（岩土工程专业论文）钙质砂基本力学性质及颗粒破碎影响研究.pdf

摘要 摘要 钙质砂是分布于热带海洋中的一种特殊岩土介质，由于其成因和组构上的特点导致 其物理力学性质与常规的陆源砂有所区别。钙质砂质脆，与石英砂比较起来，在较低应 力水平下就会产生颗粒破碎。而海洋工程的一些构筑物往往十分庞大，作为地基的钙质 砂承受的应力水平很高，因此常伴有大量的颗粒破碎产生。实践证明，颗粒破碎是影响 钙质砂力学性质的主要因素，因此对钙质砂在高应力水平下的颗粒破碎研究就显得十分 重要。目前，国内对钙质砂的研究主要集中在低应力水平下的静、动力学性质上，对高 应力水平下的工作开展甚少，而对颗粒破碎的研究则更不多见。本文在大量力学性质试 验的基础上，结合前人的研究成果，对钙质砂基本物理力学性质进行了阐述。钙质砂颗 粒容易发生破碎是缘于其颗粒的低强度，基于此笔者对钙质砂的颗粒强度进行了测试， 结合一维压缩试验，对钙质砂特殊的压缩机理进行了探讨，并就颗粒破碎的影响进行了 详细分析。这对于进一步发展和完善钙质砂力学性质研究，指导处于海洋环境中钙质砂 的实际工程设计、施工与安全性检查，促进颗粒破碎的研究水平，都具有重要的意义。 主要工作如下： 首先，在综述钙质砂研究历程的基础上，对本次试验所用钙质砂的基本物理性质及 试验过程进行了阐述。根据试验目的和要求，设计研制了颗粒强度测试装置，并对不同 粒径的钙质砂颗粒强度进行了测试。运用w e i b u l l 提出的脆性材料强度的统计公式对实 验数据进行了处理。试验结果表明，钙质砂颗粒强度符合w e i b u l l 分布特征，并且随着 颗粒粒径的增大而逐渐降低。 在对钙质砂大量不同终止压力下一维和等向压缩试验的基础上，阐述了钙质砂的压 缩特性；结合不同粒径的钙质砂一维压缩试验与相对应的钙质砂颗粒的强度，对其压缩 机理进行了探讨：在大量剪切试验的基础上对钙质砂的剪切和强度特性进行了分析。 颗粒破碎是本文研究的另一个重点，笔者对所有试验后的试样进行了颗粒大小分析 试验，运用h a r d i n 提出的相对破碎对压缩和剪切作用下的破碎特性进行了描述，并就相 对破碎与应力水平、应变关系进行了探讨：就颗粒破碎对钙质砂宏观力学性质的影响进 行了分析，对颗粒破碎与塑性功、剪胀、应力应变、强度之间的关系进行了研究。 最后，对本文的研究成果进行了总结，并就钙质砂研究方向作了展望。 关键词：钙质砂，颗粒破碎，力学性质，影响，颗粒强度，室内试验 a b f 嗽( 可 s t u d y o nt h ef u n d a m e n t a lm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fc a l c a r e o u ss a n d a n dt h ei n f l u e n c eo f p a r t i c l eb r e a k a g e j i a - m i n gz h a n g ( g e o t e c h n i q u ee n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f r e nw a n g b s t r a c t ：c a l c a r e o u ss a n di sas p e c i a lm a r i n eg e o t e c h n i c a lm e d i u m ，w h i c hh a su n e x p e c t e d 9 h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yd u et oi t so r i g i na n d f a b r i c a n dc a l c a r e o u ss a n dg e n e r a l l y - o n s i s t so ft h er e m a i n so fm a r i n eo r g a n i s m s ，w h i c ht e n dt oc r u s h r e l a t i v e l ye a s i l yu n d e r1 0 a d ， ：o m p a r e dt ot e r r i g e n o u sm a t e r i a l s w l l i l et h eo s h e r ec o n s t r u c t i n gs t r u c t u r e sa r eo f t e nv e r y a r g ea n dt h es t r e s si nt h ef o u n d a t i o ni sv e r yh i g h i ns u c hc a s e ，t h ep a n i c l ec r u s h i n go f s a n d 【s v e r ys i g n i f i c a n t i ti sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ep a r t i c l ec r u s h i n gi sam a i nf a c t o ra f f e c t i n gt h e 3 r o