不同正壓力下鈣質(zhì)砂顆粒剪切破碎特性分析

齊永正，袁梓瑞，楊永恒

(1. 江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212000； 2. 河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京 210098)

天然膠結(jié)鈣質(zhì)砂[1]是廣泛分布于熱帶及亞熱帶海洋中由生物碎屑經(jīng)碳酸鈣膠結(jié)或固結(jié)而形成的碳酸鹽巖類，其分布范圍覆蓋了大陸架50%的面積，有超過55%的海床為鈣質(zhì)砂所覆蓋。我國的南海島礁上廣泛地分布著天然膠結(jié)鈣質(zhì)砂[2-6]，顆粒礦物組成以文石、方解石為主(達(dá)90%以上)。研究發(fā)現(xiàn)，天然膠結(jié)鈣質(zhì)砂具有高孔隙比、顆粒易破碎且膠結(jié)不均勻等特征，與常規(guī)陸源砂相比，鈣質(zhì)砂在較低圍壓下就會(huì)產(chǎn)生顆粒破碎。其獨(dú)特的工程性質(zhì)常常給巖土工程設(shè)計(jì)與施工帶來麻煩，有時(shí)造成工程事故。由于鈣質(zhì)砂特殊的工程性質(zhì)，促進(jìn)了人們對(duì)天然膠結(jié)鈣質(zhì)砂物理力學(xué)性質(zhì)的深入研究。朱長歧等[7]采用宏微觀相結(jié)合的研究手段，通過對(duì)鈣質(zhì)砂物理與力學(xué)參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析，認(rèn)為密度和膠結(jié)度是控制海灘巖強(qiáng)度的主要參數(shù)，單軸抗壓強(qiáng)度隨著密度及膠結(jié)度的增加而明顯增大；孔隙率及顆粒粒徑對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度的影響不明顯。袁征等[8]從珊瑚礁巖土的工程地質(zhì)特性研究中得出：顆粒易破碎是鈣質(zhì)砂最重要的特性，直接影響著鈣質(zhì)砂的其他力學(xué)性能，而影響鈣質(zhì)砂顆粒破碎的主要因素有圍壓、有效應(yīng)力、顆粒級(jí)配、初始孔隙比、顆粒強(qiáng)度、顆粒形狀等；生物顆粒的易破碎及成樁過程對(duì)鈣質(zhì)砂結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，導(dǎo)致鈣質(zhì)砂中的樁基承載力遠(yuǎn)低于普通石英砂。毛炎炎等[9]對(duì)鈣質(zhì)砂進(jìn)行了考慮顆粒破碎的鈣質(zhì)砂壓縮特性試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，粒徑越大鈣質(zhì)砂顆粒越容易破碎，由此引發(fā)的形變?cè)酱?；不同含水率條件下，顆粒破碎機(jī)制不同，低含水率時(shí)，顆粒破碎隨含水率的增加而加劇，高含水率時(shí)，顆粒破碎隨含水率的增加而減弱：含水率對(duì)壓縮變形影響顯著，不同含水率條件下的鈣質(zhì)砂壓縮性不同。張家銘等[10-11]對(duì)取自南沙群島永暑礁附近海域的鈣質(zhì)砂進(jìn)行了不同圍壓、不同應(yīng)變下的三軸剪切試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)前后的試樣進(jìn)行了顆粒大小分析，結(jié)果表明，鈣質(zhì)砂在三軸剪切作用下顆粒破碎十分嚴(yán)重，顆粒破碎對(duì)鈣質(zhì)砂強(qiáng)度有著重要影響。王帥等[12]利用液壓萬能試驗(yàn)機(jī)在側(cè)限條件下對(duì)混合粒組鈣質(zhì)砂進(jìn)行高壓加載，研究終止壓力、平均粒徑、干密度等因素對(duì)顆粒破碎影響。汪軼群等[13]對(duì)鈣質(zhì)砂開展電鏡掃描試驗(yàn)并對(duì)掃描結(jié)果進(jìn)行圖像分析，獲取了鈣質(zhì)砂的顆粒形狀特征，同時(shí)通過三軸固結(jié)排水試驗(yàn)，揭示了顆粒破碎對(duì)鈣質(zhì)砂變形、強(qiáng)度、能量耗散等特性的影響。

