基于颗粒破碎的钙质沉积物高压固结变形分析

秦月，姚 婷，汪 稔，朱长歧，孟庆山

（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）

1 引 言

南海海域的工程建设涉及海洋资源开发、国家发展、国防建设等重大核心利益[1-3]，使珊瑚礁工程的开发建设逐渐成为关注焦点[4-10]。钙质沉积物是珊瑚礁工程的重要组成，主要由海洋生物的残骸经过物理、生物和化学作用过程形成的碳酸盐沉积物。沉积过程未经长途搬运，因此，钙质沉积物颗粒残留较多原生生物骨架特征，呈现多孔隙、易胶结、易破碎等特点，工程力学性质与陆源沉积物如石英、长石等存在明显差异[11-13]。

颗粒破碎是钙质砂区别于陆源砂的显著特征之一，由此引起的钙质砂独特的物理力学性质受到了学者们的普遍关注，尤其是由直剪、三轴等力学试验确定的力学性质方面的研究成果颇丰[14-18]，但对大颗粒钙质碎屑物在高压下的固结变形性质及不同试验条件下试验前后的颗粒破碎情况研究较少，限制了将钙质碎屑物作为填料在实际工程中珊瑚礁地基中的应用。本次通过高压固结试验，寻求钙质碎屑物在不同载荷和级配条件下的变形规律，通过颗粒破碎与试样压缩变形发展规律的关系，分析在不同条件下钙质沉积物呈现不同变形规律的原因。

2 试验和试验方法

试验试样取自珊瑚环礁，结合相关文献[19]确定试样颗粒的尺寸标准，砾块尺寸为2～40 mm（见图1），砂粒径＜2 mm（见图2）。试样尺寸为φ 500 mm×250 mm。试验时，设计了含砂量为30%、50%、70%、100%时的不同级配。安装试样时，将碎屑物分5 层摊铺，每层试样用木锤均匀锤击50次，保证试样在固结仪中分布均匀。

图1 筛分用于配制试样的各级砾块Fig.1 Different sizes of gravel screened for sample preparation

图2 筛分用于配制试样的各级钙质砂Fig.2 Different sizes of calcareous sand screened for sample preparation

各组不同含砂量试样的固结试验采用常规和越级加载两种方式。试验对象分别是风干试样和浸水饱和试样，加载比为1，加荷等级依次为50、100、200、400、200、100、50、100、200、400、800、1 600、3 200 kPa。越级加载的试验对象为风干试样，加载比为2，即50、200、800、3 200 kPa，试验过程中不对试样卸荷回弹。

3 试验结果分析

3.1 含砂量对压缩变形的影响

图3为各组试样进行常规加载时的e-lg p 曲线。由图中可以看出，随着含砂量减小、砾块含量增多，天然孔隙比逐渐增大，压缩性也有增大的趋势，但随着荷载的逐步增大，试样压缩量的增长速率逐渐趋于稳定。下文就压缩系数、回弹变形量作进一步分析。

图3 不同含砂量时的e-lgp 曲线Fig.3 e-lgp curves of different sand content samples

3.1.1 压缩系数av

压缩系数av取100～200 kPa 区间计算，图4为风干样含砂量分别为100%、70%、50%、30%时的压缩系数。由图可见，试样的压缩性与含砂量的变化密切相关；含砂量从高到低变化时，在100%至50%过程中，压缩系数波动幅度较小，直到含砂量从50%降至30%时，试样的压缩性有较显著的提高。分析压缩系数变化规律可知，纯砂密实度最高，压缩性最小；与纯砂相比，砾块的掺入，提高了土样的压缩性；含砂量70%的试样相对于50%的压缩性略高，原因是含砂量70%时，砾块所占比重小，大部分砾块均被细砂包裹，砾块的磨圆度低，尖锐的棱角刺破了质脆的钙质砂颗粒，释放了内孔隙，从而增强了对细砂和砾块自身的破碎效果。而随着砾块的进一步增多，直至砂砾配比为1:1，砾块逐渐形成空架结构，细砂主要用作大孔隙的填充，形成了较密实的孔隙结构体，使大颗粒间的孔隙密实，压缩性较低。对含砂量为30%的土样而言，砾块仍然是主体结构，此时细砂含量少，孔隙比至少高出比其他组试样40%，压缩性显著。试样各组分的作用详见表1。