p e r t y o fc a l c a r e o u ss a n d s oi ti s v e r yi m p o r t a n t t o s t u d yt h ep a r t i c l ec r u s h i n g o f = a l c a r e o u ss a n du n d e rh i g hs t r e s sl e v e l s c u r r e n t l y , i no u rc o u n t r yt h es t u d yo nt h ec a l c a r e o u s ；a n dh a sb e e nc o n c e n t r a t e do nt h eb a s i cs t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa tl o wp r e s s u r e ， , h i l et h er e s e a r c hu n d e rh i g hp r e s s u r ea n dp a n i c l ec r u s h i n gi sn o ts om u c h i nt l l i ss t u d y , s e r i a l so fc o m p r e s s i o na n ds h e a rl a b o r a t o r yt e s t so v e raw i d er a n g eo fp r e s s u r e sw e r ec a r r i e d o u to nc a l c a r e o u ss a n dt a k e nf r o m 也es o u t hc h i n as e a ，a n dt h ef u n d a m e n t a lm e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ei n f l u e n c eo fp a n i c l ec r u s h i n gw e r ea l s op r e s e n t e dt h o r o u g h l y i nf a c t ， t h el o w s t r e n g t ho fp a r t i c l ei s 血er e a s o no f i t st e n d i n gt oc r u s hg a s i l yu n d e rl o a d a c c o r d i n gt o t h i s t h ea u t h o rp r o c e e d e das e r i a l so fs t r e n g t ht e s t so n 血ec a l c a r e o u ss a n dp a r t i c l e sw i t h v a r i o u ss i z e s i t i s v e r ys i g n i f i c a n t t 0 d e v e l o p a n d p e r f e c t t h em e c h a n i c a lb e h a v i o r i n v e s t i g a t i o no fc a l c a r e o u ss o i l s ，g u i d ed e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n da s s e s s i n gt h es t a b i l i t yo f p r a c t i c a lp r o j e c t si nm a r i n ec o n d i t i o na n dp r o m o t er e s e a r c hl e v e lo fp a r t i c l ec r u s h i n g t h e m a i nw o r kc a nb ec o n e l u d e da sf o l l o w s f i r s t l y ，b a s e do nt h eo v e r v i e wo ft h er e s e a r c hh i s t o r yo f c a l c a r e o u ss a n d ，t h ed e t a i l so ft h e t e s t i n gp r o c e d u r e sa n dt h em a i np h y s i c a lp r o p e r t yo ft e s t i n gm a t e r i a lw e r ep r e s e n t e d t h e t e s t i n gd e v i c eo fi n d i v i d u a lp a r t i c l es t r e n g t hw a sd e s i g n e da n di n d i v i d u a lc a l c a r e o u ss a n d p a r t i c l e sw i t hv a r i o u ss i z e sw e