以上分析表明，鈣質(zhì)砂顆粒易碎是鈣質(zhì)砂的重要特性，而影響鈣質(zhì)砂顆粒破碎的因素很多，特別是不同工況下鈣質(zhì)砂顆粒破碎情況是不同的。國內(nèi)外對(duì)鈣質(zhì)砂的研究集中在高、低圍壓下的鈣質(zhì)砂靜、動(dòng)力學(xué)性質(zhì)上，集中在顆粒破碎影響因素上，對(duì)破碎本身的機(jī)理則缺乏系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。因此，本文研究不同正壓力作用下受水平剪切作用鈣質(zhì)砂顆粒破碎特性，為鈣質(zhì)砂顆粒破碎特性研究提供一種思路。

1 試驗(yàn)材料及過程

選取我國南海某島礁鈣質(zhì)砂樣，進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)。試驗(yàn)得出該鈣質(zhì)砂的含水率為9.53%，飽和含水率為48.2%，密度為2.78 g/cm3，天然休止角為32.6°。

試驗(yàn)主要儀器包括應(yīng)變控制式直剪儀；20，10，5，2，1，0.5，0.25和0.075 mm系列標(biāo)準(zhǔn)篩。

試驗(yàn)過程為：

(1)烘干鈣質(zhì)砂樣。將鈣質(zhì)砂樣放入烘箱內(nèi)烘干存放。

(2)鈣質(zhì)砂樣篩分處理。取烘干后的原鈣質(zhì)砂樣300 g進(jìn)行篩分試驗(yàn)。在振篩機(jī)上進(jìn)行顆粒篩分，為減少篩分過程中鈣質(zhì)砂的顆粒破碎，嚴(yán)格控制篩分時(shí)間為15 min[12]。

圖1 不同正壓力下剪切后的鈣質(zhì)砂樣Fig.1 Calcareous sands by direct shear tests under different normal pressures

(3)鈣質(zhì)砂樣直剪試驗(yàn)。取4份烘干后的原鈣質(zhì)砂樣，每份約300 g，分別在100, 200, 300和400 kPa正壓力下進(jìn)行直剪試驗(yàn)。為了保證鈣質(zhì)砂剪切試驗(yàn)的密實(shí)度以及減少鈣質(zhì)砂裝樣中的顆粒破碎，裝樣時(shí)輕微晃動(dòng)和敲擊剪切盒側(cè)壁，砂樣裝畢后施加100 kPa的預(yù)加壓力10 min。直剪試驗(yàn)后的砂樣如圖1所示。

圖2 原鈣質(zhì)砂樣粒徑分布曲線Fig.2 Particle-size distribution curve of initial calcareous sands

(4)剪切鈣質(zhì)后砂樣篩分處理。剪切后取出砂樣，分別對(duì)不同正壓力下直剪后的砂樣進(jìn)行顆粒篩分。為減少篩分過程中鈣質(zhì)砂的顆粒破碎，在振篩機(jī)上的篩分時(shí)間控制為15 min[12]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 原鈣質(zhì)砂樣篩分結(jié)果與分析

原鈣質(zhì)砂樣經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)篩篩分，得到初始鈣質(zhì)砂樣的顆粒粒徑分配曲線見圖2。

由圖2可知，d60=3.96 mm，d30=2.28 mm，d10=0.63 mm，得鈣質(zhì)砂樣不均勻系數(shù)Cu為6.3，曲率系數(shù)Cc為2.1，說明該鈣質(zhì)砂樣級(jí)配良好。原鈣質(zhì)砂樣粒徑小于5 mm的土顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量的72%，20～10 mm和1～0.075 mm粒徑區(qū)間的曲線較平緩，可知該粒徑區(qū)間的鈣質(zhì)砂顆粒較少；10～1 mm粒徑區(qū)間為曲線陡降段，可知該粒徑區(qū)間內(nèi)的顆粒較多。

2.2 不同正壓力下剪切后鈣質(zhì)砂篩分結(jié)果與分析

鈣質(zhì)砂樣在不同正壓力下剪切試驗(yàn)后的顆粒粒徑分布曲線如圖3所示。

由圖3可知，5組鈣質(zhì)砂樣顆粒粒徑分布曲線趨勢(shì)基本一致。原鈣質(zhì)砂樣和100 kPa正壓力下剪切后的砂樣粒徑分布曲線幾乎重合，表明100 kPa正壓力直剪試驗(yàn)對(duì)該鈣質(zhì)砂的破碎影響較小，剪切前后2 mm以下鈣質(zhì)砂顆粒含量分別為21.4%和21.9%，幾乎沒變化。從200 kPa正壓力開始，隨著壓力增大到300和400 kPa，粒徑2 mm以下鈣質(zhì)砂顆粒含量由23.2%增至28.7%和32.1%，說明隨著正壓力增大，顆粒破碎越來越多。

