三轴排水剪切下钙质砂的颗粒破碎特性

颗粒破碎是影响粒状土的变形和强度机理的重要因素。为了研究钙质砂在剪切过程中的颗粒破碎特性及其对变形和强度性质的影响,对3种不同初始分布的钙质砂进行了不同围压下的三轴排水剪切试验。结果显示:初始分形的粒径分布在三轴剪切过程中始终保持着较为严格的分形特性,该现象与各粒组中的破碎颗粒主要向相邻的下一级粒组中迁移的机制有关。钙质砂的应力–应变特性与围压大小和初始粒径分布有关,围压越低,初始粒径分布越不均匀,钙质砂的剪胀效应越显著。随着围压的增大,钙质砂的剪胀倾向减少,并逐渐过渡到剪缩状态。钙质砂的破碎率随剪切过程中的应力和应变的增长而增大,其峰值内摩擦角随着破碎率的增大而降低,最后趋于定值。用非线性的指数函数来描述峰值内摩擦角与破碎率的相关关系,揭示了颗粒破碎对钙质砂抗剪强度的影响规律。     

钙质砂剪切特性试验研究

 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下的三轴排水剪切试验,试验结果表明,钙质砂在三轴剪切试验中的应力–应变关系随围压而发生变化,在低压时与普通陆源砂相近,而在中、高围压时表现出陆源砂高围压时的力学性质。在剪切过程中由于颗粒破碎导致封闭的内孔隙释放,体积应变要比石英砂大得多,剪切过程中发生的变形几乎全为不可恢复的塑性变形,其剪胀性与峰值应力比与围压密切相关,峰值应力比与剪胀性随着围压的升高而下降。     

三轴试验条件下钙质砂颗粒破碎影响因素研究

针对钙质砂颗粒易破碎的特点,对取自南海某礁的钙质砂进行大量三轴试验,研究钙质砂在不同围压、粒径、级配、密实度、排水条件和含水率条件下的颗粒破碎情况,分析以上因素对钙质砂颗粒破碎的影响。试验结果表明:钙质砂颗粒破碎受围压影响显著,与粒径并没有明显相关性;级配越好的钙质砂破碎越小;密实度增大会导致颗粒破碎加剧;不同排水条件下钙质砂颗粒破碎受有效围压影响;颗粒破碎随含水率增加而变大。     

中国南海吹填岛礁原状钙质砂蠕变特征初探

南海岛礁吹填工程是我国的战略性工程,岛礁顶部的吹填陆域主要由珊瑚钙质砂组成。已有的研究表明,珊瑚钙质砂在恒定荷载长期作用下会产生蠕变变形。作为各种岛礁结构物的地基材料的钙质砂,其长期蠕变行为会对岛礁结构物的长期沉降变形产生影响。因此,研究南海岛礁珊瑚钙质砂的长期蠕变特征具有重要的工程意义。对取自我国南海某岛礁的原状级配珊瑚钙质砂开展了室内饱和三轴排水蠕变试验(围压100 kPa),研究其长期蠕变特征。试验结果表明,珊瑚钙质砂的蠕变为衰减型稳态蠕变,不同应力条件下的蠕变–时间曲线在双对数坐标中均为直线,可以采用幂函数进行描述;且同一密实程度的钙质砂在不同偏应力作用下蠕变直线族基本平行,直线斜率与偏应力量级无明显关系。钙质砂蠕变阶段的体积变化趋势受蠕变之前试样的体积收缩是否充分完成控制。研究发现Mesri蠕变数学模型可以很好地描述珊瑚钙质砂的应力–应变–时间关系,最终的蠕变变形和应力水平q/(σ1-σ3)f呈现出高度线性正相关关系。试验前后颗粒筛分发现,低围压下钙质砂蠕变过程中颗粒破碎极不明显,表明珊瑚钙质砂在低围压条件下其蠕变变形主要是由颗粒间滑移、错动、重排列引起。     

钙质砂的颗粒破碎和剪胀特性的围压效应

低应力水平下的颗粒破碎现象使钙质砂的应力-应变关系具有特殊性，引入颗粒强度的概率分布，得到描述颗粒破碎的损伤参量，建立了钙质砂的损伤边界面模型，分析了颗粒破碎、剪胀性、围压三者的关系，理论计算结果与试验结果吻合较好。     