r et e s t e d u s i n gt h ew j i b u ud i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ，t h ea u t h o r a n a l y z e dt h et e s t i n gd a t a t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep a r t i c l es t r e n g t ho fc a l c a r e o u ss a n d ，a s m e a s u r e db yc o m p r e s s i o nb e t w e e nf i a tp l a t e n s ，d e c r e a s e sa st h ep a n i c l es i z ei n c r e a s e s i ti s d e m o n s t r a t e dt h a tp a r t i c l es t r e n g t ho fc a l c a r e o u ss a n de x h i b i t sw e i b u l l i a nb e h a v i o r b a s e do nas e r i a l so fo n e d i m e n s i o n a la n di s o t r o p i cc o m p r e s s i o nt e s t sw i t hv a r i e ss t r e s s l e v e l s t h ea u t h o rt h e na n a l y z e dt h ec o m p r e s s i o nb e h a v i o ro fc a l c a r e o u ss a n di nd e t a i l e d t h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no ft h ep a n i c l es t r e n g t ha n do n e - d i m e n s i o n a lc o m p r e s s i o nb e h a v i o r w i t hd i f f e r e n tp a r t i c l es i z e ，t h ea u t h o rt r i e dt or e v e a lt h em e c h a n i s mo fs p e c i a lc o m p r e s s i o n b e h a v i o ro fc a l c a r e o u ss a n d t h eb e h a v i o ro fs h e a ra n ds t r e n g t ho fc a l c a r e o u ss a n do v e ra w i d er a n g eo fs t r e s sl e v e l sw a sa l s od i s c u s s e di nt h et h e s i s t h ep a r t i c l ec n l s h i n gi s8 1 1 0 t h e rr e s e a r c hp o i n ti n t h i st h e s i s ，s oa l lt h es a m p l e sw e r e s i e v e da f t e rt e s ta n dt h ec r u s h a b i l i t yo fc a l c a r e o u ss a n dw a sq u a n t i f i e du s i n gh a r d i nm o d e l t h ei n f l u e n c eo fp a n i c l ec r u s h i n go nt h em e c h a n i c a lb e h a v i o rw a sa n a l y z e di nt h et h e s i s t h e r e l a t i o no ft h er e l a t i v eb r e a k a g e 、p l a s t i cw o r ka n dd i l a t a n c yw a sa l s od i s c u s s e d f i n a l l y , t h ea c h i e v e m e n t so f t h i st h e s i sw e r es u m m a r i z e d ，a n dt h er e s e a r c hd i r e c t i o no ft h e c a l c a r e o u ss a n dw a sa l s op r e s e n t e d k e y w o r d s ：c a l c a r e o u ss a n d ，p a n i c l eb r e a k a g e ，m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，i