圖4(a)為不同正應(yīng)力剪切后大于某粒徑的鈣質(zhì)砂顆粒含量變化趨勢(shì)曲線，可見，粒徑d≥2.00 mm的砂樣顆粒含量隨正壓力加大持續(xù)減少，并在大于200 kPa正壓力后加速減少；大于等于0.50 mm和0.25 mm砂樣顆粒含量的變化趨勢(shì)也基本一致。說明粗顆粒持續(xù)減少，鈣質(zhì)砂出現(xiàn)了越來越多的顆粒破碎。

圖4(b)為不同正應(yīng)力直剪試驗(yàn)后顆粒粒徑區(qū)間鈣質(zhì)砂顆粒含量變化趨勢(shì)曲線，可見，2.00～0.50 mm粒徑區(qū)間顆粒含量隨正壓力加大總體呈增加趨勢(shì)；小于0.25 mm粒徑區(qū)間鈣質(zhì)砂顆粒含量隨正壓力加大增加明顯，由8.7%增加到15.1%；0.50～0.25 mm粒徑區(qū)間顆粒含量隨正壓力加大亦有所增加，由0.9%增加到2.0%；說明不同壓力下鈣質(zhì)砂顆粒破碎情況不同。

圖4 不同正壓力下剪切后鈣質(zhì)砂顆粒含量變化趨勢(shì)Fig.4 Variation tendency of particle contents of calcareous sands by direct shear tests under different normal pressures

P/kPad60/mmd30/mmd10/mm不均勻系數(shù)Cu曲率系數(shù)Cc03.962.280.636.32.11004.002.550.517.83.22004.002.380.3112.84.53003.912.120.1821.36.24003.851.910.0847.511.7

2.3 鈣質(zhì)砂剪切試驗(yàn)顆粒粒徑參數(shù)分析

表1列出了鈣質(zhì)砂樣不同正壓力剪切試驗(yàn)后篩分的參數(shù)，圖5(a)和(b)分別顯示了d60，d30，d10和Cu，Cc值的變化趨勢(shì)，由表1可知，控制粒徑d60的值變化不大，控制粒徑d30的值持續(xù)減少，而有效粒徑d10的值減小明顯(見圖5(a))，因此推算得到的不均勻系數(shù)Cu及曲率系數(shù)Cc均出現(xiàn)了較大變化，特別是在400 kPa的正壓力下，變化更大(見圖5(b))，不均勻系數(shù)Cu增大了6.5倍，曲率系數(shù)Cc增大了4.6倍。顆粒級(jí)配性質(zhì)由量變發(fā)展到質(zhì)變，鈣質(zhì)砂由試驗(yàn)前的良好級(jí)配改變到試驗(yàn)后的不良級(jí)配。

從圖5可見，隨著正壓力增大剪切后鈣質(zhì)砂顆粒組分發(fā)生了明顯變化，細(xì)顆粒含量增多并隨著正壓力加大有加速增加的趨勢(shì)，表明鈣質(zhì)砂顆粒出現(xiàn)了越來越多的顆粒破碎，且顆粒破碎程度越來越明顯。

圖5 不同正壓力下剪切后鈣質(zhì)砂樣參數(shù)變化趨勢(shì)Fig.5 Variation tendency of parameters of calcareous sands by direct shear tests under different normal pressures

圖6 鈣質(zhì)砂抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系曲線Fig.6 Relationships between shear strength and vertical pressures of calcareous sands

2.4 鈣質(zhì)砂剪切強(qiáng)度特征分析

原鈣質(zhì)砂樣在不同正壓力下進(jìn)行直剪試驗(yàn)，可得到原砂樣的強(qiáng)度包絡(luò)線。原鈣質(zhì)砂樣直剪試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)剪切后的鈣質(zhì)砂樣重塑后再次進(jìn)行不同正壓力下的直剪試驗(yàn)，兩次試驗(yàn)所得鈣質(zhì)砂直剪試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度-豎向壓力關(guān)系曲線如圖6所示。

