钙质砂物理力学性质试验中的一些问题
珊瑚礁钙质砂中的一些问题
1、土的压缩模量指在侧限条件下土的垂直向应力与应变之比，是通过室内试验得到的，是判断土的压缩性和计算地基压缩变形量的重要指标之一。
Es=σ/ε，越大，越坚硬，越难压缩，单位是MPa。
土体压缩系数是描述土体压缩性大小的物理量，被定义为压缩试验所得e-p 曲线上某一压力段的割线的斜率。
越大，压缩性越高，单位是MPa（^-1）。
2、液化：液化指物质由气态转变为液态的过程，会对外界放热。
实现液化有两种手段，一是降低温度，二是压缩体积。
由于通常气体液化后体积会变成原来的几千分之一，便于贮藏和运输，所以现实中通常对一些气体（如氨气、天然气）进行液化处理，由于这两种气体临界点较高，所以在常温下加压就可以变成液体，而另外一些气体如氢、氮的临界点很低，在加压的同时必须进行深度冷却。
砂土液化：液化指物质由气态转变为液态的过程，会对外界放热。
实现液化有两种手段，一是降低温度，二是压缩体积。
由于通常气体液化后体积会变成原来的几千分之一，便于贮藏和运输，所以现实中通常对一些气体（如氨气、天然气）进行液化处理，由于这两种气体临界点较高，所以在常温下加压就可以变成液体，而另外一些气体如氢、氮的临界点很低，在加压的同时必须进行深度冷却。
3、结合水：结合水是水在生物体和细胞内的存在状态之一，是吸附和结合在有机固体物质上的水，主要是依靠氢键与蛋白质的极性基（羧基和氨基）相结合形成的水胶体。
自由水：自由水，（free water）又称体相水，滞留水。
指在生物体内或细胞内可以自由流动的水，是良好的溶剂和运输工具。
水在细胞中以自由水与束缚水（结合水）两种状态存在，由于存在状态不同，其特性也不同。
自由水占总含水量的比例越大，使原生质的粘度越小，且呈溶胶状态，代谢也愈旺盛。
自由水与结合水是生物学中的概念，用在这里实在不恰当。
4、同位素标记法：同位素可用于追踪物质的运行和变化规律。
借助同位素原子以研究有机反应历程的方法。
即同位素用于追踪物质运行和变化过程时，叫做示踪元素。
载荷试验在钙质砂地层中的应用
ｌ 一 １ 样、 １ ． ２＃ 、 ｌ 一 ３＃。
２ ）第 二 组 试 验 ：试 验 点 布 置 在 ０ ． ６ ０ ｍ 深 度 处 ，其 下地 层 为 钙质 砂 ，地 下 水 位 埋 深 ０ ． ５ ７ ｍ 。 目的 是 测 试饱 和状 态 下
关键词 ：钙质砂 ；载荷试验 ；变形模量 ；地基承载力
中 图 分 类 号 ：Ｔ Ｕ ４ １ ３
引 言
一
、
附录 Ｃ，本次浅层 平板载 荷试 验要点如下 ： １ ）试验加载 ：最大加载量 ５ ０ ０ ｋ Ｎ，每级加载后 ，按间 隔 １ ０ ｍｉ ｎ， １ ０ ｍｉ ｎ 、１ ０ ｍｉ ｎ 、ｌ ５ ａｉ ｒ ｎ、 １ ５ ａｉ ｒ ｎ，以后为每 间隔半小时测读一 次沉 降量 ，当在连续两小 时内 ，每小时的
根据 建 筑地基基 础设计 规范 ＞ ）（ ＧＢ５ ０ ０ ０ ７ — ２ ０ ｌ １ ）
收 稿 日期 ：２ ０ １ ３ — １ ２ — ０ ２
作者简介 ：汪正金 （ １ ９ ７ ９ 一 ） ，男 ，２ ０ １ １级硕 士研究生 ，工程师 ，主 要从事岩土工程方面研究 。
（ １ ）试 验 装 置
１ ）承 压板及加载装 置 ：承压 板尺寸为 １ ． ０×１ ． Ｏ ｍ。 和
０． ５ｘ０． ５ ｍ。 ，板 底铺 设 厚 度 为 ２ ０ ａｍ 中粗 砂 找 平 层 ，采 用 ｒ
千 斤顶和油压表作 为加载控 制装置 ，反力 系统为压重平 台反 力装 置，本次试验 采用沙包构成加载反力系统 （ 见图 １ ） 。 ２） 沉降观测装置 ： 在承压板 四边分 别架设机械 式百分表 ， 百分表 的支架采 用脚手架钢管 ， 钢管 固定在独立 的基 准桩 上。
钙质砂土中的桩基础工程综述
钙质砂土中的桩基础工程综述周杨;刘晓宇;李世海【摘要】桩基础广泛应用于钙质砂土这类高压缩性地基中。
在总结钙质砂土的成因、分布特点、基本物理性质和力学特性的基础上，认为在钙质砂土地基中传统打入桩提供的承载力不能满足工程要求，并针对传统打入桩失败原因进行了分析。
详细介绍了两种新型桩结构形式、施工方法、承载力特性及存在的问题，对两种新型桩进行了比较。
总结了两种新型桩的优缺点，提出对新型桩形式的可能的改进方案。
在总结已有研究的基础上，建议引入数值模拟方法配合试验研究的新思路。
%Pile foundations are widely used in compressible soils such as calcareous sediments. Based on an introduction of the origin, distribution, basic physical properties and mechanical properties of calcareous soils, it is concluded that traditional driven piles are ineffective in calcareous soils and the reasons for it are analyzed. A review of the published literature pertaining to pile foundations in calcareous soils is summarized, and two new types of piles are described, along with their structural types, construction methods, bearing capacity characters, existing problems and comparison between them. Each method has its own advantages and disadvantages. Some improved schemes are proposed and new research approaches combing experiments with numerical simulation are suggested.【期刊名称】《水运工程》【年(卷),期】2013(000)009【总页数】8页(P143-150)【关键词】钙质砂土;桩基础;钻孔灌注钢管桩;灌浆打入桩;数值模拟;模型试验【作者】周杨;刘晓宇;李世海【作者单位】中国科学院力学研究所，北京100190;中国科学院力学研究所，北京100190;中国科学院力学研究所，北京100190【正文语种】中文【中图分类】TU473;TU449随着我国经济的发展，对能源的需求日益增加，加之国防安全的需要，南海海域因其丰富的资源和重要的地理位置，未来将兴建大量的海上现代化工程。
冲击荷载下钙质砂侧限压缩及颗粒破碎试验研究
冲击荷载下钙质砂侧限压缩及颗粒破碎试验研究王帅;雷学文;孟庆山;孙超;胡思前;徐亚飞【摘要】海洋动力环境中钙质砂受荷载时的压缩变形特性是工程建设考虑的重要因素.对1~2 mm粒径钙质砂在侧限条件下进行静荷加载、冲击加载、冲击后静荷加载试验,分析试样在三种加载方式下的e-P曲线,运用Hardin模型中的相对破碎率Br值对其颗粒破碎进行度量.试验结果表明:相同荷载幅值水平下,相对静荷加载,试样对冲击加载较为敏感,其压缩变形更加明显,颗粒级配变化更显著;冲击加载时,存在临界冲击次数Ncr,此时试样孔隙比趋于稳定;且冲击荷载幅值越大,相应临界冲击次数Ncr值越大;同时发现冲击加载会影响试样压缩性,冲击加载时试样颗粒破碎程度越高,冲击加载后静荷加载时表现的压缩性越低,颗粒相对破碎率Br值变化越小,试验结论对工程建设具有一定参考意义.%The compression deformation properties of calcareous sand under load in the ocean dynamic environment is an important factor to consider.The static load,impact load and static load after impact were carried with the calcareous sand particle samples the diameter of which are within 1~2 mm under unconfined conditions.The e-P curve of calcareous sand is determined under three different loading methods.The relative breakage,Br value,in the Hardin model is used to measure particle breakage.The test results show that the calcareous sand samples are more sensitive to the impact load compared with the static load and is more distinct in compressive deformation under the same overload amplitude;there exists a critical number ofimpact,Ncr,when sample void ratio has been stable.The greater the amplitude of impact load,the larger the value of Ncr.The results also showsthat impact load could influence the compressive property of samples;the higher particle breakage degree the samples are in under impact load,the lower compression degree the samples showed under static load after impact load,and the smaller the relative breakage,Br value,changes.The conclusion has a certain reference significance to engineering construction.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2017(017)009【总页数】6页(P67-72)【关键词】岩土工程;钙质砂;冲击荷载;侧限压缩;颗粒破碎【作者】王帅;雷学文;孟庆山;孙超;胡思前;徐亚飞【作者单位】武汉科技大学城市建设学院,武汉 430065;武汉科技大学城市建设学院,武汉 430065;中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,武汉 430071;武汉科技大学城市建设学院,武汉 430065;江汉大学化学与环境工程学院,武汉 430056;武汉科技大学城市建设学院,武汉 430065【正文语种】中文【中图分类】TU411.3钙质砂多出现于地球北纬30°和南纬30°之间的珊瑚岛礁以及附近海域，在我国南海诸岛上有广泛分布，其主要成分为碳酸钙，具有疏松多孔、形状不规则的特点，在较低应力水平下即会发生颗粒破碎，因其表现出有别于陆源砂的物理力学性质，引起学者们的普遍关注[1—5]，对其相继开展了相关研究，取得丰富的研究成果[6—12]。
钙质砂剪切特性试验研究
第27卷 增1岩石力学与工程学报 V ol.27 Supp.12008年6月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering June ，2008收稿日期：2006–12–28；修回日期：2007–03–27基金项目：国家自然科学基金资助项目(40272121)；科技部批准“十五”南沙群岛及其邻近海区综合调查项目2001年度中央级科研院所社会公益研究专项资金项目(2001DIA50041)作者简介：张家铭(1976–)，男，博士，1998年毕业于中国地质大学勘察工程专业，现任讲师，主要从事海洋土力学方面的教学与研究工作。