n f l u e n c e ，p a n i c l e s t r e n g t h ，l a b o r a t o r yt e s t 独创性声明 y 6 6 8 3 04 本人声明，呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得 中国科学院武汉岩土力学研究所或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一起工作过的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：之衫咨诌日期：加驴蛑6 月9 日 关于论文使用授权的声明 本人完全了解武汉岩土力学研究所关于保留、使用学位论文的规 定，即该所有权保留、送交论文的复印件、允许论文被查阅和借阅； 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 作者签名：意匕应验导师签名： 日期：押驴年4 月，t 9 |日期纱庐二月f 日 讹 、 第一章绪论 第一章绪论 1 1 钙质砂” 钙质土通常指富含碳酸钙或其它难溶碳酸盐类物质的特殊介质，它是海洋沉 积物中的一种，多发现于北纬3 0 。和南纬3 0 。之间、属热带或亚热带气候的大陆 架和海岸线一带。在我国南海诸岛、红海、阿拉伯湾南部、印度西部海域、澳大 利亚西部大陆架和巴斯海峡、北美的佛罗里达海域、中美洲海域及巴巴多峡等地 都有分布。它的主要矿物成份为碳酸钙，是长期在饱和的碳酸钙溶液中，经物理、 生物化学及化学作用过程( 其中包括有机质碎屑的破碎和胶结过程，以及一定的 压力、温度和溶解度的变化过程) ，而形成的一种与陆相沉积物有很大差异的碳 酸盐沉积物。由于其沉积过程大多未经长途搬运，保留了原生生物骨架中的细小 孔隙等原因，形成的土颗粒多孔隙( 含有内孔隙) 、形状不规则、易破碎、颗粒易 胶结等，使得其工程力学性质与一般陆相、海相沉积物相比有较明显的差异。其 形成时的沉积环境条件，如水深、温度、海进海退以及波浪和海流能量的高低， 直接影响着土颗粒类型的选择农胶结程度， 钙质土的沉积主要来自：( 1 ) 钙质生物骨架，如珊瑚礁、贝壳等的破碎、搬 运和沉积：( 2 ) 碎屑物，如古老灰岩的破碎、搬运和沉积：( 3 ) 水中的碳酸盐类物 质因温度、压力等发生变化而在溶液中沉积。事实上，生物成因的钙质土占主要 部分。钙质土多为粒状土或碎屑土，极少有细颗粒，因此钙质砂就成为人们研究 的重点。 钙质土颗粒主要有四种形态：( 1 ) 骨架式颗粒，由海洋有机物形成，是海洋 生物的残留物，这是钙质的主要来源；( 2 ) 泥质颗粒，主要是一些实心的卵状或 球形颗粒，它本身的结构性很弱，甚至有的为海洋生物粪便；( 3 ) 碎屑，是由其 它沉积物及岩石中分化、剥离下来的岩石碎屑组成 ( 4 ) 包粒，是有核或无核的 钙质碳酸盐层包裹而成的颗粒，主要有鲕粒、豆粒和结壳珊瑚粒。 这些不同形状的颗粒以各种形式组合在一起，形成钙质土的骨架。从光学岩 相显微镜下可以观察到生物碎屑岩和碎屑岩之间的明显区别，即骨架式颗粒和粒 钙质砂基本力学性质及颞控破碎影响研究 间孔隙的大量存在。从矿物成份上看，碳酸钙是以方解石和文石的形式存在，它 们的比重分别为2 7 0 和2 9 3 ，其表面莫氏硬度分别为3 o 和3 5 ，这是钙质砂 高比重和易破碎的主要原因。 综上所述，钙质砂主要有以下特点： l 、多为生物成因，颗粒性质受原生生物骨架的影响，颗粒中含有内孔隙； 2 、孔隙比高，一般在0 7 至2 5 之间，而普通石英砂孔隙比为o 4 至0 9 之间，高孔隙比可能是钙质砂具有高压缩性的主要原因； 3 、比重大，常为2 7 2 至2 8 0 之间，而普通石英砂为2 6 5 至2 7 0 之间； 4 、碳酸钙含量高，通常大于8 0 。众所周知。方解石的莫氏硬度为3 ，而石 英为7 ，因此钙质砂颗粒在受力时容易破碎。据资料显示，引起工程问题的钙质 土的碳酸钙含量一般大于5 0 。 本次试验研究的钙质砂取自南沙群岛永暑礁附近海域，为未胶结的松散体， 主要成分为珊瑚碎屑，其颗粒主要为骨骸颗粒。 1 2 钙质砂力学性质研究历史与现状“1 ”1 文献中首次出现钙质土沉积地层是6 0 年代初。1 9 6 8 年，在伊朗l a v a n 石油 平台建设中，直径约为1 1 i 】的打入桩在穿过约8 m 的良好胶结地层后，仅在其自重 的作用下下沉了近1 5 m ，由于当时桩的抗拔要求不高，人们没有在意，错过了一 次揭示钙质土特殊工程力学性质的机会。 此后，埃索石油公司在澳大利亚的b a s s 海峡兴建石油平台，在旌工过程中 发现桩的贯入度很高，于是引起了人们的注意，决定对桩进行抗拔试验，试验结 果发现其抗拔力只达到设计值的2 0 ，岩土工程师在无法弄清事故原因的情况下， 仅将未施工的桩改为钻孔压浆桩，为此付出了昂贵的代价。 在此后，钙质土相继在澳大利亚、菲律宾、印度、巴西等国海域的石油平台 建设过程中被发现，由此导致了一系列的工程问题。澳大利亚西北大陆架的n o r t h r a n k i n a 石油平台是迄今为止在以钙质土为主的地层中建设的最大的结构 物。设计要求的直径为1 8 3 m 的桩具有极高的承载力和很高的贯入度，接个桩身 都位于钙质土层中。