基于顆粒破碎的鈣質(zhì)沉積物高壓固結(jié)變形分析

秦月，姚 婷，汪 稔，朱長(zhǎng)歧，孟慶山

（中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071）

1 引 言

南海海域的工程建設(shè)涉及海洋資源開(kāi)發(fā)、國(guó)家發(fā)展、國(guó)防建設(shè)等重大核心利益[1-3]，使珊瑚礁工程的開(kāi)發(fā)建設(shè)逐漸成為關(guān)注焦點(diǎn)[4-10]。鈣質(zhì)沉積物是珊瑚礁工程的重要組成，主要由海洋生物的殘骸經(jīng)過(guò)物理、生物和化學(xué)作用過(guò)程形成的碳酸鹽沉積物。沉積過(guò)程未經(jīng)長(zhǎng)途搬運(yùn)，因此，鈣質(zhì)沉積物顆粒殘留較多原生生物骨架特征，呈現(xiàn)多孔隙、易膠結(jié)、易破碎等特點(diǎn)，工程力學(xué)性質(zhì)與陸源沉積物如石英、長(zhǎng)石等存在明顯差異[11-13]。

顆粒破碎是鈣質(zhì)砂區(qū)別于陸源砂的顯著特征之一，由此引起的鈣質(zhì)砂獨(dú)特的物理力學(xué)性質(zhì)受到了學(xué)者們的普遍關(guān)注，尤其是由直剪、三軸等力學(xué)試驗(yàn)確定的力學(xué)性質(zhì)方面的研究成果頗豐[14-18]，但對(duì)大顆粒鈣質(zhì)碎屑物在高壓下的固結(jié)變形性質(zhì)及不同試驗(yàn)條件下試驗(yàn)前后的顆粒破碎情況研究較少，限制了將鈣質(zhì)碎屑物作為填料在實(shí)際工程中珊瑚礁地基中的應(yīng)用。本次通過(guò)高壓固結(jié)試驗(yàn)，尋求鈣質(zhì)碎屑物在不同載荷和級(jí)配條件下的變形規(guī)律，通過(guò)顆粒破碎與試樣壓縮變形發(fā)展規(guī)律的關(guān)系，分析在不同條件下鈣質(zhì)沉積物呈現(xiàn)不同變形規(guī)律的原因。

2 試驗(yàn)和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)試樣取自珊瑚環(huán)礁，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[19]確定試樣顆粒的尺寸標(biāo)準(zhǔn)，礫塊尺寸為2～40 mm（見(jiàn)圖1），砂粒徑＜2 mm（見(jiàn)圖2）。試樣尺寸為φ 500 mm×250 mm。試驗(yàn)時(shí)，設(shè)計(jì)了含砂量為30%、50%、70%、100%時(shí)的不同級(jí)配。安裝試樣時(shí)，將碎屑物分5 層攤鋪，每層試樣用木錘均勻錘擊50次，保證試樣在固結(jié)儀中分布均勻。

圖1 篩分用于配制試樣的各級(jí)礫塊Fig.1 Different sizes of gravel screened for sample preparation

圖2 篩分用于配制試樣的各級(jí)鈣質(zhì)砂Fig.2 Different sizes of calcareous sand screened for sample preparation

各組不同含砂量試樣的固結(jié)試驗(yàn)采用常規(guī)和越級(jí)加載兩種方式。試驗(yàn)對(duì)象分別是風(fēng)干試樣和浸水飽和試樣，加載比為1，加荷等級(jí)依次為50、100、200、400、200、100、50、100、200、400、800、1 600、3 200 kPa。越級(jí)加載的試驗(yàn)對(duì)象為風(fēng)干試樣，加載比為2，即50、200、800、3 200 kPa，試驗(yàn)過(guò)程中不對(duì)試樣卸荷回彈。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 含砂量對(duì)壓縮變形的影響

圖3為各組試樣進(jìn)行常規(guī)加載時(shí)的e-lg p 曲線。由圖中可以看出，隨著含砂量減小、礫塊含量增多，天然孔隙比逐漸增大，壓縮性也有增大的趨勢(shì)，但隨著荷載的逐步增大，試樣壓縮量的增長(zhǎng)速率逐漸趨于穩(wěn)定。下文就壓縮系數(shù)、回彈變形量作進(jìn)一步分析。