由圖6可見，原鈣質(zhì)砂樣的內(nèi)摩擦角為46.7°，破碎后的鈣質(zhì)砂樣內(nèi)摩擦角為39.5°。鈣質(zhì)砂顆粒破碎前內(nèi)摩擦角比顆粒破碎后內(nèi)摩擦角數(shù)值大，且均大于天然休止角數(shù)值32.6°。原鈣質(zhì)砂樣顆粒形狀較不規(guī)則、土粒表面粗糙，級(jí)配良好，所以其內(nèi)摩擦角較大。從顆粒級(jí)配分析可知，鈣質(zhì)砂在不同正壓力直剪試驗(yàn)后受顆粒破碎影響，鈣質(zhì)砂顆粒級(jí)配變得不良，從而導(dǎo)致破碎后的鈣質(zhì)砂樣內(nèi)摩擦角變小，說明鈣質(zhì)砂顆粒的破碎性對(duì)剪切強(qiáng)度指標(biāo)有影響。另外，鈣質(zhì)砂直剪試驗(yàn)中，試樣有一定的密實(shí)度，試驗(yàn)得到的是峰值強(qiáng)度，因此所得的鈣質(zhì)砂樣內(nèi)摩擦角均大于其天然休止角。

2.5 鈣質(zhì)砂剪切破碎機(jī)理分析

圖7 鈣質(zhì)砂的剪切強(qiáng)度Fig.7 Behaviors of calcareous sands

鈣質(zhì)砂是分布于熱帶海洋中的一種特殊巖土介質(zhì)，鈣質(zhì)砂沉積過程中，一般未經(jīng)過長途搬運(yùn)，保留了一些原生物的形態(tài)。由于其成因和結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，鈣質(zhì)砂顆粒多為珊瑚殘枝，海生生物的骨架，以及一些包裹體，顆粒強(qiáng)度低，質(zhì)脆，多為不規(guī)則顆粒狀。顆粒形狀的不規(guī)則性使其受到作用力時(shí)，棱角處極易產(chǎn)生斷裂，在較低應(yīng)力水平下就會(huì)產(chǎn)生顆粒破碎，從而影響其宏觀力學(xué)性質(zhì)。

鈣質(zhì)砂直剪試驗(yàn)強(qiáng)度包絡(luò)線基本呈線性關(guān)系，但該強(qiáng)度包絡(luò)線是密實(shí)鈣質(zhì)砂的峰值強(qiáng)度包絡(luò)線，并非殘余強(qiáng)度包絡(luò)線。而實(shí)際起主要作用的是殘余強(qiáng)度(見圖7)，圖中q為剪應(yīng)力，p′為正應(yīng)力，ε1為應(yīng)變，Critical state為極限剪切狀態(tài)，密實(shí)鈣質(zhì)砂殘余強(qiáng)度的內(nèi)摩擦角與松砂剪切強(qiáng)度內(nèi)摩擦角趨于一致，松砂內(nèi)摩擦角數(shù)值等于或接近砂的天然休止角。

鈣質(zhì)砂內(nèi)摩擦角隨試樣的顆粒級(jí)配而發(fā)生變化，級(jí)配良好的砂顆粒間接觸點(diǎn)多，顆粒的不規(guī)則程度大，顆粒表面粗糙程度大，顆粒間咬合力大，因而其內(nèi)摩擦角也較大。當(dāng)應(yīng)力增大到某一程度后，鈣質(zhì)砂顆粒破碎比較嚴(yán)重，顆粒級(jí)配因而變得不良，內(nèi)摩擦角隨之減小。

3 結(jié) 語

通過對(duì)南海某島礁鈣質(zhì)砂樣在不同正壓力下剪切試驗(yàn)及砂樣顆粒破碎特性和機(jī)理的分析，可得出如下結(jié)論：

(1)鈣質(zhì)砂直剪試驗(yàn)隨正壓力加大顆粒破碎加劇，粗顆粒含量減少，細(xì)顆粒含量增加。

(2)在不同的顆粒粒徑區(qū)間，顆粒破碎程度不同，粒徑越小的區(qū)間，顆粒含量增加的程度越大。

(3)不同壓力的直剪試驗(yàn)，由于顆粒破碎影響，鈣質(zhì)砂的級(jí)配性質(zhì)由量變發(fā)展到質(zhì)變，鈣質(zhì)砂由原砂樣的良好級(jí)配成為不良級(jí)配。

(4)鈣質(zhì)砂直剪試驗(yàn)強(qiáng)度包絡(luò)線為剪切峰值強(qiáng)度包絡(luò)線，而非殘余強(qiáng)度包絡(luò)線。鈣質(zhì)砂殘余強(qiáng)度的內(nèi)摩擦角等于或接近天然休止角。從工程安全角度考慮，選用鈣質(zhì)砂內(nèi)摩擦角時(shí)應(yīng)以等于或接近天然休止角為宜。