为此进行了一系列反复的场地调查和工程试验，但最后桩基 2 第一章绪论 检测结果表明该桩并没有满足设计要求，在此后尽管采取了一系列补救措施但都 劳而无功。这样，经过近二十多年的实践，人们终于认识到钙质土是一种新型的 岩土介质，不能用传统的方法进行处理，并开始对其力学与工程特性进行研究。 国际上对于钙质土的研究曾因n o r t hr a n k i n a 石油平台工程问题在八 十年代掀起了研究热潮，其中比较著名的有澳大利亚的悉尼大学、m o n a s h 大学、 西澳大利亚大学、英国的剑桥大学、s h e f f i e l d 大学和地质工程顾问公司、美国 的m c c i e l l a n d 工程公司、印度的f a r m a g u d i 工学院以及日本的山口大学等。这 中间主要分为两种类型，一种是以澳大利亚的悉尼大学、西澳大利亚大学为首的 工程实用型，他们的研究方法主要是通过大量的野外和室内试验，以期从试验结 果中总结出能用于实际工程设计的各种方法、指标等；另一种就是通过室内试验 和理论分析，以期在理论上有所突破，这种类型一般为非澳大利亚人员。研究不 具有持久性和规模性。其中澳大利亚各大学的研究从理论到实践都具有很强的实 力，对钙质土的工程性质研究做出了重要贡献。1 9 8 8 年在澳大利亚p e r t h 举行 的钙质沉积工程会议系统地总结了钙质土近二十年的研究成果，是国际钙质土研 究的高峰。近年来，只有零星的有关钙质土的文献发表，而且其基本理论和方法 并无新的突破。 7 0 年代中后期，由于国防的需要，我国自行开始了珊瑚礁和灰沙岛的现代 化工程建设，相应地开展了一系列工程地质现场和室内的勘察测试和试验，解决 了工程建设中的一些问题，总结了一些经验，但并没有进行深入系统地研究。在 我国的钙质土研究历程中，海军和中国科学院做出了重要的贡献。由于国防的需 要，海军在钙质土地基上需要修建各种营房、码头、仓库等设施，为此在南海诸 岛上进行了大量的工程地质勘察和工程实践，有力地推动了我国钙质土土力学的 发展。中国科学院于“六五”计划期间首次组织了中国科学院南沙科学考察队， 首次开始对钙质土进行研究。“七五”期间，中国科学院南沙综合科学考察队在 永暑礁礁坪上钻探了“南永一井”，直到八十年代中后期中国科学院在南沙群 岛及其邻近海域的科学考察中，才开始对珊瑚礁工程地质和钙质土的物理力学性 质展开全面深入的研究。中国科学院武汉岩土力学研究所汪稔研究员负责了 “八- 五”、“九五”珊瑚礁工程地质攻关课题，进行了一系列的物理力学性质 试验，取得了丰硕的成果，已出版专著南沙群岛珊瑚礁工程地质( 科学出版 钙质砂基本力学性质及颗粒破碎影响研究 社，1 9 9 7 ) 。在国内开创了珊瑚礁工程地质及其物理力学性质的研究领域。 关于钙质土的基本静力学性质，综合国外有关文献及中国科学院武汉岩土力 学研究所汪稔、刘崇权、单华刚、虞海珍、孙吉主以及中国科学院力学研究所吴 京平、褚瑶、楼志刚等的研究成果o ”3 ，钙质砂静力学性质具有如下特征； 1 、钙质土的压缩特性 c o o p ( 1 9 9 0 ) 。1 的研究表明，钙质土的压缩性与粘土类似。当压力超过某一值 时，颗粒破碎对钙质土的压缩特性起控制作用。 钙质土的固结特性受碳酸钙含量、胶结状况、沉积年代等的影响。研究表明， 碳酸钙含量越高，回弹k 值越低；沉积年代越久，其强度越高，压缩性越小。 由于钙质土胶结特性与沉积时周围的水文地质环境有关，年代效应也部分通过胶 结作用来影响压缩特性。因此，胶结状况是主要影响因素。 p o u l o s ( 1 9 8 0 ) “等发现，钙质土具有明显的蠕变性。在时间对数坐标系中， 变形成线性增加，一般情况下次固结系数c i 随应力的增加而增加，c i 值趋近于 0 0 0 3 。 2 、钙质土的剪切特性 c o o p ( 1 9 9 0 ) 删的研究表明，钙质土的排水剪切有趋向一个定体积、定差应力 方向发展的趋势，与粘土类似。当试验中有效围压增大时，土的初始状态从超固 结变为正常固结，需要高应变去达到最终状态，如果达到足够高的应变，各试验 的最终应力比可能会相同。 f a h e y ( 1 9 8 8 ) “o 认为，钙质土排水剪在高围压与低围压下有明显的不同。在 低围压下，初期响应呈刚性，紧接着有一个屈服点，然后是应变硬化阶段。而在 高围压下，初期的反应比较弱，无明显屈服点，许多情况下甚至没有屈服点。 在不排水剪切试验中。对石英砂而言，孔压在初期由于颗粒的重排列，孔压 增加，平均有效应力减小，随后剪胀产生了负孔压，平均有效应力增加，应力路 径趋向于临界状态。钙质砂则不同，在初期有很高的正孔压产生，导致平均有效 应力减小，达到峰值后，孔压稍有降低，平均有效应力增加，应力路径趋向于临 界状态。 一般地，钙质土的有效内摩擦角比多数石英砂要大，m o h r 包络线呈非线性 特征。钙质土的抗剪强度受碳酸盐含量、相对密度、应力历史、胶结度、颗粒破 4 第一章绪论 碎等方面的影响。 1 3 土体颗粒破碎研究进展。2 1 土体颗粒破碎是指组成土的颗粒在外部荷载作用下产生结构破坏或破损，分 裂成粒径相等或不等的多个颗粒。颗粒破碎会引起土体级配的改变，从而使其物 理力学性质发生变化。 土体颗粒破碎现象早在上世纪初就引起了人们的注意。