圖3 不同含砂量時(shí)的e-lgp 曲線Fig.3 e-lgp curves of different sand content samples

3.1.1 壓縮系數(shù)av

壓縮系數(shù)av取100～200 kPa 區(qū)間計(jì)算，圖4為風(fēng)干樣含砂量分別為100%、70%、50%、30%時(shí)的壓縮系數(shù)。由圖可見(jiàn)，試樣的壓縮性與含砂量的變化密切相關(guān)；含砂量從高到低變化時(shí)，在100%至50%過(guò)程中，壓縮系數(shù)波動(dòng)幅度較小，直到含砂量從50%降至30%時(shí)，試樣的壓縮性有較顯著的提高。分析壓縮系數(shù)變化規(guī)律可知，純砂密實(shí)度最高，壓縮性最??；與純砂相比，礫塊的摻入，提高了土樣的壓縮性；含砂量70%的試樣相對(duì)于50%的壓縮性略高，原因是含砂量70%時(shí)，礫塊所占比重小，大部分礫塊均被細(xì)砂包裹，礫塊的磨圓度低，尖銳的棱角刺破了質(zhì)脆的鈣質(zhì)砂顆粒，釋放了內(nèi)孔隙，從而增強(qiáng)了對(duì)細(xì)砂和礫塊自身的破碎效果。而隨著礫塊的進(jìn)一步增多，直至砂礫配比為1:1，礫塊逐漸形成空架結(jié)構(gòu)，細(xì)砂主要用作大孔隙的填充，形成了較密實(shí)的孔隙結(jié)構(gòu)體，使大顆粒間的孔隙密實(shí)，壓縮性較低。對(duì)含砂量為30%的土樣而言，礫塊仍然是主體結(jié)構(gòu)，此時(shí)細(xì)砂含量少，孔隙比至少高出比其他組試樣40%，壓縮性顯著。試樣各組分的作用詳見(jiàn)表1。

圖4 不同含砂量試樣的壓縮系數(shù)avFig.4 Compressibility of different sand content samples

表1 含砂量對(duì)變形的影響結(jié)果Table 1 Impact of sand content on deformation

3.1.2 回彈變形量

試驗(yàn)中，當(dāng)荷載首次加至400 kPa 后對(duì)試樣進(jìn)行卸荷比為0.5 的卸荷研究，分析試樣在50-400-50-400 kPa 過(guò)程中的變形規(guī)律，該過(guò)程中試樣變形情況如圖5 所示。圖中，卸荷前后比值是指卸荷后變形量（卸載至50 kPa 后至又一次加載至400 kPa過(guò)程中試樣的變形量）與卸荷前變形量（卸載前，首次加載50-400 kPa 過(guò)程中試樣的變形量）的百分比。各組試樣卸荷后與卸荷前的變形量相比有明顯的衰減，并且含砂量越小，衰減越顯著，即礫塊的摻入提高了土樣對(duì)荷載的敏感度，特別是含砂量為30%的試樣，大量的礫塊使其變形中存在更多不可恢復(fù)的變形，這種變形主要是礫塊的破碎引起的。

需要指出的是，圖3 是卸荷前后的孔隙比變化，圖5 則是卸荷前后豎向一維尺寸的變化。分別分析卸荷前后孔隙比和壓縮變形量變化的原因：鈣質(zhì)砂材料顆粒破碎的性質(zhì)在一定程度上影響了孔隙比計(jì)算的科學(xué)性，選擇對(duì)試樣卸荷前后壓縮變形量進(jìn)行對(duì)比可以綜合反映由于孔隙變化、顆粒破碎共同引起的壓縮規(guī)律。

圖5 400-50-400 kPa 過(guò)程中試樣變形量Fig.5 Springback deformation in the process of 400-50-400 kPa

3.2 顆粒破碎結(jié)果分析

3.2.1 顆粒破碎與固結(jié)變形的一致性

描述顆粒破碎的指標(biāo)多種多樣，本文結(jié)合前人對(duì)各種顆粒破碎率指標(biāo)的對(duì)比成果[20]，采用顆粒破碎率Bg對(duì)試驗(yàn)前后的顆粒破碎情況進(jìn)行分析。

Bg是采用試驗(yàn)前后試樣粒組百分含量差的正值之和描述顆粒破碎的情況。相對(duì)于B10、B15、B60等通過(guò)單一粒徑含量變化量衡量顆粒破碎的指標(biāo)而言，采用整個(gè)級(jí)配曲線變化量衡量的多粒徑指標(biāo)Bg對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生的應(yīng)力條件更加敏感，能夠反映顆粒破碎前后試樣粒徑的整體變化情況。

