秦月，姚 婷，汪 稔，朱長歧，孟慶山

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

1 引 言

南海海域的工程建設(shè)涉及海洋資源開發(fā)、國家發(fā)展、國防建設(shè)等重大核心利益[1-3]，使珊瑚礁工程的開發(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)過物理、生物和化學(xué)作用過程形成的碳酸鹽沉積物。沉積過程未經(jīng)長途搬運(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（見圖1），砂粒徑＜2 mm（見圖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，但隨著荷載的逐步增大，試樣壓縮量的增長速率逐漸趨于穩(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，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 過程中的變形規(guī)律，該過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，與破碎顆粒孔隙的大小、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、礫這類沉積物與石英砂的重要區(qū)別之一。對(duì)此類試樣飽水后開展固結(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圍水的表面張力則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。

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