b l a c k w e l d e r ( 1 9 2 0 ) 、 t e r z a e , h i ( 1 9 2 5 ) 、a t h y ( 1 9 3 5 ) 、b o t s e t & r e e d ( 1 9 3 5 ) 等通过一系列简单的试验研究， 认为颗粒材料即使在高达8 5 m p a 的情况下其破碎置都是很小的。因而在相当长 的一段时间内颗粒破碎未引起人们的注意，很少有人从事这方面的研究。 同样是t e r z a g h i 的发现引起了人们对这一现象的重视。t e r z a g h i p e e k ( 1 9 4 8 ) “”对砂样进行压力高达9 6 5 m p a 一维压缩试验时，发现颗粒破碎十分显著。 此后，麻省理工学院一些学者就颗粒破碎是否会对石油沉积层产生重要影响 而进行了一系列试验研究。d es o u z a ( 1 9 5 8 ) 对三种不同的砂进行了试验，压力高 达1 3 8 m p a 。试验结果表明，在压缩过程中压缩指数发生变化处出现了一个临界 破碎点。颗粒分析结果表明，在高于破碎点的应力作用下，破碎相当明显；初始 相对密度越高，相应于破碎点的应力也越高；颗粒棱角度的增加会使破碎点的应 力降低；但是中间粒径的减小会使破碎点的应力变大。他还注意到加载越缓慢， 破碎越显著。 h a r r e m o e s ( 1 9 5 9 ) 研究了颗粒矿物成分对其破碎特性的影响，在高达1 3 8 m p a 的应力作用下，他发现矿物和晶体尺寸的改变并不会影响破碎点的应力。 r o b e r t s ( 1 9 6 4 ) 用相同材料进行了试验，压力高达2 7 6 m p a ，结果与d es o u z a 和h a r r e m o e s 的非常相似。 h e n d r o n ( 1 9 6 3 ) 对一系列砂样进行了一维压缩试验，最高压力为2 7 m p a ，他 发现相对密度的提高会使破碎应力增大，在破碎应力以上，表现出的性质与麻省 理工学院得到的结果一致。棱角度的增加会降低破碎应力；但是中间粒径变大会 使破碎应力提高，这和d es o u z a 的结果正好相反。 与此同时，d e b e e r ( 1 9 6 3 ) “”为了对t e r z a g h i p e e k ( 1 9 4 8 ) 提出的说法进行验 证，即在9 8m p a 以下，破碎可以忽略不计；在9 8 m p a 以上，随着应力的增加， 5 钙质砂基本力学性质及颗粒破碎影响研究 破碎急剧降低。他对均匀砂样进行了一维压缩试验，发现应力为1 5 m p a 时，破 碎变得相当明显，而在3 4m p a 以上，随着应力的增加破碎逐渐降低。 k j a e m s l i s a n d e ( 1 9 6 3 ) “”研究发现在给定的应力下，不规则、表面粗糙的 颗粒更易发生破碎。 h a l l g o r d o n ( 1 9 6 3 ) 发现在给定的应力条件下，级配良好的砂的要比级配不 良的破碎程度小的多。 m a r s a l r j ( 1 9 6 5 ) 在对土的抗剪强度进行讨论时，提出了一种表示破碎度量 的方法，他以试验前后试样粒组百分含量的正值之和来表示破碎率。两年以后， 他对堆石料进行大规模试验后认为，影响材料抗剪强度与压缩特性最重要的因素 是当材料受力后应力状态发生改变时引起粒状材料颗粒本身的破碎“”。 l e e f a r h o o m a n d ( 1 9 6 7 ) “”在对土石坝反滤材料进行研究时提出了一种表 示破碎的方法，他们研究的目的是验证大量颗粒破碎是否会堵塞坝体的反滤层。 他们对砂样进行了一系列的等向加载和比例加荷试验，提出用颗粒粒径变化的比 值来表示颗粒的破碎程度，即用破碎前后试样某含量的粒径比值表示，这种方法 表示的破碎率为试验前后级配曲线上某含量相应点的水平差距，比较简单直观， 但对反映整体变化情况欠佳。 v e s i c 、c l o u g h ( 1 9 6 8 ) “”对c h a t t a h o o c h e c 河砂进行了一系列的三轴压缩试验， 提出了临界破碎点的概念。临界破碎点实际上就是消除了所有初始孔隙比影响的 一个临界点，在这个点以上，任何初始孔隙比的影响都将消失，压缩曲线趋于一 致。限于试验条件所限，所有的三轴试验压力均低于1 3 8 m p a 。 n o r i h i k om i a r a s a k e0 h e r a ( 1 9 7 9 ) 洲在研究颗粒材料剪切过程中的颗粒破 碎时，提出了用试样颗粒比表面积增量来表示颗粒破碎数量。 为了克服以往对破碎度量时只考虑某单一粒径或某一含量的缺点， o h a r d i n ( 1 9 8 5 ) 。”引入了破碎势的概念( p o t e n t i a lf o rb r e a k a g e ) ，提出了一种表示 破碎的方法，破碎势( b p ) 即颗粒破碎的可能性。该法认为颗粒破碎的可能性随颗 粒粒径的增大而增大，在高应力作用下大颗粒将破碎成粉粒，而粉粒则被认为是 不可继续破碎的，他还定义了相对破碎。 