图4 不同含砂量试样的压缩系数avFig.4 Compressibility of different sand content samples

表1 含砂量对变形的影响结果Table 1 Impact of sand content on deformation

3.1.2 回弹变形量

试验中，当荷载首次加至400 kPa 后对试样进行卸荷比为0.5 的卸荷研究，分析试样在50-400-50-400 kPa 过程中的变形规律，该过程中试样变形情况如图5 所示。图中，卸荷前后比值是指卸荷后变形量（卸载至50 kPa 后至又一次加载至400 kPa过程中试样的变形量）与卸荷前变形量（卸载前，首次加载50-400 kPa 过程中试样的变形量）的百分比。各组试样卸荷后与卸荷前的变形量相比有明显的衰减，并且含砂量越小，衰减越显著，即砾块的掺入提高了土样对荷载的敏感度，特别是含砂量为30%的试样，大量的砾块使其变形中存在更多不可恢复的变形，这种变形主要是砾块的破碎引起的。

需要指出的是，图3 是卸荷前后的孔隙比变化，图5 则是卸荷前后竖向一维尺寸的变化。分别分析卸荷前后孔隙比和压缩变形量变化的原因：钙质砂材料颗粒破碎的性质在一定程度上影响了孔隙比计算的科学性，选择对试样卸荷前后压缩变形量进行对比可以综合反映由于孔隙变化、颗粒破碎共同引起的压缩规律。

图5 400-50-400 kPa 过程中试样变形量Fig.5 Springback deformation in the process of 400-50-400 kPa

3.2 颗粒破碎结果分析

3.2.1 颗粒破碎与固结变形的一致性

描述颗粒破碎的指标多种多样，本文结合前人对各种颗粒破碎率指标的对比成果[20]，采用颗粒破碎率Bg对试验前后的颗粒破碎情况进行分析。

Bg是采用试验前后试样粒组百分含量差的正值之和描述颗粒破碎的情况。相对于B10、B15、B60等通过单一粒径含量变化量衡量颗粒破碎的指标而言，采用整个级配曲线变化量衡量的多粒径指标Bg对试验产生的应力条件更加敏感，能够反映颗粒破碎前后试样粒径的整体变化情况。

结合试验前后颗粒分析成果，由图6 颗粒破碎率Bg与含砂量之间的关系可知，随着砾块含量的增多、含砂量减小，颗粒破碎率Bg先减小后增大，在含砂量为60%～70%之间达到最小值，与图4 中压缩系数在含砂量也在该区间达到极值一致，说明颗粒破碎导致的试样变形在总压缩变形中的贡献较大。

图6 颗粒破碎率Bg与试验条件的关系Fig.6 Relationship between particle breakage rate and test condition

3.2.2 各粒径区间的颗粒破碎情况

以下对含砂量为30%的风干样、饱和样的常规加载试验及风干样越级加载试验前后各粒径区间的质量变化情况（见图7）进行分析，结果表明，（1）质量损失主要集中于粒径为10～60 mm 的颗粒，即试样变形时整个试样中颗粒破碎主要表现为粒径10～60 mm 颗粒的颗粒破碎，小于10 mm 的颗粒破碎相对较少，与破碎颗粒孔隙的大小、形状以及各粒级的颗粒的含钙量等因素有关；（2）以风干样为例，试验前后各粒粒径区间的质量及试验后的质量增量情况如图8 所示。破碎主要集中于粒径为10～40 mm 范围内的颗粒，粒径40～60、2.5～1、0.1～0.25、0.074～0.1 mm 的颗粒在试验前后质量变化不显著，特别是粒径为0.1～0.25 mm 颗粒的质量增量百分比（试验后该粒径区间的质量增量与试验前该质量的百分比）低至2.4%，由此可以推断，颗粒破碎至0.25 mm 之后进一步破碎的难度较大，在相同条件下的破碎量极少，因此可将粒径0.25 mm视为该试样的相对稳定粒径，是今后钙质砂颗粒破碎研究中需要关注的粒径之一。