不同应力路径下钙质砂力学特性的排水三轴试验研究

钙质砂的力学性质既有强度低、易破碎的特点,又有应力路径依附性的特性。为了研究不同应力路径对钙质砂的颗粒破碎和力学性质的影响,对不同固结压力的钙质砂进行了5种应力路径下的排水三轴压缩试验。结果表明:不同应力路径对钙质砂的应力–应变关系、抗剪强度和颗粒破碎特性有较大的影响。相同固结压力下,等轴向应力试验的剪胀现象最为明显,颗粒破碎率最小,峰值内摩擦角最大;等围压试验的剪胀现象最不明显,颗粒破碎率最大,峰值内摩擦角最小;等平均主应力试验的这些性质介于上述两种试验之间。等主应力比和等向固结试验在加载过程中主要表现为试样的体积压缩,因此与另外3种应力路径试验差别很大。不同应力路径对钙质砂应力–应变关系和强度的影响,除了砂土具有应力路径依附性的特性外,主要来自于应力路径和固结压力的不同产生的颗粒破碎程度不一致造成的影响,使得在不同的应力路径试验中钙质砂的力学性质表现出更大的差异。     

钙质砂的耦合变形机制与本构关系探讨

针对低应力下钙质砂的颗粒破碎现象具有特殊性，分析了围压对钙质土颗粒的破碎的影响，揭示其变形过程的力学机制；然后考虑钙质土的颗粒破碎与滑移两种变形机制的耦合作用，并分别采用损伤模型和边界模型予以描述。理论计算与试验结果吻合较好。     

考虑颗粒破碎的钙质砂边界面循环本构模型

钙质砂作为一种海洋生物成因的易破碎材料,由其构成的地基在海洋环境下长期受到动荷载的作用,故模拟钙质砂在循环荷载作用下的颗粒破碎及其对应力应变行为的影响具有重要意义。将引起塑性应变和颗粒破碎的机制分解为两种:有效球应力增加引起的压缩机制和剪应力比变化引起的剪切机制。压缩机制引起的颗粒破碎可由Hardin公式模拟,为适应复杂应力路径,在Hardin公式的基础上建立了增量型的压缩破碎模型。剪切机制引起的颗粒破碎满足两个"递减率":(1)在每一个单向剪切过程中,颗粒破碎的累积速率总是在单向剪切起始处最大,并随着单向剪应变的增加而减小;(2)在总的剪切过程中,颗粒破碎的累积速率随颗粒破碎量的增大而逐渐减小。在边界面本构模型框架中引入所建立的压缩和剪切破碎模型,通过随颗粒破碎量移动的临界状态线反映颗粒破碎对模量、强度和剪胀等应力应变行为的影响,建立了一个考虑颗粒破碎的循环本构模型。通过对钙质砂的单调和循环三轴试验结果的模拟初步验证了所提出本构模型的合理性。     

长期循环荷载下珊瑚砂累积变形特性试验研究

对取自南海的珊瑚砂进行等向和K_0固结的三轴排水剪切试验,发现固结路径对珊瑚砂的剪切行为有显著影响。在此基础上,采用K_0固结条件,设计一系列不同围压和循环动应力比的长期排水循环加载三轴试验,研究得到珊瑚砂具有门槛颗粒破碎循环动应力比,安定性理论可用于解释不同动应力比长期循环加载下珊瑚砂的累积变形发展模式。基于静力和动力试验结果,引入相对偏应力水平,建立能反映初始固结状态和循环动应力比的珊瑚砂排水循环加载轴向残余累积应变显式计算模型,对预测循环荷载下珊瑚砂地基长期沉降有积极意义。     

钙质砂临界状态随颗粒破碎演化规律分析

根据物理试验揭示的钙质砂颗粒破碎特征和发展规律,建立了可进行钙质砂三轴试验的离散元数值模型。首先通过预压均匀级配的钙质砂破碎生成不同初始级配的试样,进行不破碎三轴剪切过程的数值试验,以确定临界状态与固定级配的对应关系。结果表明,一个固定级配对应一条固定的临界状态线,在压缩平面内各固定级配临界状态线基本平行但是位置随颗粒级配的拓宽(颗粒破碎程度的增大)而逐渐降低。然后,采用相同均匀级配的试样,进行加载过程颗粒可破碎的三轴试验,以揭示实际三轴试验中临界状态线的变化机理。结果表明,在e–p–Br三维空间中,可破碎三轴试验的各临界状态点都落在由固定级配临界状态线所确定的破碎临界状态面上,说明临界状态由最终的颗粒级配决定,而与产生该颗粒级配的过程无关。实际物理试验中,不同围压和应力路径达到临界状态时颗粒破碎程度的不同是导致实测临界状态线出现复杂变化的机理;在三轴压缩剪切情况下,颗粒破碎程度基本随着有效球应力的增大而增大,所以实测的颗粒破碎临界状态线相对于固定级配的临界状态线呈现出旋转的变化。     