为了就中间粒径对颗粒破碎的影响做出充分认识，h i t e ( 1 9 8 5 ) 选用o t t a w a 砂、b l a c kb e a t y 矿碴和纯方解石片进行了一系列试验，压力高达3 4 5 m p a 。由于 6 第一章绪论 方解石在试验后无法分离，且结果都很离散，所以没有得到有用的结果。砂试样 表明，松散的试样在压力作用下要比密实的试样的破碎明显的多。压力在1 0 3 m p a 至3 4 5 m p a 之间时，随着压力的增加，破碎变得非常明显，这有别于d e b e e r 的 结果和t e r z a g h i 、p e e k 在1 9 4 8 年提出的假设。 为了验证破碎是否会在高压下停止，z s t e r l e ( 1 9 9 0 ) 对疏松的砂样( o t t a w a 砂、 b l a c kb e a t y 矿碴) 进行了压力高达6 8 9m p a 的压缩试验，得到的结果与h i t e 的 一致。 h a g e r t y 等( 1 9 9 1 ) 对不同砂样进行了试验，压力高达6 8 9m p a 。他发现随着 颗粒棱角度和尺寸的增加，颗粒破碎明显加剧；疏松砂样的初始破碎应力要比密 实砂样的低。 m c d o w e l l 等( 1 9 9 6 ) 。”运用分形理论对颗粒破碎进行了研究，并对其进行了简 单的二维分形模拟，得出一些工程材料的分形维数为2 5 。 1 9 9 9 年7 月在日本山口大学召开的国际土体破碎会议，系统的总结了几十年 来土体颗粒破碎的研究成果，是土体颗粒破碎研究发展史上的里程碑。 相比之下，国内对颗粒破碎研究的文献则不多见。蒙进等( 1 9 8 9 ) 1 对四川瀑 布沟黑马料场的冰碛土的颗粒破碎进行了研究。他在研究其应力应变关系时指 出，在高压下，剪胀已不是影响应力应变特性的主要因素，起影响作用的是颗粒 破碎。颗粒破碎与围压和应变也有很大的关系。在中低压范围内，颗粒破碎主要 是受应变大小控制；随着应变的增加，总破碎量是以减速率增加的，因而应变特 性呈硬化型或弱软化型；而在更高的围压下，由于一开始颗粒就承受了较大的压 力，因而在应变较小时颗粒破碎就达到很大。当应变较大时，颗粒破碎量的增加 率比中低围压下的还要小，总得破碎量增加更慢，所以在这种情况下，应力应变 曲线呈明显的软化特性。 马巍等( 1 9 9 5 ) 1 利用扫描电子显微镜，对饱和冻结兰州砂土在5 c 和围压 ( o 2 2 m p a ) 下进行了结构观测，结合围压对强度影响的宏观特征分析发现在高 压下颗粒破碎导致了冻土强度急剧下降。 郭熙灵等( 1 9 9 7 ) “”通过对三峡花岗岩风化石碴的三轴试验和平面应变试验， 结合日本森吉山安山岩和玄武岩的三轴试验结果，综合分析了颗粒破碎规律及有 关力学特性，分析了破碎与剪胀及破碎强度分量的关系。 钙质砂基本力学性质及颖粒破碎影响研究 温彦锋等( 2 0 0 0 ) 嘶1 在对强风化防渗土料的渗透特性进行研究时，发现增加击 实功可有效提高土料的颗粒破碎程度，另外他还发现，随着含水量的增加，土的 颗粒破碎程度也逐渐加剧。 孙吉主等( 2 0 0 0 ) 。”在对钙质砂进行研究时，发现颗粒破碎会导致钙质砂的声 发射。他指出，钙质砂的声发射就是在变形的过程中，由于颗粒破裂使聚积的能 量突然释放而产生的一种弹性波，因此声发射活动反映了钙质砂的损伤程度。他 将声发射从岩石研究中引入钙质土颗粒破碎的研究中，必将对深入认识颗粒破碎 产生重要影响。 汪稔等( 2 0 0 2 ) 。”在对钙质砂进行研究时，针对钙质砂在低应力水平下的破碎 现象，指出其变形在微观上存在着颗粒破碎与滑移两种机制的耦合作用，并分别 采用弹性损伤模型和边界面塑性模型予以描述，对建立钙质砂可靠的本构关系做 了新的尝试。 综观目前国内外颗粒破碎的研究情况，不难发现人们的注意点尚集中在对产 生破碎影响因素的认识上，对破碎本身的机理则缺乏系统的认识，至于破碎对土 体宏观力学性质的影响研究工作开展甚少，至多只处于定性分析阶段。钙质砂这 种新型岩土介质的出现，为人们研究颗粒破碎提供了良好的研究材料，对钙质砂 颗粒破碎的研究不但是研究钙质砂本身的需要，而且对促进颗粒破碎的研究水平 也将具有积极意义。 1 4 本文所做的主要工作 在我国南海海域分布着大量的钙质砂，随着南海诸岛开发和保卫的需要，尤 其是近十年来对南海石油资源的勘探和开采以及岛礁旅游业的开发，岛礁和海上 现代化工程数量将日趋增多，规模也将更大，此时对钙质砂开展系统的研究，有 着重要的现实意义和理论价值。不仅可为珊瑚礁工程正确规划与合理设计、施工 提供科学依据，还有助于评价已建工程出现的裂缝、渗漏、塌陷等问题的整治措 施。 国外对钙质土的研究高峰集中在上世纪八十年代，近几年已很少有相关文献 发表。另一方面，钙质土的性质与本身的沉积环境，碳酸钙的含量有很大关系， 国外学者所做的关于钙质土的研究，只是地区性和经验性的，并不能无条件地适 8 第一章绪论 用于各类钙质土层。我国的研究者虽然对南沙的钙质砂做了大量的研究工作“ ”1 “3 “，但他们所进行的试验一般只是在常应力水平下开展的，颗粒破碎十 分有限，故未对颗粒破碎进行深入研究。由于海上建设的石油平台等结构物往往 十分庞大，作为地基的钙质砂承受的应力水平相当高，因此开展钙质砂高应力水 平下力学特性的研究有着重要意义。