岛礁钙质砂力学性质的试验研究

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岛礁钙质砂广泛分布于热带海域,具有内孔隙丰富、质脆易碎及形状不规则等特点。随着我国对南海岛礁的快速开发,建设过程中常将丰富的钙质砂作为路基边坡的主要填筑材料和建筑物地基,由此产生的路基边坡和建筑物地基的沉降与稳定性等工程问题越来越受到人们的重视与关注。而这些工程问题的解决又与岛礁钙质砂的应力、应变及强度等力学特性有着紧密的联系,尤其是与岛礁钙质砂的蠕变特性密切相关,但目前国内外对岛礁钙质砂蠕变特性的研究尚未开展起来。因此,对岛礁钙质砂的力学特性展开深入的研究,尤其是对岛礁钙质砂的蠕变特性做一定研究探索,具有重要的理论意义与工程应用价值。本文依托交通运输部天津水运工程科学研究所《钙质砂蠕变的细观机理和黏性-亚塑性本构模型研究》科技专项项目的前期研究工作,以南海某岛礁吹填区的钙质砂为研究对象,对岛礁钙质砂的强度特性和蠕变特性展开研究与探讨。首先,对粒径处于0.0752mm范围的钙质砂进行良好级配的筛分配置,通过比重试验和最大(小)干密度试验确定岛礁钙质砂的基本物理力学参数。然后,对所配置的饱和钙质砂试样进行不同相对密实度、围压和加载速率条件下的常规三轴固结排水剪切试验(CD),得到不同影响因素下钙质砂的应力-应变关系曲线以及剪切破坏时的峰值偏应力;根据剪切试验所得到的峰值偏应力,采用应力控制加载方式进行不同围压和应力水平下的分级加载蠕变试验,分析不同试验条件下钙质砂的蠕变特性。每组钙质砂剪切及蠕变试验后,利用筛分法对钙质砂试样进行颗粒筛分试验,分析钙质砂受荷破坏后的颗粒破碎特性。在对岛礁钙质砂力学特性展开试验研究的基础上,运用Mesri蠕变模型对其试验结果进行拟合,探讨Mesri蠕变模型对岛礁钙质砂的适用性。本文的主要研究成果如下:不同剪切试验条件下岛礁钙质砂的偏应力-应变呈明显的双曲线关系,但其剪切特性有所不同:在同一加载速率下,围压的增大或者相对密实度的提高都会使砂样的极限强度有所提高;相同的围压和密实度下,加载速率的提高对不同密实程度的砂样所表现出的剪切特性不同:75%密实度的钙质砂剪切破坏时的峰值偏应力随着加载速率的提高而略微增大,而30%密实度砂样的极限强度与加载速率呈负相关关系。砂样密实程度的提高会显著提高钙质砂的抗剪强度,而提高75%密实度砂样的加载速率只会使抗剪强度略微增大。在剪切过程中,增大围压、密实度及加载速率都会加剧钙质砂颗粒的破碎。钙质砂的蠕变-时间呈明显的幂函数关系,具有明显的衰减性。当应力水平不超过0.6时,蠕变特性类似于K0固结,试样体积基本上呈剪缩特性;当偏应力与破坏时的峰值偏应力的比值超过0.6后,试样体积开始出现明显的膨胀,表明试样即将发生蠕变破坏。蠕变破坏后的钙质砂颗粒破碎特性与剪切后的规律基本一致:颗粒破碎程度与相对密实度、围压和加载速率三个因素呈正相关。根据剪切及蠕变试验获得的钙质砂的力学特性,发现Mesri蠕变模型基本上能够较好地反映钙质砂在较低的应力水平下(300kPa以内)的蠕变特性,对本文试验条件下的蠕变变形能进行粗略地预测,但具有一定的局限性,对岛礁地区的在较低应力范围内建筑物的长期沉降预测具有一定的借鉴意义。
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