     

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。     

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。      

塔中Ⅰ号坡折带上奥陶统礁滩的白云石化及其储集意义

塔里木盆地塔中Ⅰ号坡折带上奥陶统良里塔格组礁滩灰岩发生了少量白云石化作用。白云石化主要发育在溶洞充填的钙质渗流粉砂,泥晶生物碎屑灰岩的泥晶基质,亮晶颗粒灰岩的钙藻屑、藻砂屑、藻泥屑等三种组构中。白云石化直接贡献了平均1%的孔隙度,同时产生的白云石晶间孔为进一步溶蚀提供了通道,对有效储层的形成起到了重要作用。高镁方解石生物是白云石化所需镁离子的重要来源。这套与生物白云石化相关的礁滩储层地质预测需要深入研究钙藻、海百合等生物的古生态、岩相环境及分布。     

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。     

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%。     

基于三维数字图像相关技术钙质砂颗粒运动行为试验研究

桩基附近土颗粒的运动行为与宏观力学表现密切相关,对揭示界面剪切机制具有重要意义。利用自主研制的大型直剪仪,结合三维数字图像相关技术（3D-DIC）全场位移测量分析系统,开展了钢−钙质砂界面循环剪切试验,研究了界面附近砂颗粒的运动行为演化规律。结果表明：界面峰值剪切应力和发挥的界面摩擦角随循环次数的增大而增加,体变特性以剪缩为主;钙质砂颗粒左右移动的幅度与距界面的垂直距离成反比,钙质砂颗粒的位置随循环次数的增大逐渐向正剪切方向移动,试验结束时上剪切盒左侧区域的钙质砂颗粒向正剪切方向移动的距离最大;钙质砂颗粒在单个循环内出现有规律的上下移动,向下移动的幅值更大,位于上层的钙质砂颗粒向下移动的位移值大于下层;钙质砂颗粒的运动速度在沿单方向剪切时,呈现出慢−快−慢的变化规律,位于上剪切盒右侧区域的钙质砂的体变特性较左侧区域更显著;网格位移值和缺失数量随循环次数的增大而增加,在试验后期趋于稳定,试验结束时的破碎带厚度为 6.21 mm。     

剪切作用下钙质砂颗粒破碎试验研究

钙质砂是一种海洋沉积物,与陆源砂比起来,钙质砂受力后易产生颗粒破碎,从而使其力学性质发生变化。对取自南沙群岛永暑礁附近海域的钙质砂进行了不同围压、不同应变下的三轴剪切试验,对试验前后的试样进行了颗粒大小分析试验。试验结果表明,钙质砂在三轴剪切作用下颗粒破碎十分严重,同时用Hardin模型对其破碎进行了度量,并就围压、剪切应变与破碎之间的关系进行了分析。