結(jié)合試驗(yàn)前后顆粒分析成果，由圖6 顆粒破碎率Bg與含砂量之間的關(guān)系可知，隨著礫塊含量的增多、含砂量減小，顆粒破碎率Bg先減小后增大，在含砂量為60%～70%之間達(dá)到最小值，與圖4 中壓縮系數(shù)在含砂量也在該區(qū)間達(dá)到極值一致，說(shuō)明顆粒破碎導(dǎo)致的試樣變形在總壓縮變形中的貢獻(xiàn)較大。

圖6 顆粒破碎率Bg與試驗(yàn)條件的關(guān)系Fig.6 Relationship between particle breakage rate and test condition

3.2.2 各粒徑區(qū)間的顆粒破碎情況

以下對(duì)含砂量為30%的風(fēng)干樣、飽和樣的常規(guī)加載試驗(yàn)及風(fēng)干樣越級(jí)加載試驗(yàn)前后各粒徑區(qū)間的質(zhì)量變化情況（見(jiàn)圖7）進(jìn)行分析，結(jié)果表明，（1）質(zhì)量損失主要集中于粒徑為10～60 mm 的顆粒，即試樣變形時(shí)整個(gè)試樣中顆粒破碎主要表現(xiàn)為粒徑10～60 mm 顆粒的顆粒破碎，小于10 mm 的顆粒破碎相對(duì)較少，與破碎顆?？紫兜拇笮?、形狀以及各粒級(jí)的顆粒的含鈣量等因素有關(guān)；（2）以風(fēng)干樣為例，試驗(yàn)前后各粒粒徑區(qū)間的質(zhì)量及試驗(yàn)后的質(zhì)量增量情況如圖8 所示。破碎主要集中于粒徑為10～40 mm 范圍內(nèi)的顆粒，粒徑40～60、2.5～1、0.1～0.25、0.074～0.1 mm 的顆粒在試驗(yàn)前后質(zhì)量變化不顯著，特別是粒徑為0.1～0.25 mm 顆粒的質(zhì)量增量百分比（試驗(yàn)后該粒徑區(qū)間的質(zhì)量增量與試驗(yàn)前該質(zhì)量的百分比）低至2.4%，由此可以推斷，顆粒破碎至0.25 mm 之后進(jìn)一步破碎的難度較大，在相同條件下的破碎量極少，因此可將粒徑0.25 mm視為該試樣的相對(duì)穩(wěn)定粒徑，是今后鈣質(zhì)砂顆粒破碎研究中需要關(guān)注的粒徑之一。

上述成果表明，試驗(yàn)前后各粒徑區(qū)間的質(zhì)量變化反映了對(duì)應(yīng)粒徑的顆粒破碎情況，不同粒徑的顆粒破碎情況受到孔隙大小、形狀及顆粒含鈣量等綜合因素的影響，呈現(xiàn)出明顯的力學(xué)性質(zhì)差異。對(duì)試驗(yàn)前后顆粒破碎的分析成果可作為實(shí)際工程中鈣質(zhì)沉積物粒徑選擇的指導(dǎo)和依據(jù)，用以確定最合理的級(jí)配，減少顆粒破碎對(duì)地基變形的影響。

圖7 各粒徑區(qū)間的顆粒試驗(yàn)前后的增量Fig.7 Increments of each partical size range before and after the experiment

圖8 風(fēng)干樣試驗(yàn)前后各粒徑區(qū)間的質(zhì)量及試驗(yàn)后的質(zhì)量增量Fig.8 Weight of each particle size range after and before test(dry sample) and the increment

3.2.3 試驗(yàn)條件對(duì)顆粒破碎的影響

（1）加載條件的影響

含砂量為100%和30%試樣在不同試驗(yàn)條件下的顆粒破碎率Bg如圖9 所示。在加載比為2 的越級(jí)加載條件下，顆粒破碎率Bg相對(duì)于加載比為1 的風(fēng)干樣加載和飽和樣加載大得多，顆粒破碎最顯著，表明加載比（或加載速率）是影響顆粒破碎的重要因素。因此，實(shí)際工程中對(duì)存在鈣質(zhì)碎屑沉積物的地基進(jìn)行使用或處理時(shí)，應(yīng)考慮其對(duì)荷載梯度的敏感性，限制施工荷載并適當(dāng)降低加載梯度，減少地基沉降變形。