E-mail ：钙质砂剪切特性试验研究张家铭1，张 凌1，刘 慧2，王金娟3，芮群英4(1. 中国地质大学 工程学院，湖北 武汉 430074；2. 湖北省京珠高速公路管理处，湖北 武汉 430056；3. 三峡大学 土木水电学院，湖北 宜昌 443002；4. 江汉机械研究所，湖北 荆州 434000)摘要：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。
关键词：土力学；钙质砂；三轴试验；力学特性中图分类号：TU 43 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2008)增1–3010–06EXPERIMENTAL RESEARCH ON SHEAR BEHA VIOR OFCALCAREOUS SANDZHANG Jiaming 1，ZHNAG Ling 1，LIU Hui 2，WANG Jinjuan 3，RUI Qunying 4(1. Faculty of Engineerings ，China University of Geosciences ，Wuhan ，Hubei 430074，China ； 2. Hubei Beijing —Zhuhai Expressway Managment Service ，Wuhan ，Hubei 430056，China ；3. College of Civil Hydroelectric Engineering ，China Three Gorges University ，Yichang ，Hubei 443002，China ；4. Jianghan Machinery Research Institute ，Jingzhou ，Hubei 434000，China )Abstract ：The results of drained shear tests carried out on calcareous sand sample from the South China Sea were presented. The tests reveal that the relation between the stress and strain changes when the confining pressures are changed. Under low pressure ，it is similar to the terrigenous sand ；and under the medium confining pressure ，the mechanical property of the calcareous sand is just analogous with that of the terrigenous sand under high stress level. The particle breakage results in liberation of the close interspace. Thus the volume of strain is much larger than that of quartz sand ，which makes almost all the deformation irreversibly plastic during shear process. And the results also indicate that the dilatancy and ratio of stress are closely related to the confining pressures ，they decrease as the confining pressures increase.Key words ：soil mechanics ；calcareous sand ；triaxial test ；mechanical characteristics1 引 言钙质砂通常指富含碳酸钙或其他难溶碳酸盐类物质的特殊介质，是海洋沉积物中的一种，多发现于北纬30°和南纬30°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、红海以及澳大利亚西部大陆架和巴斯海峡等地都有分布，其第27卷 增1 张家铭，等. 钙质砂剪切特性试验研究 • 3011 •主要矿物成分为碳酸钙，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而形成的一种与陆相沉积有很大差异的碳酸盐沉积物。
不同正压力下钙质砂颗粒剪切破碎特性分析
不同正压力下钙质砂颗粒剪切破碎特性分析齐永正;袁梓瑞;杨永恒【摘要】钙质砂受力后易产生颗粒破碎,从而使其力学性质发生变化.对取自我国南沙某岛礁的钙质砂样进行了不同正压力下的直剪试验.分析了钙质砂颗粒剪切破碎特性,并就不同试验压力下剪切后钙质砂样的颗粒破碎程度通过筛分试验进行了粒径级配分析.结果表明,在不同正压力下进行直剪试验,钙质砂存在一定的颗粒破碎现象,随着正压力增大,颗粒破碎越来越严重;由于钙质砂颗粒破碎的影响,剪切后钙质砂的颗粒级配性质发生改变,随正压力增大钙质砂由级配良好逐渐变得级配不良.钙质砂直剪试验强度包络线为峰值强度包络线,而非残余强度包络线.钙质砂残余强度的摩擦角数值等于或接近砂的天然休止角.从工程安全角度考虑,选用钙质砂的内摩擦角应等于或接近天然休止角.【期刊名称】《水利水运工程学报》【年(卷),期】2018(000)005【总页数】6页(P63-68)【关键词】正压力;钙质砂;剪切;颗粒破碎【作者】齐永正;袁梓瑞;杨永恒【作者单位】江苏科技大学土木工程与建筑学院, 江苏镇江 212000;河海大学土木与交通学院, 江苏南京 210098;江苏科技大学土木工程与建筑学院, 江苏镇江212000;江苏科技大学土木工程与建筑学院, 江苏镇江 212000【正文语种】中文【中图分类】TU411天然胶结钙质砂[1]是广泛分布于热带及亚热带海洋中由生物碎屑经碳酸钙胶结或固结而形成的碳酸盐岩类，其分布范围覆盖了大陆架50%的面积，有超过55%的海床为钙质砂所覆盖。
我国的南海岛礁上广泛地分布着天然胶结钙质砂[2-6]，颗粒矿物组成以文石、方解石为主(达90%以上)。
研究发现，天然胶结钙质砂具有高孔隙比、颗粒易破碎且胶结不均匀等特征，与常规陆源砂相比，钙质砂在较低围压下就会产生颗粒破碎。
其独特的工程性质常常给岩土工程设计与施工带来麻烦，有时造成工程事故。
由于钙质砂特殊的工程性质，促进了人们对天然胶结钙质砂物理力学性质的深入研究。
我国钙质砂工程特性研究文献统计与分析
我国钙质砂工程特性研究文献统计与分析发表时间：2019-01-02T10:40:03.733Z 来源：《建筑学研究前沿》2018年第28期作者：谢凌峰1 徐亚飞1 许洁丽1 王帅1 孟庆山2 雷[导读] 钙质砂是一种碳酸钙含量达到50%以上的海洋生物成因的地质材料[1－5]。
1.武汉科技大学城市建设学院湖北武汉 430065；2.中国科学院武汉岩土力学研究所湖北武汉 430070；摘要：对我国20年来国内关于钙质砂工程特性的研究进行了统计分析、研究了其历史、研究单位、论文数量、国内团队建设情况作了分析和统计、对学术论文的研究方向、研究单位、发表数量，研究重点、申请专利，专利来源、技术改进等各个方面进行了分析，根据文献对相应的知识，对未来的研究方向提出展望。
1引言钙质砂是一种碳酸钙含量达到50%以上的海洋生物成因的地质材料[1－5]。
从微观结构上来看，具有棱角度高、形状不规则、强度低且含有内孔隙等特点，使得其工程力学特性明显有别于一般的陆相、海相沉积物。
近20多年来，我国海洋经济的快速发展，海洋开发对中国有重要的战略意义，从而带动了有关海洋岩土的研究。
岛礁建设中越来越多的钙质砂工程特性构筑物开始修建。
研究钙质砂工程特性特性的文献也越来越多，通过对这些文献的研究，进一步分析钙质砂工程特性研究的相关热点情况具有一定意义。
1.1文献发表整体概况本文以中国知网为检索样本，以钙质砂为关键词进行了检索，来获取关于钙质砂工程特性研究文献统计分析。
该数据库是国内权威知名的专利技术分析的主要数据库，能够大致总体反映出国内钙质砂工程特性研究的现状与趋势、收录的情况比较全面。
经过检索，涉及钙质砂工程特性研究的共有186篇，其中关于研究颗粒破碎的文献有45篇，力学特性有16篇，抗剪强度有13篇，孔隙比有13篇，石英砂有13篇，孔隙水压力有12篇，碎屑沉积物有11篇，桩基工程有10篇，颗粒级配有9篇，本文以此作为分析的数据样本。
聚氨酯固化钙质砂物理力学特性
聚氨酯固化钙质砂物理力学特性
王智超;彭柱;彭峰;闫实
【期刊名称】《长江科学院院报》
【年(卷),期】2024(41)1
【摘要】聚氨酯加固是一种新型环保快速的土质改良方法。
针对南海钙质砂采用聚氨酯快速改良,并通过室内试验验证该处置方法的有效性和适用性。
通过对聚氨酯固化钙质砂试样开展无侧限抗压强度试验、静力荷载和循环荷载下的三轴试验以及渗透试验,研究聚氨酯固化钙质砂的最佳凝胶时间,静、动强度特性及渗透特性。
试验结果表明:固化试样的最佳凝胶时间为6.5 h;随着掺量的增加,固化钙质砂黏聚力得到显著提高,内摩擦角基本保持不变,在海水环境养护下的聚氨酯钙质砂仍然保持了较高的强度;随着掺量的增加,聚氨酯钙质砂的初始动剪切模量增加,最大阻尼比降低;钙质素砂渗透系数的数量级为10^(-6),掺入2%~10%聚氨酯后数量级降至10^(-8)~10^(-7),聚氨酯补漏效果较好。
【总页数】7页(P107-113)
【作者】王智超;彭柱;彭峰;闫实
【作者单位】湘潭大学岩土力学与工程安全湖南重点实验室;湘潭大学土木工程学院;中国建筑第五工程局有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TU443
【相关文献】
1.纤维加筋MICP固化钙质砂的抗拉强度特性研究
2.纳米SiO_(2)-超细水泥固化钙质砂静力特性试验
3.不同活性炭含量下MICP加固钙质砂的物理力学特性研究
4.模拟海水环境下MICP固化钙质砂的力学特性
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不同颗粒级配钙质砂剪切特性研究
不同颗粒级配钙质砂剪切特性研究LUO Huiwu;CHEN Peishuai;CHEN Weizhong;CHEN Xianglong【摘要】为研究钙质砂剪切特性,对某岛钙质砂进行4组固结排水三轴试验,其围压分别是50、100、200、400 kPa.应力应变曲线表明钙质砂体变先剪缩后剪胀,在剪胀发展的过程中伴随应变软化现象.为进一步探究钙质砂应变软化的原因,筛除粒径小于0.5 mm,重复试验.研究结果表明大颗粒的钙质砂并没有出现应变软化现象.给出如下结论:(1)应变软化出现的位置此较偏后,且随着围压的增长,峰值强度会逐渐后移;(2)在低围压条件下钙质砂颗粒破碎诱发的应变软化可能性低;(3)细小颗粒诱发扁平状钙质砂出现定向滑移是试样表现应变软化的关键因素;(4)围压越高细小颗粒诱发应变软化的难度越大,峰值强度逐渐后移,并伴随着剪切带的出现.【期刊名称】《河北工程大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(035)004【总页数】5页(P40-43,50)【关键词】钙质砂;颗粒级配;三轴试验;剪切特性;应变软化【作者】LUO Huiwu;CHEN Peishuai;CHEN Weizhong;CHEN Xianglong 【作者单位】;;;【正文语种】中文【中图分类】TU441钙质砂广泛分布在热带海洋地区，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，形成的土颗粒具有多孔隙(含有内孔隙)、形状不规则、易破碎以及颗粒易胶结等特点，这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[1-7]。