已有资料表明颗粒破碎是影响钙质砂高应力 下的力学特性的一个重要因素( 如前所述，钙质土层中各种桩基工程事故的出现， 在很大程度上是缘于钙质砂的颗粒破碎。我们2 0 0 2 年在南砂群岛考察时，在礁 坪上进行原位测试也发现了同样的问题，在进行扁铲原位测试时发现探头在贯入 的过程中，贯入阻力非常大，但在探杆拔出时则非常轻松，这可能是因为在贯入 的过程中探杆周围的砂颗粒发生了破碎，使其棱角度降低，应力发生松弛所致) ， 因此对钙质砂颗粒破碎的研究及其对力学性质的影响是正确认识钙质砂力学特 性的前提。本文作为汪稔研究员承担的国家自然科学基金项目“钙质砂的破碎机 理及桩基工程承载性状研究”以及科技部“十五”南沙群岛及其邻近海区综合调 查项目子题“珊瑚礁钙质土的剪胀和颗粒破碎耦合机理与本构模型”的一部分内 容，对南沙群岛永暑礁的钙质砂进行了大量的力学试验，并在对不同粒径钙质砂 颗粒强度试验的基础上，结合中国科学院武汉岩土力学研究所汪稔研究员及其课 题组的研究成果以及国内外对钙质砂的研究成果，对钙质砂力学性质进行了深入 的研究并试图揭示钙质砂特殊的压缩特性机理。具体内容如下： ( 1 ) 对钙质砂与颗粒破碎的研究历史与现状进行了综述； ( 2 ) 扼要介绍了本次试验所用钙质砂的基本物理性质，对试验的基本情况进 行了详细说明； ( 3 ) 设计研制了颗粒强度测试装置，并对不同粒径的钙质砂颗粒强度进行了 测试，运用w e i b u l l 经验公式对测试结果进行了分析处理； ( 4 ) 在力学性质试验的基础上对钙质砂的压缩特性进行了研究； ( 5 ) 阐述了钙质砂的剪切和强度特性； ( 6 ) 分析了钙质砂在压缩和剪切条件下的破碎特性，并就颗粒破碎对钙质砂 宏观力学性质的影响进行了分析； ( 7 ) 对本文所取得的结论进行了归纳总结，展望了钙质砂的研究发展方向。 9 钙质砂基本力学性质及颗粒破碎髟响研究 第二章钙质砂基本力学性质试验 在钙质砂的工程性质中，其力学性质是起决定性的个方面，鉴于目前的研 究程度，采用常规的土工试验方法对其力学性质进行了测试，但又根据钙质砂的 特点，对试验步骤进行了一些改进，其主要目的是在与普通土基本相同的试验条 件下，揭示钙质砂特殊的力学性质。 2 。1 试验材搴； 21 1 试样来源 试样取自南沙群岛永署礁附近海域，为未胶结松散珊瑚碎屑沉积物。由于该 地区是我国南沙考察的重点，以该地区土样作为试样具有代表性，且可与其它资 料相对比。试验前取适量砂样经清水洗掉盐分后烘干备用。由于试样中粒径大于 2 m m 颗粒所占比例较低，为了便于控制试验条件和结果的分析，对原始试样进 行了初筛，除掉粒径大于2 m m 的部分，保留2 m m 以下的所有部分。试样初始级 配如图2 1 所示，属级配良好土。试样基本物理参数如表2 1 。从颗分曲线可以 看出，砂为中砂。砂颗粒多为珊瑚残枝，海生生物的骨架，以及一些包裹体，多 为不规则状，颗粒形状如图2 2 所示。 表2 1 试样基本物理参数 e 。c 玎o a xd 6 0 ( m m ) d s o ( r a m )d 1 0 ( m m ) 比重g s c 。( d d 1 0 ) 1 0 51 4 60 4 2 00 3 7 70 2 0 82 7 92 2 0 丑 1 0 0 蠢 8 0 蝠 6 0 型誊4 。 蒸：。 害 。 | | 。 粒径， 图2 - i 试样初始颗分曲线 l o 第二章钙质砂基本力学性质试验 图2 - 2 试样典型颗粒形状 2 1 2 试样基本物理性质 1 、碳酸钙含量 碳酸钙含量是钙质砂区别于一般石英砂的主要指标。所谓的碳酸钙含量是指 将钙质砂土中碳酸钙、碳酸镁等难溶碳酸盐全部等效为碳酸钙的等效碳酸钙含 量。按照国际通用分类标准，海洋土中等效碳酸钙含量超过5 0 时，其力学性质 将发生较为显著的变化。该土则称为钙质土。一般钙质砂沉积海域离大陆越近则 碳酸钙的含量越少。 根据我国南沙群岛永暑礁南永一井的分析结果”1 ，未胶结的砂土全是碳酸盐 生物的骨壳，造礁和礁栖生物骨壳的矿物成份主要为文石和高镁方解石，方解石 质骨壳很少。永暑礁的珊瑚砂矿物成份中，文石占3 3 - 4 7 ，高镁方解石占 5 3 - 6 7 。按照相应的试验规范方法测定，其等效碳酸钙含量高达9 6 7 ，是现 有文献报导中最高的“3 ，是名副其实的钙质砂。 2 、比重 比重是一项直接测定的指标，一般变化不大，同时比重主要是用以计算孔隙 比，进而计算压缩性等指标。它的变化对其它计算值影响不大，故新版岩土工 程勘察规范允许根据经验判定，一般石英砂的比重为2 6 5 。 土工试验方法标准) ) ( g b t5 0 1 2 3 1 9 9 9 ) 规定，测定比重的方法有比重瓶法、 浮称法、虹吸简法。粒径小于5 0 r a m 的采用比重瓶法；粒径等于、大于5 0 m m 的土，其中大于2 0 0 m m 的颗粒含量小于1 0 时，采用浮称法；粒径等于、大于 5 0 m m 的土，其中大于2 0 0 m m 的颗粒含量大于或等于1 0 时，采用虹吸筒法， 表2 2 是各种方法测得的南沙群岛附近海域钙质砂颗粒比重结果。其中有两点值 钙质砂基本力学性质及颗粒破碎影响研究 得注意，一是由于钙质砂颗粒表面往往含有易溶盐及碳酸钙的微溶于水，使得以 煤油作介质比纯水作介质所测得的比重要小；二是由于钙质砂颗粒中往往含有内 孔隙等因素，使所测得的颗