（2）水的影響

試驗(yàn)中，對(duì)各組不同含砂量的試樣分別開(kāi)展了風(fēng)干樣和飽和試樣的常規(guī)加載固結(jié)試驗(yàn)，其中飽和樣指的是將風(fēng)干樣浸水飽和靜置24 h 后所得的試樣。

通過(guò)對(duì)兩種情況下試驗(yàn)后顆粒破碎情況的分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)干樣和飽和樣試驗(yàn)后顆粒破碎規(guī)律存在明顯差異。圖10為風(fēng)干樣與飽和樣試驗(yàn)前后顆粒破碎率Bg的對(duì)比情況。

圖9 顆粒破碎率Bg與試驗(yàn)條件的關(guān)系Fig.9 Relationship between particle breakage rate and test condition

圖10 風(fēng)干樣與飽和樣試驗(yàn)后顆粒破碎率Bg的差異性Fig.10 Differences of particle breakage rate between dry sample and saturated sample

圖10 表明，風(fēng)干樣的顆粒破碎率對(duì)含砂量的變化更加敏感，而飽和樣在不同含砂量情況下的顆粒破碎變化較小，變化規(guī)律較平穩(wěn)，說(shuō)明水的存在弱化了砂、礫差異性在試樣顆粒破碎中的作用，分析原因如下：（1）這類(lèi)鈣質(zhì)沉積物顆粒間接觸部分殘留的水膜對(duì)顆粒間位置調(diào)整起到了潤(rùn)滑的作用，使顆粒間位置調(diào)整變得相對(duì)平緩，減少了因顆粒位置調(diào)整、彼此激烈碰撞而引起的顆粒破碎現(xiàn)象；（2）顆粒本身存在大量封閉、半封閉孔隙是鈣質(zhì)砂、礫這類(lèi)沉積物與石英砂的重要區(qū)別之一。對(duì)此類(lèi)試樣飽水后開(kāi)展固結(jié)試驗(yàn)時(shí)，外孔隙、較大的半封閉孔隙中的水很快被排出，而大量微小的半封閉孔隙周?chē)谋砻鎻埩t使得小孔隙中的水難以被進(jìn)一步排除，這些被封閉住的水在一定壓力范圍內(nèi)，表現(xiàn)出了孔隙水壓力，起到了填充和緩沖的作用，為顆粒抵抗固結(jié)壓力做出一定貢獻(xiàn)。

4 結(jié) 論

（1）大尺寸顆粒的存在，在一定程度上提高了試樣的壓縮性，使鈣質(zhì)砂壓縮系數(shù)有所提高。

（2）含砂量的不同會(huì)使砂、礫在壓縮變形過(guò)程中發(fā)揮不同作用，是試樣變形存在差異的主要原因。

（3）試樣對(duì)加-卸載的響應(yīng)與顆粒大小有關(guān)，礫塊相對(duì)于砂而言，對(duì)荷載變化更敏感，敏感度隨著顆粒減小而降低，本研究找到了顆粒破碎時(shí)相對(duì)最穩(wěn)定的粒徑為0.25 mm。

（4）加載比大小、土樣的飽水情況對(duì)試樣的變形結(jié)果影響顯著，工程建設(shè)中需予以考慮。

[1]趙煥庭,宋朝景,朱袁智,等.南沙群島的環(huán)境、資源特征與開(kāi)發(fā)問(wèn)題[M]//中國(guó)沿海資源工程環(huán)境系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略.北京:地震出版社,1993:47-55.

[2]趙煥庭,宋朝景,余克服,等.西沙群島永興島和石島的自然與開(kāi)發(fā)[J].海洋通報(bào),1994,12(5):44-56.ZHAO Huan-ting,SONG Chao-jing,YU Ke-fu,et al.Nature and development of Yongxing island and Shi island of Xisha islands[J].Marine Science Bulletin,1994,12(5):44-56.

[3]孫宗勛,趙煥庭.珊瑚礁工程地質(zhì)學(xué):新學(xué)科的提出[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),1998,42(1):4-7.SUN Zong-xun,ZHAO Huan-ting.Engineering geology of coral reefs:Proposal of new subject[J].Hydrogeology and Engineering Geology,1998,42(1):4-7.

[4]COOP M R.The mechanics of uncemented carbonate sands[J].Geotechnique,1990,40(4):607-626.

[5]單華剛,王稔.珊瑚礁工程地質(zhì)中的幾個(gè)重要問(wèn)題研究[C]//第六屆全國(guó)工程地質(zhì)大會(huì)論文集.北京:中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì),2000.