珊瑚礁砂砾料力学行为与颗粒破碎的试验研究

珊瑚礁砂砾石是中国南海岛礁建设的主要填料,因为特殊的生物成因和多孔隙的颗粒结构,极易产生颗粒破碎。对取自南海某岛礁的珊瑚礁砂砾石填料开展了大型压缩试验、三轴排水剪切试验和三轴不排水剪切试验,研究了压缩指数、杨氏模量、剪胀和强度等基本工程力学指标与颗粒破碎的变化规律。在相同的压缩作用下,疏松试样比密实试样的颗粒破碎程度更大。颗粒破碎程度随着压力的增大而显著增大,导致珊瑚礁砂砾料的压缩模量和杨氏模量随压力的增大增幅不明显,峰值摩擦角和临界状态摩擦角随压力的增高而显著降低。颗粒破碎过程具有明显的应力路径和应力历史依赖性,有无预压作用的相同密度的试样表现出显著不同的压缩特性,相同密度和初始压力的试样在排水和不排水剪切下也表现出明显不同的剪胀和强度特性。峰值摩擦角依赖于应力路径和颗粒破碎的演化过程;临界状态摩擦角与最终的颗粒破碎指标值有较好的相关性,与颗粒破碎的产生过程无关。     

三轴剪切下珊瑚砂颗粒破碎规律及强度特征

珊瑚砂广泛分布于我国南海岛礁,其性质与普通砂有明显的差异,主要体现在颗粒具有显著的破碎特征。为进一步研究珊瑚砂的破碎特征和破碎对其强度特征的影响规律,本研究通过控制相对密实度、含水率和围压等多种初始条件展开三轴固结排水(CD)的剪切试验。结果表明:珊瑚砂颗粒破碎会根据相对密实度以及围压的逐渐增大而增大,随着含水率的增大而先增大后减小,但是随围压的增大,颗粒的破碎不会无限制增大,当到达一定程度时会逐渐趋于停止;在相对密实度保持一定时,珊瑚砂的内摩擦角会依据含水率的增大而先增大后减小。珊瑚砂大颗粒破碎形成小颗粒并嵌固在孔隙中,大小颗粒之间的相互作用及级配趋于良好,颗粒的破碎一定程度上增大了珊瑚砂的强度。此试验成果可以为岛礁珊瑚砂工程建设提供参数依据,为深入研究珊瑚砂颗粒破碎的理论提供借鉴。     

微生物温控加固钙质砂动强度特性研究

利用微生物温控加固技术对南海某岛钙质砂进行了MICP加固砂柱试验,并通过循环三轴试验开展了MICP加固钙质砂的动强度特性试验研究,探讨了不同MICP加固程度、相对密实度以及有效围压对钙质砂动强度与液化特性的影响。研究发现,经过MICP加固后松散钙质砂的动力液化特性由"流滑"逐渐演变为"循环活动性";相较于未加固中密砂试样,MICP加固中密钙质砂试样表现出更加明显的"循环活动性"特点。MICP加固钙质砂的动强度随着MICP加固程度、相对密实度以及有效围压的提高表现出不同程度的提高。针对MICP加固钙质砂提出了优化动强度经验公式,建立了MICP加固钙质砂的统一动强度准则。该研究成果将为MICP加固技术在南海岛礁建设发展和应用中提供重要的理论基础。     

Undrained Monotonic and Cyclic Shear Behaviour of Sand Under Low and High Confining Stresses

Monotonic and cyclic loading tests have been carried out on a silica sand over a wide range of stresses in order to compare non-crushing and crushing behaviour. Samples were sieved at several stages of testing to theoretically determine the increase in particle surface area and hence degree of crushing. Undrained shear behaviour was compared for crushing and non-crushing regions above 3 MPa. Samples consolidated to 0.1 MPa demonstrated strong dilative behaviour, while above the yield stress of 3 MPa dilation was suppressed and considerable particle crushing occurred. Shearing caused a marked increase in particle crushing particularly after the phase transformation point. Crushing at the steady state was similar for isotropic and anisotropically consolidated sands. At high confining pressures the cyclic strength curves were similar to those for loose sands except for confining pressure dependency due to particle crushing. For low confining stresses cyclic strength increased with initial stress ratio, while for high confining stresses it decreased with initial shear stress ratio. In the cyclic tests there was no significant crushing for 0.1 MPa. Crushing was seen to increase rapidly after the phase transformation point, where high strains developed and where particle rotation and translation contributed to the crushing process.     