在钙质砂地层进行基础建设案例逐渐变多，众多学者对其进行了深入研究，取得了丰厚成果[4，8-12]。
随着“一带一路”政策的推进，工程面临钙质砂地基的情况由特殊案例过渡到常规案例。
研究钙质砂力学特性将助力“一带一路”基建工程的顺利开展。
本文通过三轴固结排水试验，着重探讨钙质砂剪切强度变化的原因。
钙质砂动态力学特性试验研究
钙质砂动态力学特性试验研究魏久淇;王明洋;邱艳宇;赵章泳【摘要】利用改进的直径37 mm分离式霍普金森铝制压杆,对级配相同的钙质砂与福建标准砂开展了35组被动围压冲击试验,研究了应变率和密度对两种砂动态力学特性的影响.结果表明:两种砂在该研究中的应变率范围内基本没有应变率效应;密实度相同时,石英砂的承载力远大于钙质砂;应变相同时,初始密度越大,砂的承载力越大.在荷载作用下,砂的静水压力p与密度ρ存在一一对应关系,拟合出了钙质砂的P-(P/P0)物态方程,并得到在一维应变条件下钙质砂p-εv的方程.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2018(037)024【总页数】6页(P7-12)【关键词】钙质砂;石英砂;分离式霍普金森压杆(SHPB);应变率效应;物态方程【作者】魏久淇;王明洋;邱艳宇;赵章泳【作者单位】陆军工程大学防灾减灾爆炸冲击国家重点实验室,南京210007;军事科学院国防工程研究院,河南洛阳471023;河南省特种防护材料重点实验室,河南洛阳471023;陆军工程大学防灾减灾爆炸冲击国家重点实验室,南京210007;陆军工程大学防灾减灾爆炸冲击国家重点实验室,南京210007;陆军工程大学防灾减灾爆炸冲击国家重点实验室,南京210007【正文语种】中文【中图分类】O347钙质砂作为一种海洋生物成因的岩土介质，主要成份为CaCO3,广泛分布于北纬30°和南纬30°之间热带海洋地区，其生成机制的特殊性，形成了压缩性高，孔隙比大，内摩擦角大，颗粒易破碎等特性[1-5]。
近年来，我国“一带一路”愿景的达成，海上丝绸之路途径地区多为钙质砂分布区，南海诸岛和海外基地建设及维护的需求越来越大。
岛礁建设和维护都避不开深厚的原状或吹填的钙质砂地基，同时，中国面临海上一场信息条件下的局部战争的风险有增无减，南海诸岛及海外基地港口的前哨作用越来越大。
岛礁上钙质砂，不仅自身常受到风、浪等周期荷载的作用，而且可能还承受飞机降落、爆炸冲击等强荷载的作用。
钙质砂抗剪强度的试验研究
钙质砂抗剪强度的试验研究
袁宇洋;黄昕;张子新
【期刊名称】《地球科学前沿（汉斯）》
【年(卷),期】2024(14)2
【摘要】文章主要是通过对钙质砂和硅质砂进行直剪试验,探究钙质砂的剪切破坏和抗剪强度与硅质砂的区别,并对钙质砂设置不同的孔隙比和颗粒级配、以及干砂与湿砂的对比试验,研究多种参数对钙质砂抗剪强度的影响。
结果表明:钙质砂的黏聚力随着不均匀系数增加先减小后增大,而内摩擦角先增大后减小;钙质砂的黏聚力和内摩擦角均随着孔隙比增加而减小;钙质湿砂的黏聚力和内摩擦角均比钙质干砂的小;随着剪切位移随来越大,硅质砂的剪应力先增大后减小,出现明显的峰值,钙质砂的剪应力持续增大;同等条件下,钙质砂的黏聚力和内摩擦角都远大于硅质砂。
【总页数】11页(P119-129)
【作者】袁宇洋;黄昕;张子新
【作者单位】同济大学土木工程学院;新疆大学建筑工程学院乌鲁木齐
【正文语种】中文
【中图分类】TU4
【相关文献】
1.钙质砂的抗剪强度与干密度的拟合研究
2.考虑颗粒级配影响的高聚物改良钙质砂抗剪强度特性试验研究
3.颗粒破碎及剪胀对钙质砂抗剪强度影响研究
4.未胶结钙
质砂静力和循环强度的单剪试验研究5.微生物加固钙质砂强度演化过程的环剪试验研究
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钙质砂的SHPB实验技术及其动态力学性能
钙质砂的SHPB实验技术及其动态力学性能吕亚茹;王明洋;魏久淇;廖斌【摘要】开展了11组南海钙质砂和福建石英砂的分离式霍普金森压杆(SHPB)实验,试样相对密实度为90％,厚度分别为10、30和50 mm,得到了冲击荷载下钙质砂和石英砂的应变率时程曲线、应变时程曲线和应力应变关系.实验结果表明:通过严格装样技术可以减小实验设备产生的误差,改变试样厚度、子弹长度、整形器等是实现钙质砂应力平衡和恒应变率的主要手段.在相同的密实度和加载条件下,钙质砂的体积模量和剪切模量约为石英砂的10％,压缩强度和抗剪强度约为石英砂的30％.冲击荷载作用下钙质砂的动态力学性能与石英砂存在较大的差异,因此不能将已有石英砂的研究结果直接用于钙质砂.【期刊名称】《爆炸与冲击》【年(卷),期】2018(038)006【总页数】9页(P1262-1270)【关键词】钙质砂;霍普金森压杆;冲击特性;应力应变曲线【作者】吕亚茹;王明洋;魏久淇;廖斌【作者单位】河海大学力学与材料学院,江苏南京210098;香港科技大学土木与环境学系,香港999077;陆军工程大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室,江苏南京210007;陆军工程大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室,江苏南京210007;陆军工程大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室,江苏南京210007;陆军工程大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室,江苏南京210007【正文语种】中文【中图分类】O347.4霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)实验是研究中高应变率下材料力学性能最主要、可靠的实验方法之一，是冲击动力学实验技术的重要组成部分，利用霍普金森杆不仅可以实现高应变率(102～104 s-1)单轴压缩、剪切加载，还可实现动态压-剪复合加载，主、被动围压复杂加载，以及100～101 s-1中应变率加载[1]。
早在1967年，E.Fletcher等[2]首次通过SHPB研究了土的动态特性，由于土体为散体材料，实验时需要通过套筒和垫块将土样固定，土样夹在垫块之间如同“三明治”，通过粘贴在入射杆和透射杆上的高灵敏度应变片采集试样的应力、应变时程曲线[3]。
钙质砂中的桩基工程研究进展述评
2
桩基场址岩土工程调查和现场测试
钙质砂海域现场勘探方法很多, 而且最初的研究
也是从此方向起步的。多年来 , 研究成果很多 , 涉及面 广, 所用的测试方法 , 主要有 : 静力触探、 标贯、 重型动 力触探、 轻型动力触探、 平板载荷试验、 水平载荷试验、 旁压试验、 钢土摩擦试验、 钻进参数测试以及打入桩动 力打桩评价等。 ( 1) 静力触探试验 平台
300
岩
土
力
学
2000 年
对待[ 9] 。直到八十年代中 开始的 ! 七五∀ ~ ! 九五 ∀ 中 国科学院武汉岩土力学研究所和南海海洋研究所在南 沙综合科学考察中, 才开始将钙质砂作为一种具有特 殊工程力学性质的研究对象 , 从珊瑚礁工程地质勘察 与评价、 钙质砂基本工程力学性质、 颗粒破碎特性、 以 及桩基工程等方面展开了全面深入的研究 。另 外, 中国科学院力学研究所在钙质砂基本力学性质方 面也做了一定工作
Development of study on pile in calcareous sand
SHA N H ua gang , WA NG Ren
( I nsitute of Ro ck and Soil M echanics, CAS, Wuhan 430071, China) Abstract: In t his paper, t he history and the cur rent situation of studies on piles in calcareous sands are systematically summa rized, and the reason fo r low bearing capacity of piles in calcar eous soils is analysed. Some important study tendencies in the fu ture are pr oposed. Key Words: calcareous soil ; pile ; bearing behav iour
颗粒破碎对钙质砂的应力-应变及强度影响研究
颗粒破碎对钙质砂的应力-应变及强度影响研究陈火东;魏厚振;孟庆山;王志兵;冯铮【摘要】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,对于钙质砂这种易破碎的材料更是如此.为进一步弄清颗粒破碎对钙质砂的应力-应变强度影响,本文对钙质砂进行三轴固结排水剪切试验得到应力-应变曲线,并筛分得到三轴试验前后钙质砂颗分曲线.通过引入Hardin定义的颗粒相对破碎率Br,分析了相对密度、围压与颗粒破碎的关系及颗粒破碎对钙质砂应力-应变和抗剪强度的影响.结果表明:随围压的增大颗粒破碎增量逐渐减小,直到破碎达到一个上限值,此时围压和相对密度对颗粒破碎影响很小;颗粒间的滑动标志着应力达到极限状态,而颗粒破碎会阻碍应力达到极限状态,在本实验中,低围压时颗粒破碎少,颗粒相对运动形式为滑移,使应力-应变曲线为软化型,高围压下颗粒破碎严重,颗粒破碎在剪切过程中始终发生,使应力-应变曲线呈应变硬化型;颗粒破碎使体变从剪胀逐渐发展到剪缩,且破碎越严重剪缩越严重;在低围压下钙质砂强度主要由剪胀和咬合提供,高围压下颗粒破碎严重,剪胀消失,咬合减小,使峰值摩擦角减小,抗剪强度降低.%The crushing of particles is one of the important factors that cause change of the sand mechanical properties, in particular the fragile material calcareous sand. This paper aims to further understand the effect of particle crushing on the stress-strain and shear strength of calcareous sand. It carries out a series of triaxial sheartests on calcareous sand with different relative densities under different confining pressures. It analyzes the particle size distribution curves of calcareous sand samples before and after tests. It discusses the particle breakage rules of calcareous sand as well as their influencing factors. Through triaxial tests the stress-strain curve of the calcareous sandis obtained. The relationship between relative density and particle crushing, confining pressure and particle crushing, and the effect of particle crushing on stress-strain and shear strength of calcareous sand were analyzed by introducing Hardin 's relative breaking ratio Br. The results show that with the increase of confining pressure, the increment of particle shrinkage decreases gradually until the crushing