上述成果表明，试验前后各粒径区间的质量变化反映了对应粒径的颗粒破碎情况，不同粒径的颗粒破碎情况受到孔隙大小、形状及颗粒含钙量等综合因素的影响，呈现出明显的力学性质差异。对试验前后颗粒破碎的分析成果可作为实际工程中钙质沉积物粒径选择的指导和依据，用以确定最合理的级配，减少颗粒破碎对地基变形的影响。

图7 各粒径区间的颗粒试验前后的增量Fig.7 Increments of each partical size range before and after the experiment

图8 风干样试验前后各粒径区间的质量及试验后的质量增量Fig.8 Weight of each particle size range after and before test(dry sample) and the increment

3.2.3 试验条件对颗粒破碎的影响

（1）加载条件的影响

含砂量为100%和30%试样在不同试验条件下的颗粒破碎率Bg如图9 所示。在加载比为2 的越级加载条件下，颗粒破碎率Bg相对于加载比为1 的风干样加载和饱和样加载大得多，颗粒破碎最显著，表明加载比（或加载速率）是影响颗粒破碎的重要因素。因此，实际工程中对存在钙质碎屑沉积物的地基进行使用或处理时，应考虑其对荷载梯度的敏感性，限制施工荷载并适当降低加载梯度，减少地基沉降变形。

（2）水的影响

试验中，对各组不同含砂量的试样分别开展了风干样和饱和试样的常规加载固结试验，其中饱和样指的是将风干样浸水饱和静置24 h 后所得的试样。

通过对两种情况下试验后颗粒破碎情况的分析发现，风干样和饱和样试验后颗粒破碎规律存在明显差异。图10为风干样与饱和样试验前后颗粒破碎率Bg的对比情况。

图9 颗粒破碎率Bg与试验条件的关系Fig.9 Relationship between particle breakage rate and test condition

图10 风干样与饱和样试验后颗粒破碎率Bg的差异性Fig.10 Differences of particle breakage rate between dry sample and saturated sample

图10 表明，风干样的颗粒破碎率对含砂量的变化更加敏感，而饱和样在不同含砂量情况下的颗粒破碎变化较小，变化规律较平稳，说明水的存在弱化了砂、砾差异性在试样颗粒破碎中的作用，分析原因如下：（1）这类钙质沉积物颗粒间接触部分残留的水膜对颗粒间位置调整起到了润滑的作用，使颗粒间位置调整变得相对平缓，减少了因颗粒位置调整、彼此激烈碰撞而引起的颗粒破碎现象；（2）颗粒本身存在大量封闭、半封闭孔隙是钙质砂、砾这类沉积物与石英砂的重要区别之一。对此类试样饱水后开展固结试验时，外孔隙、较大的半封闭孔隙中的水很快被排出，而大量微小的半封闭孔隙周围水的表面张力则使得小孔隙中的水难以被进一步排除，这些被封闭住的水在一定压力范围内，表现出了孔隙水压力，起到了填充和缓冲的作用，为颗粒抵抗固结压力做出一定贡献。

4 结 论

（1）大尺寸颗粒的存在，在一定程度上提高了试样的压缩性，使钙质砂压缩系数有所提高。

（2）含砂量的不同会使砂、砾在压缩变形过程中发挥不同作用，是试样变形存在差异的主要原因。

（3）试样对加-卸载的响应与颗粒大小有关，砾块相对于砂而言，对荷载变化更敏感，敏感度随着颗粒减小而降低，本研究找到了颗粒破碎时相对最稳定的粒径为0.25 mm。

（4）加载比大小、土样的饱水情况对试样的变形结果影响显著，工程建设中需予以考虑。

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