冻结砂土三轴试验中颗粒破碎研究

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,冻结砂土也是如此。对冻结砂土进行了不同温度和围压下的三轴剪切试验,并筛分得到三轴试验前后的颗粒大小分布曲线。通过引入Hardin定义的颗粒破碎率Br,分析了围压与颗粒破碎的关系及颗粒破碎对冻土抗剪强度的影响。结果表明:在温度为-0.5℃,-1℃,-2℃,-5℃和围压为0.5,2,5,10 MPa的条件下,三轴剪切过程中会产生较为可观的颗粒破碎;颗粒破碎率Br随围压增大,到达一定围压后Br不再随着围压的增大发生明显变化,即存在一个颗粒不再发生明显破碎的临界围压σr。结合前人研究发现,-5℃下一般工程关心的围压范围内压融对冻土力学特性没有显著影响,而颗粒破碎起控制性作用。分析表明:-5℃条件下在不同的围压范围颗粒破碎对抗剪强度具有不同的影响。试验所采用的围压范围内,随着围压的增大,颗粒破碎率增大使得冻土的抗剪强度降低;破碎率达到极限以后,由于破碎的颗粒重排列又导致抗剪强度有所提高。     

On the Relationship between Particle Breakage and the Critical State of Sands

Ring shear and shear box tests were used to investigate the relationship between volume change and particle breakage during the shearing of two sands. One sand was a carbonate sand which was sheared under a high confining stress to examine whether, in the region of compressive shearing behaviour due to particle breakage, the breakage would ever cease and the soil reach a stable grading. The other sand tested was a quartz sand that was sheared at low confining stresses, to investigate whether a dilatant sand would also be subject to particle breakage. In both cases breakage was found to continue to very large strains, with no evidence of a stable grading being reached within the range of strains used. While the breakage was very small for the quartz sand it was large for the carbonate, emphasising that any definition of a critical state by means of conventional triaxial or shear box testing would be approximate only, because of the limited strains that they allow.     

Mechanical property and deformation behavior of geogrid reinforced calcareous sand

The strength and deformation properties of maritime geotechnical structures made primarily of calcareous sand are critical for project safety, and geogrid reinforcement is a promising new approach. A series of consolidated drained triaxial experiments were conducted to evaluate the mechanical property and deformation behaviors of geogrid reinforced calcareous sand (GRCS), taking into consideration the impacts of the geogrid layer, relative density, particle size, and confining pressure. In comparison to the unreinforced calcareous sand, the strength of the GRCS is greatly enhanced, and the deviatoric stress-strain curves are altered from slightly softening to hardening, as well as the suppressed shearing dilatancy. The geogrid, relative compactness, particle size, and confining pressure are all intimately related to the volume changes and shearing dilatancy of reinforced specimens, but particle crushing is mostly impacted by the confining pressure. The interactions of geogrid ribs and calcareous sand particles are summarized as two types of constraint and friction using scanning electron microscope tests to establish a simplified calculation method of horizontal and vertical equivalent additional stresses that could provide a reference for revealing the mechanical mechanism of GRCS.     

珊瑚礁钙质沉积物液化特性及其机理研究

针对南沙群岛永暑礁小澙湖珊瑚礁沉积物-钙质砂土的多孔隙及颗粒破碎特点,利用现场原位扁铲侧胀试验和室内动静三轴-扭剪试验手段,开展不同条件下钙质砂土的液化特性分析。试验结果表明,在7度地震烈度下浅海钙质砂土会发生液化;在波浪荷载作用下,饱和钙质砂土峰值孔压随振动次数的增加可分为抛物线型增长、线性增长、指数型增长和稳定状态等四个阶段,而每一阶段均对应有钙质砂颗粒间孔隙和内孔隙的不断调整和破碎过程;在均压固结条件下其液化机理归结为流滑破坏。     

常压至高压下砂土强度、变形特性试验研究

 砂土材料常压至高压下的强度、变形特性是构建砂土模型的首要问题。开展3种粒组砂土8 MPa围压范围内的等向压缩试验以及0.2～6.4 MPa围压范围内的三轴剪切试验,将砂土常压至高压范围内的力学特性进行系统分析,以获得能够将常压至高压范围内的强度、变形特性进行统一描述的力学参数。通过研究发现：(1) 砂土在高压下出现一定量的颗粒破碎,改变了砂土的剪切耗能机制,使得砂土三轴压缩剪切由剪胀软化特征向剪缩硬化特征转变;(2) 砂土材料的三轴压缩剪切峰值应力比受砂土粒径、围压共同影响,M-C强度准则在高压条件下不再适用;而残余应力比则基本不受粒径、围压的影响,是典型的无黏性摩擦型岩土力学参数,应作为砂土基本力学特性指标;(3) 砂土材料在常压至高压范围内的剪切过程中存在较明显的临界状态现象,临界状态曲线与等向压缩曲线形态相同均呈指数衰减型并在高压条件下产生交叉,两者共同构成砂土材料的状态区间能够体现常压至高压范围内的剪胀与剪缩特征。