reaches an upper limit. Then the confining pressure and relative density have little effect on the particle crushing. The influence degree of relative density on particle crushing is less than confining pressure. Sliding friction can bring about the stress increase to a limit state.The particle crushing result in the stress cannot reach the state. In the experimental condition, particles are less broken under low confining pressure and the relative motion form among particles is slip, so the stress-strain curve is soften strain type. Under high confining pressure the particles crushing becomes serious and occurs throughout the shear process. So the stress-strain curve is hardening strain type. Particle breakage makes the volume gradually change from the dilatancy to the shrinkage. The more serious the breakage is, the more obvious the shrinkage is.Under low confining pressure the strength of calcareous sand is mainly provided by dilatancy and interlocking. Due to the serious particles breakage under high confining pressure, the dilatancy disappears and the interlocking decreases, so the peak friction angle decreases and the shear strength reduces.【期刊名称】《工程地质学报》【年(卷),期】2018(026)006【总页数】9页(P1490-1498)【关键词】钙质砂;三轴试验;颗粒破碎;强度【作者】陈火东;魏厚振;孟庆山;王志兵;冯铮【作者单位】桂林理工大学土木与建筑工程学院,桂林 541004;广西岩土力学与工程重点实验室,桂林 541004;中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,武汉 430071;中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,武汉 430071;污染泥土科学与工程湖北省重点实验室,武汉 430071;中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,武汉 430071;污染泥土科学与工程湖北省重点实验室,武汉 430071;桂林理工大学土木与建筑工程学院,桂林 541004;广西岩土力学与工程重点实验室,桂林 541004;桂林理工大学土木与建筑工程学院,桂林 541004;广西岩土力学与工程重点实验室,桂林 541004【正文语种】中文【中图分类】P642.30 引言颗粒破碎是颗粒材料在外力作用下产生结构的破裂或破损，在工程建设中很常见，对工程的建设有很大影响。
基于动力触探钙质砂物理性质指标评价研究
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｌｏｇｙ 工程地质学报 １００４－９６６５／２０２０／２８（４） ０７３４ ０６薛润坤，李飒，林澜，等．２０２０．基于动力触探钙质砂物理性质指标评价研究［Ｊ］．工程地质学报，２８（４）：７３４－７３９．ｄｏｉ：１０．１３５４４／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｅｇ．２０１９－３０１ＸｕｅＲｕｎｋｕｎ，ＬｉＳａ，ＬｉｎＬａｎ，ｅｔａｌ．２０２０．Ｐｈｙｓｉｃａｌｉｎｄｅｘｅｓｏｆｃａｒｂｏｎａｔｅｓａｎｄｗｉｔｈｄｙｎａｍｉｃｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｔｅｓｔ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｌｏｇｙ，２８（４）：７３４－７３９．ｄｏｉ：１０．１３５４４／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｅｇ．２０１９－３０１基于动力触探钙质砂物理性质指标评价研究薛润坤①② 李 飒①② 林 澜①② 吴文娟③（①天津大学建筑工程学院，天津３００３５０，中国）（②天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津３００３５０，中国）（③中国科学院武汉岩土力学研究所，武汉４３００７１，中国）摘 要 钙质砂通常是指碳酸钙含量大于５０％的沉积物，与普通石英砂相比，其具有特殊的物理力学性质。
圆锥动力触探试验是一种常用的土工原位测试方法，目前有关动力触探贯入指标与土体物理力学性质之间关系的研究多集中于黏土和普通石英砂，针对钙质砂的相关成果较少。
有鉴于钙质砂的特殊性质，现有的评价方法是否适用于钙质砂存在较大的争议。
为解决这一问题，本次研究在总结前人研究成果的基础上，通过现场轻型动力触探试验，对其贯入指标与钙质砂平均粒径、各类密度和密实度之间的关系进行了探讨，采用数据拟合的方法建立了动力触探贯入指标与相应物理指标之间的表达式。
残差分析显示，这些公式具有一定的精度，相应的研究成果可为相关规范的修订以及实际工程的设计与施工提供参考。
关键词 圆锥动力触探试验；贯入指标；平均粒径；密度；密实度中图分类号：ＴＵ４１３ ５ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３５４４／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｅｇ．２０１９－３０１ＰＨＹＳＩＣＡＬＩＮＤＥＸＥＳＯＦＣＡＲＢＯＮＡＴＥＳＡＮＤＷＩＴＨＤＹＮＡＭＩＣＰＥＮＥＴＲＡ ＴＩＯＮＴＥＳＴＸＵＥＲｕｎｋｕｎ①② ＬＩＳａ①② ＬＩＮＬａｎ①② ＷＵＷｅｎｊｕａｎ③（①ＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００３５０，Ｃｈｉｎａ）（②ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＨｙｄｒａｕｌｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＳａｆｅｔｙ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００３５０，Ｃｈｉｎａ）（③ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＲｏｃｋａｎｄＳｏｉｌＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｗｕｈａｎ４３００７１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｃａｒｂｏｎａｔｅｓａｎｄｕｓｕａｌｌｙｒｅｆｅｒｓｔｏｔｈｅｓｅｄｉｍｅｎｔｗｉｔｈｃａｌｃｉｕｍｃａｒｂｏｎａｔｅｃｏｎｔｅｎｔｍｏｒｅｔｈａｎ５０％．Ｉｔｈａｓｓｐｅｃｉａｌｐｈｙｓｉｃａｌａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌｓａｎｄ．Ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｃｏｎｅｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｔｅｓｔｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｔｏｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｏｉｌｓ．Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｄｙｎａｍｉｃｃｏｎｅｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｉｎｄｅｘｅｓａｎｄｓｏｉｌｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｒｅｆｏｃｕｓｅｄｏｎｃｌａｙａｎｄｓｉｌｉｃｅｏｕｓｓａｎｄｗｈｉｌｅｗｅａｔｈｅｒｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｅｖａｌｕａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｉｓｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｃａｒｂｏｎａｔｅｓａｎｄｉｓｃｏｎｔｒｏｖｅｒｓｉａｌ．Ｔｏａｄｄｒｅｓｓｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍ，ｉｎｔｈｉｓｓｔｕｄｙ，ａｓｅｒｉｏｕｓｏｆｆｉｅｌｄｌｉｇｈｔｄｙｎａｍｉｃｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｔｅｓｔａｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓｏｆｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｃｏｎｅｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｉｎｄｅｘｗｉｔｈｒｅｓｐｅｃｔｔｏｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｉｎｄｅｘｅｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｍｅａｎｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅ，ｖａｒｉｏｕｓｄｅｎｓｉｔｉｅｓ，ａｎｄｒｅｌａｔｉｖｅｄｅｎｓｉｔｙｏｆｔｈｅｃａｒｂｏｎａｔｅｓａｎｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｉｎｓｉｔｕｔｅｓｔｓ，ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｃｏｎｅ 收稿日期：２０１９－０７－１５；修回日期：２０１９－１２－０１．基金项目：国家自然科学基金（资助号：５１８９０９１１），工信部高技术船舶科研项目（资助号：２０１６［２２］）．ＴｈｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｉｓｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（ＧｒａｎｔＮｏ．