[6]王新志.南沙群島珊瑚礁工程地質(zhì)特性及大型工程建設(shè)可行性研究[D].武漢:中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所,2008.

[7]嚴(yán)與平,柯有青.淺談珊瑚礁工程地質(zhì)特性及地基處理[J].資源環(huán)境與工程,2008,22(增刊2):47-49.YAN Yu-ping,KE You-qing.Brief talk on engineering geological properties and foundation treatment of coral reefs[J].Resources Environment and Engineering,2008,22(Supp.2):47-49.

[8]MENG Qing-shan,WANG Ren,YU Ke-Fu,et al.Undisturbed strata succession sampling technology and the engineering geological characteristics of an atoll in the Southern South China Sea[J].Marine Georesources and Geotechnology,2009,27:296-308.

[9]王麗,魯曉兵,王淑云,等.鈣質(zhì)砂的膠結(jié)性及對(duì)力學(xué)性質(zhì)影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué),2009,24(2):133-143.WANG Li,LU Xiao-bing,WANG Shu-yun,et al.Experimental study on cementing properties of calcareous sand and its influence of mechanical properties[J].Journal of Experimental Mechanics,2009,24(2):133-143.

[10]劉志偉,李燦,胡昕,等.珊瑚礁礁灰?guī)r工程特性測(cè)試研究[J].工程勘察,2012,40(9):17-21.LIU Zhi-wei,LI Can,HU Xin,et al.Experimental study on engineering porperties of coral reef calcareous rock[J].Geotechnical Investigation and Surveying,2012,40(9):17-21.

[11]WANG Xin-zhi,JIAO Yu-yong,WANG Ren,et al.Engineering characteristics of the calcareous sand in Nansha Islands,South China Sea[J].Engineering Geology,2011,120(1-4):40-47.

[12]王新志,汪稔,孟慶山,等.鈣質(zhì)砂室內(nèi)載荷試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2009,31(1):147-151,156.WANG Xin-zhi,WANG Ren,MENG Qing-shan,et al.Study of plate load test of calcareous sand[J].Rock and Soil Mechanics,2009,31(1):147-151,156.

[13]孟慶山,秦月,汪稔.珊瑚礁鈣質(zhì)沉積物液化特性及其機(jī)理研究[J].土工基礎(chǔ),2012,29(1):21-24.MENG Qing-shan,QIN Yue,WANG Ren.Study on liquefaction characteristics and mechanism of coral reefs calcareous sediments[J].Soil Engineering and Foundation,2012,29(1):21-24.

[14]張家銘,蔣國(guó)盛,汪稔.顆粒破碎及剪脹對(duì)鈣質(zhì)砂抗剪強(qiáng)度影響研究[J].巖土力學(xué),2009,31(7):2043-2048.ZHANG Jia-ming,JIANG Guo-sheng,WANG Ren.Research on influences of particle breakage and dilatancy on shear strength of calcareous sand[J].Rock and Soil Mechanics,2009,31(7):2043-2048.

[15]劉崇權(quán),汪稔,吳新生.鈣質(zhì)砂物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)中的幾個(gè)問(wèn)題[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1999,18(2):209-212.LIU Chong-quan,WANG Ren,WU Xin-sheng.Several problems in tests for physical and mechanical properties of calcareous sands[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,1999,18(2):91-94.

[16]張家銘.鈣質(zhì)砂基本力學(xué)性質(zhì)及顆粒破碎影響研究[D].武漢:中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所,2004.

[17]張家銘,張凌,蔣國(guó)盛,等.剪切作用下鈣質(zhì)砂顆粒破碎試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2008,29(10):2789-2793.ZHANG Jia-ming,ZHANG Ling,JIANG Guo-sheng,et al.Research on particle crushing of calcareous sands under triaxial shear[J].Rock and Soil Mechanics,2008,29(10):2789-2793.

[18]胡波.三軸條件下鈣質(zhì)砂顆粒破碎力學(xué)性質(zhì)與本構(gòu)模型研究[D].武漢:中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所,2008.

[19]王珊.工程地質(zhì)新技術(shù)實(shí)用全書(shū)[M].長(zhǎng)春:銀聲音像出版社,2005.

[20]秦月,孟慶山,汪稔,等.土體顆粒破碎度量方法及其進(jìn)展[C]//第九屆全國(guó)工程地質(zhì)大會(huì)論文集.北京:科學(xué)出版社,2012.