５１８９０９１１）ａｎｄｔｈｅＨｉｇｈＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＳｈｉｐＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｊｅｃｔｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＩｎｄｕｓｔｒｙａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＣｈｉｎａ（ＧｒａｎｔＮｏ．２０１６［２２］）．第一作者简介：薛润坤（１９９２－），男，硕士生，主要从事岩土工程方面研究．Ｅ ｍａｉｌ：ｘｕｅｒｋ＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ通讯作者简介：李飒（１９７０－），女，博士，教授，博士生导师，主要从事岩土工程方面研究和教学工作．Ｅ ｍａｉｌ：ｌｉｓａ＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｉｎｄｅｘａｎｄｐｈｙｓｉｃａｌｉｎｄｅｘｅｓａｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｆｏｒｔｈｅｃａｒｂｏｎａｔｅｓａｎｄ．Ｔｈｅｒｅｓｉｄｕａｌａｎａｌｙｓｉｓｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｓｅｆｏｒｍｕｌａｓａｃｈｉｅｖｅｃｅｒｔａｉｎａｃｃｕｒａｃｙ．Ｉｔｃａｎｂｅｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｉｎｄｅｘａｎｄｖａｒｉｏｕｓｄｅｎｓｉｔｉｅｓａｓｗｅｌｌａｓｒｅｌａｔｉｖｅｄｅｎｓｉｔｙｎｅｅｄｔｏｃｏｎｓｉｄｅｒｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆａｖｅｒａｇｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅ，ｗｈｉｃｈｉｓｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｅａｓｙｃｒｕｓｈｉｎｇｏｆｃａｒｂｏｎａｔｅｓａｎｄ．Ｔｈｅｓｅｒｅｓｕｌｔｓｃａｎｂｅｕｓｅｆｕｌｆｏｒｅｎｇｉｎｅｅｒｓｔｏｅｖａｌｕａｔｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃａｒｂｏｎａｔｅｓａｎｄｉｎｐｒａｃｔｉｃｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｄｙｎａｍｉｃｃｏｎｅｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｔｅｓｔ；Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｉｎｄｅｘ；Ｍｅａｎｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅ；Ｄｅｎｓｉｔｙ；Ｒｅｌａｔｉｖｅｄｅｎｓｉｔｙ０ 引 言 我国南海广泛分布着钙质砂，对钙质砂的工程特性进行研究具有重要的意义（汪稔等，２０１９）。
珊瑚礁钙质砂工程力学特性研究进展综述
Urbanism and Architecture 95珊瑚礁钙质砂工程力学特性研究进展综述王 林，江 堃，刘启超（武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉 430070）摘要：随着21世纪海洋开发战略的推进，我国南海岛礁建设工程的重要性日益凸显。
南海珊瑚礁骨料多孔隙，易破碎，有着区别于普通陆砂的力学特性，具有应用于南海岛礁建设工程的实际可行性，吸引了诸多学者对其进行相关研究。
本文以珊瑚礁砂静力学和动力学特性及破碎性能为重点，针对国内学者的探索历程与研究成果进行了回顾与展望，以期能为我国海洋岛礁工程提供些许参考资料。
关键词：珊瑚砂；静力学特性；动力学特征；破碎性能［中图分类号］TU441［文献标识码］AReview on Research Progress of Engineering Mechanical Properties of Calcareous Sand in Coral ReefWang Lin, Jiang Kun, Liu Qichao(School of Civil Engineering and Architecture, Wuhan University of Technology, Wuhan Hubei 430070, China)Abstract: With the development of the ocean development strategy in the 21st century, the importance of the reef construction project in the South China Sea is becoming increasingly prominent. The aggregate of South China Sea coral reef is porous, fragile and cemented easily, which is different from the mechanical properties of ordinary land sand. It has the practical feasibility of being applied to the construction project of South China Sea Islands and reefs, and has attracted many scholars to study it. This paper focuses on the statics, dynamics and fracture properties of coral reef sand, and reviews and prospects the exploration process and research results of domestic scholars, in order to provide some reference for China’s offshore reef engineering.Key words: coral sand; static characteristics; dynamic characteristics; crushing performance珊瑚礁砂是一种以珊瑚碎屑为主体，各种生物碎片掺杂组成的钙质砂，在世界各地的热带海洋与海岸有着较为广泛的分布。
三轴条件下钙质砂颗粒破碎力学性质与本构模型研究
三轴条件下钙质砂颗粒破碎力学性质与本构模型研究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。
实践证明,颗粒破碎是影响钙质砂力学性质的主要因素。
目前对于钙质砂的力学性质已经取得了很多的研究成果,但是能够准确模拟钙质砂颗粒破碎的本构模型不多见。
本文通过大量力学试验对钙质砂在三轴条件下的剪切特性进行了阐述;对钙质砂颗粒破碎的影响因素和破碎机理进行了研究;在此基础上建立了钙质砂考虑颗粒破碎的本构模型,并对模型的模拟效果进行验证。
具体的内容和结论如下:1、进行围压0.1至3.2MPa三轴条件下钙质砂的固结排水和固结不排水试验,对钙质砂三轴条件下的剪切特性进行分析。
2、在介绍土体颗粒破碎分类和各种度量方法的基础上,分析了矿物成分、粒径大小、颗粒级配、应力水平和剪切应变等因素对颗粒破碎的影响;通过不同形状钙质砂颗粒在不同类型和应力水平试验前后的形态变化,分析不同形状钙质砂颗粒的破碎类型;给出了三轴试样中钙质砂的单个颗粒所受特征应力的公式。
3、对钙质砂的颗粒破碎机理进行分析,给出了关于破碎消耗能量、摩擦角、剪胀与偏应力比的关系式。
此公式有利于区别颗粒破碎、剪胀和滑动摩擦各部分对钙质砂或者其他无粘性土抗剪强度的影响。
4、本文提出的考虑颗粒破碎的本构模型中,基于剪切变形中颗粒破碎的能量消耗提出了一种塑性流动准则。
模型采用非关联流动准则和运动强化模型,考虑了颗粒破碎对塑性剪切变形与塑性体积变形的影响。
在极限平衡条件下提出了应力-应变公式。
模型能够准确模拟钙质砂在各围压下的应力-应变-体变特性,并且能够描述钙质砂的应力硬化和峰值后的应力软化特性。
模型的特点是能够模拟各剪切应变阶段的颗粒破碎。
钙质砂的SHPB实验技术及其动态力学性能
第38卷第6期爆炸与冲击V o l.38,N o.6 2018年11月E X P L O S I O N A N DS HO C K WA V E S N o v.,2018D O I:10.11883/b z y c j-2017-0179文章编号:1001-1455(2018)06-1262-09钙质砂的S H P B实验技术及其动态力学性能*吕亚茹1,2,3,王明洋3,魏久淇3,廖斌3(1.河海大学力学与材料学院,江苏南京210098;2.香港科技大学土木与环境学系,香港999077;3.陆军工程大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室,江苏南京210007)摘要:开展了11组南海钙质砂和福建石英砂的分离式霍普金森压杆(S H P B)实验,试样相对密实度为90%,厚度分别为10㊁30和50mm,得到了冲击荷载下钙质砂和石英砂的应变率时程曲线㊁应变时程曲线和应力应变关系㊂实验结果表明:通过严格装样技术可以减小实验设备产生的误差,改变试样厚度㊁子弹长度㊁整形器等是实现钙质砂应力平衡和恒应变率的主要手段㊂在相同的密实度和加载条件下,钙质砂的体积模量和剪切模量约为石英砂的10%,压缩强度和抗剪强度约为石英砂的30%㊂冲击荷载作用下钙质砂的动态力学性能与石英砂存在较大的差异,因此不能将已有石英砂的研究结果直接用于钙质砂㊂关键词:钙质砂;霍普金森压杆;冲击特性;应力应变曲线中图分类号:O347.4国标学科代码:13015文献标志码:A霍普金森压杆(s p l i tH o p k i n s o n p r e s s u r e b a r,S H P B)实验是研究中高应变率下材料力学性能最主要㊁可靠的实验方法之一,是冲击动力学实验技术的重要组成部分,利用霍普金森杆不仅可以实现高应变率(102~104s-1)单轴压缩㊁剪切加载,还可实现动态压-剪复合加载,主㊁被动围压复杂加载,以及100 ~101s-1中应变率加载[1]㊂早在1967年,E.F l e t c h e r等[2]首次通过S H P B研究了土的动态特性,由于土体为散体材料,实验时需要通过套筒和垫块将土样固定,土样夹在垫块之间如同 三明治 ,通过粘贴在入射杆和透射杆上的高灵敏度应变片采集试样的应力㊁应变时程曲线[3]㊂由于土为低阻抗材料, S H P B实验时常常出现下列问题:(1)试样前后面的应力难以达到平衡;(2)透射杆的信号十分微弱㊂为了满足S H P B应力均衡和恒应变率的假设,常采用以下手段:(1)在入射杆端部添加整形器以拉长入射波上升沿的时间,延长试样达到应力平衡的 历程 ;(2)选择匹配的子弹长度;(3)合理选取试样长度[4-5]㊂B.S o n g等[6]认为软材料达到应力平衡的两个关键因素是试样长度和应变速率,试样越长应力越难达到平衡,应变速率越低试样越容易达到平衡,通过建立S H P B软材料的理论模型,估算试样达到应力平衡所需时间㊂当不能实现应力平衡时,所得到的应力应变曲线往往反映结构特性而非材料特性㊂通过S H P B实验已经对砂土的动力特性有了初步认识㊂C.W.F e l i c e等[7]认为干砂的初始孔隙比是决定其在高应变率荷载下应力应变特性的关键因素,当压缩变形不足以抵消初始孔隙时,干砂对应变速率不敏感㊂A.D.B a r r等[8]开展了S H P B动态实验和MT S准静态对比实验,发现应变率在10-3~ 103s-1之间变化时压缩模量随着应变率的增大而增大,但体积模量变化甚微,与此同时,轴向应力随着应变率的增大而增大,但试样表面的环向应力却随之减小,因此,干砂刚度随应变率增大的现象可能来源于套筒产生的影响㊂A.M.B r a g o v等[9]得到了相似的结论,即应变率对砂土动态应力应变特性影响甚微,但皮爱如等[10]认为应变率影响砂土的动态特性㊂B.S o n g等[11]开展了不同侧限条件下砂土的S H P B实验,发现砂土的动态特性主要受相对密实度和侧限的影响㊂郑文等[12]开展了干燥砂的准静态MT S和动态S H P B压缩实验,研究了压缩速率和压缩过程的影响㊂然而,上述研究的对象均为陆相的*收稿日期:2017-05-22;修回日期:2017-06-15基金项目:国家自然科学基金项目(51779264,51408607);江苏省自然科学基金面上项目(B K20171399);2016年香江学者计划(X J2016063);青年人才托举工程(17-J C J Q-Q T-021)第一作者:吕亚茹(1987 ),女,博士;通信作者:王明洋,w m y r f@163.c o m㊂石英砂,针对海相钙质砂的研究十分稀少㊂钙质砂通常是指由海洋生物(珊瑚㊁海藻㊁贝壳等)成因的㊁富含碳酸钙或碳酸镁等物质的特殊岩土介质[13],主要分布于S30ʎ和N30ʎ之间的热带海洋地区,而我国大部分南海海域遍布着钙质砂㊂由于钙质砂的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,形成了颗粒多孔隙㊁形状不规则㊁易破碎㊁粒间易产生胶结等特点,使其力学性质与一般陆相㊁海相沉积物相比有较明显的差异㊂关于地基承载力和变形特性的钙质砂静力学研究已经取得了一定的成果[14-18]㊂中高应变率下钙质砂力学响应的研究对打桩㊁强夯㊁采矿爆破㊁地震㊁飞机降落㊁爆炸冲击等至关重要,徐学勇等[19]通过爆炸实验初步研究了爆炸波在钙质砂中的传播衰减规律,Y.X i a o等[20]通过落锤实验研究了钙质砂颗粒破碎与试样高度和落锤参数的关系,赵凯等[21]研究了多孔材料中的应力波传播规律,为多孔钙质砂冲击特性的实验研究提供技术参考㊂然而,目前的研究仍十分有限,不能得到中高应变率下钙质砂的应力应变关系㊂本文中开展相对密实度为90%的钙质砂与福建石英砂的对比实验,通过对比分析两种砂对冲击荷载的不同响应,初步探讨钙质砂的工程应力应变特性,为钙质砂的工程防护提供理论依据㊂1S H P B实验1.1实验装置及传感器布置如图1所示,实验采用钢制S H P B压杆,直径100mm㊁密度约7950k g/m3㊁波速约5213m/s㊁子弹质量37.5k g㊂试样的应力㊁应变时程曲线通过粘贴在入射杆和透射杆上的应变片测得,入射杆上粘贴一组半桥电阻应变片,其灵敏系数约为2.22,由于砂土的波阻抗小,透射杆上粘贴半导体应变片,灵敏系数约110.00㊂入射杆端头中部(子弹冲击面上)采用凡士林粘贴卡片纸作为该实验的波形整形器㊂通过在套筒上粘贴应变片测量试样径向应力㊁应变时程㊂实验采用压缩空气作为子弹的动力来源,本文中选择0.1M P a压缩空气冲击子弹,子弹的速度为(7.8ʃ0.5)m/s ㊂图1S H P B实验布置F i g.1S H P Be x p e r i m e n t a l s e t u p1.2实验砂样钙质砂来源于我国南海某珊瑚岛礁,对比实验选用福建标准砂㊂图2(a)~(b)分别为钙质砂试样和福建石英砂试样,钙质砂为乳白色带有红色杂质,主要成分为C a C O3,颗粒的骨架密度约2.81㊂福建标准砂为典型的石英砂,主要成为S i O2,颗粒骨架密度约2.63㊂砂样的原始颗分曲线如图3所示,为便图2实验砂样F i g.2T e s t e d s a n d s a m p l e s图3实验砂样颗分曲线F i g.3P a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n3621第6期吕亚茹,等:钙质砂的S H P B实验技术及其动态力学性能于实验分析,将砂样中粒径小于0.15mm 和大于1.18mm 的颗粒剔除,剔除后的砂样组分不变,则试样的平均粒径D 50=0.55mm ,不均匀系数C u =1.86,曲率系数C c =0.95㊂由于两种砂的骨架密度和颗粒形状不同,两种试样的最大㊁最小干密度(最小㊁最大孔隙比)不同,钙质砂的最小㊁最大孔隙比分别为1.389和1.049,石英砂试样的最小㊁最大孔隙比分别为0.843和0.618㊂实验选用的砂样相对密实度D r =90%,对应钙质砂和石英砂的密度分别为1356㊁1628k g /m 3㊂1.3 试样安装作为散体材料,砂样通过套筒和两个垫块固定,套筒内径为100.05mm ,与杆子㊁垫块的外径吻合㊂装样前对套筒内部进行处理,内壁涂抹一层高压油,减小杆子与套筒的摩擦㊂装样前根据试样相对密实度标定每层试样所需的锤击高度和锤击数㊂具体装样步骤如图4所示:第1步,通过螺栓将一个垫块固定于套筒内,固定位置与试样厚度相匹配;第2步,根据试样密度和装样厚度计算装样质量,称取所需质量的试样,将试样按10%递减分为3份,将第1份缓慢倒入套筒内,平整试样后采用带有底座(直径为100mm )的小锤自由落体锤击垫块使第1层砂样达到理论高度㊂依次倒入第2层和第3层试样,采用预先标定好的锤击高度和锤击数锤击试样,使其达到相应高度,装样完成;第3步,放入第2个垫块并固定;第4步,在入射杆和透射杆靠近试样一段涂一薄层凡士林,将试样缓缓安装在杆子上,压紧杆子和垫块使其中间的凡士林充分挤压㊂待试样准备完成后,去掉套筒上的固定螺栓㊂图4装样步骤F i g .4S p e c i m e n p r e pa r a t i o n 实验工况见表1㊂共3组11个实验,每个实验至少重复3次:第1组为3个标定实验,分别标定杆子㊁整形器㊁套筒和垫块的影响;第2组为直径100mm 钢制S H P B 实验,包括3个钙质砂实验和3个传统石英砂实验;第3组为直径37mm 铝制S H P B 实验,包括1个钙质砂实验和1个传统石英砂实验㊂由于质点加速引起的纵向和径向惯性会对应力应变结果产生一定的影响[22],试样的长径比宜取0.4~0.6,故直径100mm 钢制S H P B 实验和37mm 铝制S H P B 实验试样直径分别取为50㊁18mm ㊂由于砂土的波阻抗小,透射信号弱,入射杆上入射信号和反射信号基本重合,因此入射信号与反射信号的差表1实验工况T a b l e 1S u m m a r y of t h e S H P B t e s t s 实验组号S H P B 杆编号厚度/mm厚径比实验内容第1组⌀100mmT 1--空杆+整形器T 2--空杆+整形器+套筒T 3--空杆+整形器+套筒+垫块第2组⌀100mmT 4100.1钙质砂T 5300.3钙质砂T 6500.5钙质砂T 7100.1石英砂T 8300.3石英砂T 9500.5石英砂第3组⌀37mmT 10180.5钙质砂T 11180.5石英砂4621爆 炸 与 冲 击 第38卷值与透射信号比较时,误差很大㊂根据B .S o n g 等[6]对软材料应力平衡影响因素的分析,试样越薄,试样前后应力越容易达到平衡,因此,另取30㊁10mm 两个试样厚度进行直径100mm 钢制S H P B 实验,研究试样厚度的影响㊂2 钙质砂S H P B 实验技术2.1 设备标定本文中没有具体分析波的弥散和惯性效应,相应的影响包含在了实验结果内㊂图5为实验前对S H P B 设备和砂样固定装置的标定结果,显示结果为无量纲的采集信号,其中,U 0为采集到的应变片电压,f 为增益,U E X 为输入电压,0.5为半桥应变片系数㊂图5(a )为空杆上加整形器的实验结果,从图中可以看出入射杆和透射杆信号基本重合,入射杆和透射杆接触面处基本没有反射信号产生,说明杆子调平较好㊂上升沿时间接近150μs ,说明选用卡片纸作为整形器整形效果较好㊂与图5(a )相比,图5(b)在空杆上加上了固定砂样的钢套筒,该实验的目的是标定套筒与杆子相互摩擦对实验结果的影响㊂从图中可以看出,入射波在平台段和下降沿明显大于透射波,且在套筒上测得一定的应变,说明套筒对实验结果存在影响㊂由于标定套筒时未对套筒内壁进行润滑处理,图5(b )产生的误差可能来源于内部摩擦,因此在标定垫块时对套筒内壁涂抹一层高压油润滑(见图5(c )),垫块和入射杆㊁透射杆接触面上涂上一薄层凡士林,用力挤压入射杆和透射杆,使杆子与垫块间充分贴合㊂从实验结果可以看出套筒和垫块对实验结果的影响十分有限,套筒上应变片采集到的应变很小㊂综上所述,固定砂样的套筒和垫块对实验结果的影响可忽略不计㊂图5标定结果F i g.5R e s u l t s o f c a l i b r a t i o n 2.2 应力平衡试样一维压缩应力可以通过透射波计算得到:σz (t )=(A t /A s )E 0εt (t )(1)式中:z 表示试样轴向方向,A t 和A s 分别表示透射杆和试样的截面面积,E 0表示杆子弹性模量,εt 为透射杆上应变片测得的应变㊂试样轴向应变速率可通过下式计算得到:ε㊃z (t )=(2c 0/L s )εr (t )(2)式中:c 0表示杆子波速,L s 表示试样轴向长度,εr 表示入射杆上测得的反射应变波㊂对应变率沿时间积分,即可得到试样的轴向应变:5621 第6期 吕亚茹,等:钙质砂的S H P B 实验技术及其动态力学性能εz (t )=(2c 0/L s )ʏtεr (t )d t (3) 图6为10mm 厚钙质砂和石英砂试样的应变率及应变时程曲线,从图中可以看出,加载历程约为450μs ,其中上升沿和下降沿时间均约为150μs ㊂选用的卡纸整形器可将上升沿的时间从传统的10μs延长到150μs 左右,为试样前后面达到应力平衡提供了条件㊂钙质砂样的应变率在150~300μs 间稳定在560s -1,对应时间段内的应变从0.03发展到0.12;石英砂样的应变率在200~350μs 间稳定在490s -1,对应时间段内的应变从0.03发展到0.10㊂换言之,试样在约150μs 的时间区间内实现了恒应变率,进一步证明了10mm 厚砂样实验结果的可靠性㊂10mm 厚石英砂的平行实验应变率在150~300μs 间稳定在503s -1,对应时间段内的应变从0.03发展到0.11,平行实验说明文中实验具有可重复性㊂由于通过压缩空气控制子弹撞击速度时存在偏差,导致实验时钙质砂的入射波和反射波稍小于石英砂㊂一维S H P B 压缩实验中,只有当试样两端面的应力达到平衡,才认为实验有效㊂图7为10mm 厚钙质砂样和石英砂样的前后面应变信号,其中黑色为入射应变信号与反射应变信号的叠加计算结果,表示试样前端面上的质点应变时程曲线,红色为透射应变信号,表示试样后端面上的应变时程曲线㊂对比前后面应变信号可知,两时程曲线变化规律相同,特别是石英砂试样,试样前后面的应变时程曲线基本重合,证明试样内基本实现了应力平衡㊂钙质砂试样前后面质点应变时程曲线存在明显差异,前端面波形叠加结果规律性差,然而,两者差异在合理范围内,波形变化规律基本吻合,说明实验试样满足应力平衡的假设㊂图6T 4和T 7的应变率和应变时程F i g.6S t r a i n r a t e a n d s t r a i nh i s t o r i e s o fT 4a n dT7图7T 4和T 7的应力平衡F i g .7S t r e s s e qu i l i b r i u mo fT 4a n dT 7对于厚度为30㊁50mm 两种试样,实验结果很难达到平衡,究其原因有3点:(1)由于电阻应变片灵敏系数仅有2.22,测得的入射波和反射波基本重合,两波的叠加结果(差值)会产生较大的计算误差,10mm 钙质砂试样前端面应力计算误差大于后端面就是这个原因㊂此原因为测试误差所致,实际应力是否达到平衡难以准确判断,后续可借助压电薄膜或半导体应变片进行校验;(2)砂样厚度越大达到应力平衡所需的时间越长,上升沿时间内不足以使波在试样内循环3~5次,试样难以达到应力平衡㊂为了降低惯性效应,试样厚度与直径的最优比值为0.4~0.6,然而文中实验采用100mm 直径的S H P B装置,试样厚度的增大大大降低了应力平衡的可能性,因此可选用直径较小的杆子开展砂土的动力特性实验;(3)子弹长度有限,导致入射波脉冲宽度不够,为拉长上升沿时间,过度整形会产生三角波,因此可在适当增加子弹长度的前提下拉长上升沿时间;(4)钢制S H P B 杆与砂土的刚度差异太大,可采用刚度较小的铝合金杆或尼龙杆㊂为了验证上述结论的正确性,开展了直径37mm 的铝合金杆实验,入射杆和透射杆长度为2000mm ,子弹长度为400mm ㊂入射杆和透射杆信号全部采用半导体应变片采集㊂试样厚度18mm ,6621爆 炸 与 冲 击 第38卷厚径比约0.5㊂试样整形器采用弹性更好的橡胶片㊂实验应变率和应变时程曲线如图8所示,采用长400mm 的子弹和橡胶整形器后,入射波上升沿时间为100μs,应变时程基本为直线,可以判定实现了恒应变率,恒应变持续时间为150μs㊂图8中给出了3个重复实验的应变率和应变时程,发现3个实验结果较好重合,证明了实验的可重复性㊂试样前后端面应力对比如图9所示,由于入射杆和透射杆均采用半导体应变片,试样后端面的应力时程曲线明显比电阻应变片采集的结果光滑,计算误差小㊂采用铝制S H P B 杆后,即使厚径比为0.5的试样前㊁后端面应力时程仍很好吻合,加载初期和结束后应力误差主要来源于结构影响㊂综上所述,选择杆子材质㊁增加子弹长度㊁改变整形器等是实现钙质砂应力平衡和恒应变率的主要手段㊂图8T 10和T 11的应变率和应变时程F i g.8S t r a i n r a t e a n d s t r a i nh i s t o r i e s o fT 10a n dT 11图9T 10和T 11的应力平衡F i g .9S t r e s s e qu i l i b r i u mo fT 10a n dT 113 钙质砂冲击特性初探3.1 轴向应力应变图10轴向应力应变曲线F i g .10A x i a l s t r e s s -s t r a i n c u r v e s 图10给出了实验轴向应力应变曲线,由于文中实验砂样的相对密实度D r =90%,故实验的应变范围较低,厚度30㊁50mm 试样的应变率和应变水平更低,结构对实验结果影响非常大,误差较大㊂结构影响使得应力应变曲线出现明显的下降段和二次上升段,下降段内试样强度降低,上升段强度又一次升高㊂B .S o n g 等[6]将这一现象归结于砂颗粒的振动和套筒内壁的摩擦,另一主要原因可能是加载初期的惯性效应㊂对于厚度为10mm 的试样,测试最大应变不超过0.12,在测试范围内应力应变表现出硬化特性,说明砂样处于弹塑性阶段,粒间孔隙被压实,但尚未达到破碎压实的指数增长阶段㊂这一结果与已有砂土S H P B 实验结果相似[6],即在加载初期,应力应变整体表现为线性,而后出现塑性压实阶段,最后达到破碎压实阶段㊂然而,已有实验荷载等级较高,砂样应变可达到0.3㊂在本文中,由于进一步提高应变率难以实现试样应力平衡,文中实验尚未做到颗粒大量破碎后重分布压实阶段㊂对比石英砂和钙质砂,石英砂的压缩模量(初始加载段斜率)约为钙质砂的10倍,强度约为石英砂的3倍㊂7621 第6期 吕亚茹,等:钙质砂的S H P B 实验技术及其动态力学性能3.2 体积与剪切应力应变实验时砂样通过刚性套筒固定,套筒上粘贴应变片,通过套筒上应变片可检测试样径向应力时程变化㊂根据参考文献[23],结合套筒弹性模量E c ㊁泊松比νc 和测得的环向应变εh ,可计算得到套筒径向应力σr 与环向应力σθ㊁套筒径向应变εr 与环向应变εθ㊂计算时用到套筒的外径与内径比α,套筒内径100.05mm ,外径133.33mm ,则系数α约为1.33㊂文中套筒采用4340钢,材料的弹性模量为205G P a ,泊松比约为0.29[23]㊂为了进一步分析冲击荷载作用下一维压缩引起的钙质砂应力㊁应变特性,依托测得的轴向和环向应力㊁应变结果得到试样的平均应力σm 和体积应变εm ,进一步得到试样最大的剪应力τe 和最大剪应变γe ㊂图11平均应力与体积应变㊁剪应力与剪应变曲关系F i g .11R e l a t i o n s h i psb e t w e e nm e a n s t r e s s a n dv o l u m e t r i c s t r a i na n db e t w e e n s h e a r s t r e s s a n d s h e a r s t r a i n 图11为试样[20]的平均应力-体积应变和剪应力-剪应变关系曲线㊂从图中可知,钙质砂的表观体积模量和剪切模量均明显小于石英砂,特别是初始压缩阶段,石英砂的体积模量和剪切模量为钙质砂的10倍以上㊂随着荷载的增大,应力应变进入屈服和硬化阶段,此时钙质砂和石英砂的体积模量分别约为38㊁168M P a ,而剪切模量分别约为50㊁195M P a ,石英砂的压缩模量和剪切模量是钙质砂的4倍㊂综上所述,冲击荷载作用下钙质砂的动态力学性能与石英砂存在较大的差异,不能将已有石英砂的研究结果直接用于钙质砂㊂此外,砂土的相对密实度㊁颗粒级配和含水率对其力学性能影响较大,因此不同相对密实度㊁颗粒级配和含水率下钙质砂的动态力学性能有待进一步研究㊂4 结论与建议开展了南海钙质砂和福建石英砂的对比S H P B 实验,探讨了实现钙质砂试样应力平衡和恒应变率的条件,初步分析了一维压缩状态下钙质砂的动态特性,得到以下主要结论:(1)通过严格装样技术可以减小实验设备产生的误差,减小试样厚度㊁增加子弹长度㊁选择合适的S H P B 杆和整形器等是实现砂样应力平衡和恒应变率的主要手段㊂(2)由于试样相对密实度D r =90%,试样的应变范围小于0.12,粒间孔隙被压实,应力应变表现出硬化特性,但尚未达到颗粒大量破碎重分布产生的压实阶段㊂试样厚度越大,应力应变的非线性特性越明显,厚度为50mm 的试样出现震荡,主要原因可能是套筒结构和惯性效应的影响㊂在相同的密实度和加载条件下,钙质砂压缩模量约为钙质砂的10%,强度约为石英砂的30%㊂(3)弹性阶段石英砂的体积模量和剪切模量均为钙质砂的10倍以上,随着荷载的增大,塑性段石英砂的体积模量和剪切模量是钙质砂的4倍㊂(4)冲击荷载作用下钙质砂的动态力学性能与石英砂存在较大的差异,因此,不能将已有石英砂的研究结果直接用于钙质砂㊂参考文献:[1] 卢芳云,陈荣.霍普金森杆实验技术[M ].北京:科学出版社,2013.[2] F L E T C H E RE ,P O O R O O S HA S BH.R e s p o n s e o f a c l a y s a m p l e t o l o w m a g n i t u d e l o a d s a p p l i e d a t h i gh r a t e [C ]ʊP r o c e e d i n g s o f t h e I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u mo n W a v eP r o p a g a t i o na n dD y n a m i cP r o p e r t i e so fE a r t h M a t e r i a l s .A l -b u q u e r qu e ,N e w M e x i c o ,1967:781-86.8621爆 炸 与 冲 击 第38卷[3] E I N A VI .B r e a k a g em e c h a n i c s -P a r t I :t h e o r y [J ].J o u r n a l o f t h eM e c h a n i c s a n dP h y s i c so fS o l i d s ,2007,55(6):1274-1297.[4] L U H ,L U O H ,K OMA D U R IR.D y n a m i c c o m p r e s s i v e r e s p o n s e o f s a n du n d e r c o n f i n e m e n t s [C ]ʊT h eS E M A n -n u a l C o n f e r e n c e .A l b u q u e r q u e ,N e w M e x i c o ,2009.[5] MA R T I NBE ,C H E N W.T h eh i g h -r a t eb e h a v i o r o f a f i n e g r a i n s a n d [C ]ʊP r o c e e d i n g so f t h eS E M A n n u a lC o n -f e r e n c e .A l b u q u e r q u e ,N e w M e x i c o ,2009:1-6.[6] S O N GB ,C H E N W.D y n a m i c s t r e s s e q u i l i b r a t i o n i n s p l i tH o p k i n s o n p r e s s u r eb a r t e s t s o n s o f tm a t e r i a l s [J ].E x -pe r i m e n t a lM e c h a n i c s ,2004,44(3):300-312.[7] F E L I C EC W ,G A F F N E Y ES ,B R OWNJA ,e t a l .D y n a m i ch i g hs t 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a b o r a t o r y o f D i s a s t e rP r e v e n t i o n&M i t i g a t i o no f E x p l o s i o n&I m p a c t,A r m y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f P L A,N a n j i n g210007,J i a n g s u,C h i n a)A b s t r a c t:T h i s p a p e r c o n d u c t e d11s p l i tH o p k i n s o n p r e s s u r e b a r(S H P B)t e s t s o n t h e c a l c a r e o u s s a n d s a m p l e d f r o ma c a l c a r e o u s r e e f i nC h i n a a n d s i l i c a s a n ds a m p l e d f r o m F u j i a nP r o v e n c eo fC h i n a.T h e r e l a t i v ed e n s i t y i s90%.T h e s t r a i n-r a t e h i s t o r y,s t r a i nh i s t o r y,a n d s t r e s s-s t r a i n c u r v e sw e r e o b t a i n e d f o r s a n d s p e c i m e n sw i t h t h r e e t h i c k n e s s e s i n c l u d i n g10mm,30mma n d50mm.I t i s f o u n d t h a t t e s t e r r o r c a nb e r e d u c e db y s t a n d a r d p r o c e d u r e i ns a n d p r e p a r a t i o n.T h e s t r e s s e q u i l i b r i u ma n dc o n s t a n t s t r a i n r a t e c a nb e a c h i e v e db y c h a n g i n g t h e t h i c k n e s s o f s p e c i m e n,t h e l e n g t ho f s t r i k e r a n d t h e p u l s e s h a p e r.W i t ha ni d e n t i c a l r e l a t i v ed e n s i t y a n dl o a d i n g c o n d i t i o n,t h ev o l u m e t r i c m o d u l u sa n ds h e a r m o d u l u s o f c a l c a r e o u s s a n d i s a p p r o x i m a t e l y10%o f t h e s i l i c a s a n d;a n d t h e s t r e n g t h o f t h e c a l c a r e o u s s a n d i s a p p r o x i m a t e l y30%o f t h e s i l i c a s a n d.T h e r e f o r e,t h e r e s u l t s o f e x i s t i n g s i l i c a s a n d c a nn o t b e d i r e c t l y a p p l i e d t o c a l c a r e o u s s a n db e c a u s e o f t h e i r l a r g e d i s c r e p a n c i e s.K e y w o r d s:c a l c a r e o u s s a n d;s p l i tH o p k i n s o n p r e s s u r eb a r;i m p a c t b e h a v i o r;s t r e s s-t r a i n c u r v e(责任编辑曾月蓉)。
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岩石力学与工程学报CHINESE JOURNAL OF ROCKMECHANICSAND ENGINEERING1999年 第18卷 第2期 Volume18 No.2 1999钙质砂物理力学性质试验中的几个问题*刘崇权 汪 稔 吴新生摘要 钙质砂微观结构和变形机理与陆源砂不同，需采用适用于其特征的试验技术。
对钙质砂的土粒比重、孔隙比的测量方法、三轴剪切制样技术、颗粒破碎的评价及强度取值方法进行了探讨。
关键词 钙质砂, 物理力学性质试验分类号 TU411.3SOME PROBLEMS FOR THE TESTS OF PHYSICO-MECHANICAL PROPERTIES OF CALCAREOUS SANDLiu Chongquan1 Wang Ren1 Wu Xinsheng2(1Institute of Rock and Soil Mechanics, The Chinese Acad emy of Sciences, Wuhan 430071)(2Long gang Real Estate Compary, Shenzhen 518000)Abstract The micro-structure and mechanism of deformation of calcareous sand are different from that of terrogenious sand. It is necessary to use new experiment technique to fit its characters. The methods are disscussed for measuring grain specific gravity and void ratio, preparing sample for triaxial test, evaluating particle crushing and estimating soil strength.Key words calcareous sand, tests of physico-mechanical properties1 前 言 钙质砂是一种含CaCo3达50%以上的海洋生物成因的特殊土。
钙质砂从微观结构上看，棱角度高，粒间孔隙度大，有内孔隙，这些内孔隙或相互联通，或成为盲孔，使常规试样饱和技术很难达到95%以上的饱和度。
又由于矿物硬度低，颗粒粗糙度大，使试样在加载剪切过程中，颗粒破碎与剪胀耦合作用，表现出特殊的应力-应变关系及强度特征。
为了对其物理力学性质进行详细的研究，必须有一整套适用于其特性的试验技术。
本文对钙质砂的土粒比重、孔隙比的测量方法、三轴剪切制样技术、颗粒破碎的评价及强度取值方法进行了探讨。
2 物理性质试验2.1 土粒比重 通常测试土粒比重的方法有比重瓶法、浮称法、虹吸筒法。
《土工试验方法标准》(GBJ123～88)规定：粒径＜5.0mm的土采用比重瓶法；粒径≥5.00mm的土，其中＞20mm的颗粒含量＜10%时，采用浮称法；粒径≥5.0mm的土，其中粒径为20mm的土的含量≥总土质量的10%时，采用虹吸筒法。
表1是各种方法测得钙质砂的土粒比重。
表1 土粒比重测试统计表Table 1 Stastics table of measured grain gravity ratio测试方法比重G s/g.cm-3比重瓶法纯水作液体 2.802.73煤油作液体浮称法 2.53～2.71虹吸筒法 2.25～2.33 当颗粒粒径较大时，在比重瓶法中，制样过程中需经砂浴煮沸，并用真空抽气法排气，这有利于液体浸入颗粒内孔隙。
而在浮称法和虹吸筒法中则只是浸水一昼夜。
其内孔隙在无压力条件下液体很难浸入，这导致测得的土粒排水体积偏大，G s值偏低。
由于颗粒表面含有易溶盐，用纯水作液体时，盐类全部或部分溶于水中，使瓶、水、土总质量增大，因而引起所测G s值偏大。
而煤油作液体时可避免这种情形。
为了进一步验证测试G s值的可靠性，用上述两种方法测得的G s值计算孔隙比与实测孔隙比进行对比，如表2所列。
表2 孔隙比实测值与计算值比较Table 2 Comparison of measured and calaculated pore ratio实测e计 算 孔 隙 比G s=2.80g.cm-3误差/%G s=2.73g.cm-3误差/%1.162 1.3213.6 1.268.4 1.014 1.30528.7 1.24722.9 1.08 1.28318.8 1.1778.98 1.221 1.2583.0 1.202-1.56 1.213 1.318.0 1.252 3.2 1.20 1.319.2 1.2544.5 1.117 1.35221.0 1.29315.8 1.231 1.304 5.9 1.247 1.31.212 1.3188.7 1.260 4.0注：本表中孔隙比的实测值为三轴试验试样饱和度达95%以上后，根据试样排水量及烘干后失水量算出。
从表2中可看出，G s=2.73时，实测值与计算值较为吻合。
故在测量土粒比重时，一般推荐采用煤油作液体的比重瓶法，通常可取G s=2.73作经验值。
2.2 相对密度 现行国家规范中用振动与锤击联合使用的方法测试最大、最小孔隙比，进而得到土的相对密度。
但由于钙质砂易碎，锤击过程中会改变颗粒级配，使测试结果失真。
因此，在测试过程中只用振动叉振动，直至体积不再改变为止。
试验测得钙质砂孔隙比为0.8～2.97之间，这显然比普通石英砂的值高了许多。
3 力学性质试验 通常的力学试验中，一般做单轴压缩、直剪、三轴排水剪等试验。
对力学性质试验而言，最重要的是三轴剪切过程中的制样和饱和。
通过试验，采用干砂制样，再辅以多种饱和方法联合饱和，使备样、饱和过程可在4～6h完成，且饱和度都达95%以上。
其主要过程为：先用二氧化碳冲洗底座，在底座上放置透水石和滤纸一层，然后，装上击实筒和橡皮膜(视有效围压大小使用一层或多层橡皮膜)，将干砂撒在三轴试样制样筒内，用木柄轻按砂面，同时，在击实筒外敲击振动，直至要求的干密度。
放入滤纸和透水石装上试样帽，扎紧橡皮膜。
试样加一小的负压，以维持试样直立，小心拆去击实筒，按国标要求测量试样直径和高度。
若需加2个以上橡皮膜，则在测量直径前不装试样帽，仅在透水石上扎紧第一层橡皮膜，再将第二层橡皮膜装在承膜筒上，小心地套在试样外。
然后重新套上击实筒，以保护试样，减少扰动，最后装上试样帽，重新施加负压使其直立。
装上压力室，向室内充水至满，利用加压装置施加很小的围压，一般为10～20kPa，将高压钢瓶中的二氧化碳经过两级减压(纯度99%以上)至2～10kPa，经试样底座中心小孔通入试样，再从排水管顶端溢出，其目的是用二氧化碳置换试样中的空气，时间为15min，然后关闭进气阀，二氧化碳冲洗完毕。
打开进水阀，让水从试样底部中心孔进入样中，进行水头饱和，时间为30～45min。
经测定，这两个阶段以后，试样B值(孔隙水压力系数)只有0.6～0.8，远不能达到试验要求。
其后施加反压饱和，则可使试样饱和度达98%以上。
反压采取分级施加。
在此过程中，保持围压大于反压20kPa以上，以防止试样可能因膨胀而破坏结构，且该差值在施加反力过程中保持常数，每级反压力取50kPa，施加时逐级缓慢施加，在施加反力时不允许试样体积变化或出现附加有效应力，每一级压力需待试样内孔压充分均匀后再施加下一级反压。
孔压稳定标准采用孔压消散为零，且水不再流入试样中为止。
反压约10min一级。
每级反压施加后，测B值，B=(Δu)/(Δσ3)，(Δu为施加反压后的孔隙水压力增量，Δσ3为本级施加的反压力)，当B＞0.95时，说明饱和度已达98%以上，可终止饱和，否则需继续施加反压。
一般只需施加二、三级反压即可满足要求，一般不超过四级。
在B值大于0.95时，饱和过程结束，制样完毕。
试验中，要求B值≥0.95。
此时饱和度S r可达98%以上。
实际上达到饱和所需施加的反压值可由下式估算：式中：u0——所需施压的反压力/kPa； u a——大气压力为1.013×102kPa； h——亨利系数(即空气溶解系数，20℃时为0.02)； S0——加反压前起始饱和度/%； S f——最后饱和度/%。
从上式看出提高试样初始饱和度对于降低反压值的意义。
一般经过二氧化碳与水头饱和后，B值大于0.8，此时S r值已经已大于90%后，代入(1)式，反压值在200kPa以内，即能达到要求。
在B值大到0.95后，保持反压值1h以上，以利于空气的进一步溶解和调整。
4 颗粒破碎的评价 颗粒破碎是一个与粒径、级配、颗粒形状、有效应力状态、有效应力路径、孔隙比、颗粒硬度及含水量有关的复杂过程。
颗粒破碎最明显的表现是试验前后级配曲线的变化，因此，许多研究者把试验前后颗分曲线上某一几何点的变化，如D10，D15等作为颗粒破碎的衡量指标。
文［1］中全面考虑了颗分曲线，以试验前后颗分曲线与D=0.074竖线三条线所包围的面积为总破碎B t，而将试验前颗分曲线与D=0.074竖线所围的面积为破碎势B p, 从而定义相对破碎B r(图1)： Hardin的研究表明，B r在其他条件不变，只有颗粒级配为一变量时是与级配无关的量，为一常数。
试验表明，对钙质砂而言，B r也是一个与级配无关的量，且与应力、应变、塑性功等标志剪切过程的物理量有相关关系。
可以将B r作为评价颗粒破碎的指标，讨论颗粒破碎的一些问题。
(a) B p的定义(b) B t的定义图1 B r的定义Fig.1 Definition of B r5 钙质砂的强度 由于钙质土地区既有建于岛礁之上的国防及工农业建筑，也有水下几十米甚至上百米水深的海洋平台、海底管线等，需要研究从低压到高压水平的强度特性。
图2所示为典型钙质砂三轴固结排水剪应力-应变曲线，可见在低围压下(如σ1=0.2MPa, σ3=0.1MPa)应力-应变曲线有峰值，剪切中体积增加。
在高压下(如σ1=1.0MPa, σ3=2.5MPa)，应力-应变曲线没有明显峰值出现， 而剪切过程中体积减小。
图3是按《土工试验方法标准》(GBJ123-88)规定在三轴试验中对有峰值时取峰值点为破坏点，对峰值不明显时取ε1=15%时作为破坏点得到的强度包线，可见其呈明显的非线性特征，随围压增高，曲线斜率减小 。
图2 典型三轴固结排水剪σ1-σ3～ε1-εv曲线Fig.2 The σ1-σ3～ε1-εv curve of typicaltriaxial consolidated shear tests图3 摩尔-库仑强度包线Fig.3 Mohr-Coulomb strength envelope 从σ3=1.0，1.5，2.0MPa的卸载再加载曲线可看出，剪应变以塑性应变为主。