珊瑚礁海岸沉积物输运及珊瑚砂岛演变研究综述

珊瑚礁海岸沉积物的输运及珊瑚砂岛的演变研究在我国起步较晚,同时南中国海的珊瑚砂岛是我国重要的海洋空间资源,涉及国家领土主权的核心利益,开展这方面研究具有重要的学术价值和现实意义。综合分析了推移质和悬移质碳酸盐沉积物输运过程及其影响因素,重点介绍了短波、低频长波和海流对沉积物输运的驱动机制,以及粗糙珊瑚对沉积物的遮蔽效应。总结分析了珊瑚砂岛的动态演变规律及其影响因素,并重点介绍了珊瑚砂岛在长期海平面上升和短期风暴潮增强时的演变规律,并提出了今后研究需要关注的方向。

硫酸锌胶结珊瑚砂渗透特性试验及工程应用探讨

对松散珊瑚砂进行胶结处理以降低岛礁地层渗透性是促进生态岛淡水涵养的重要手段之一。为此,开展了硫酸锌胶结珊瑚砂的渗透试验,分析了不同浸泡时长、硫酸锌溶液浓度及初始干密度对胶结珊瑚砂渗透性的影响,采用干湿循环试验验证其耐久性,通过X射线衍射(X-ray diffraction,简称XRD)、扫描电镜(scanning electron microscope,简称SEM)、能量色散X射线光谱(energy dispersive spectrometer,简称EDS)及计算机断层扫描(computed tomography,简称CT)扫描研究微观胶结机制。结果表明:(1)硫酸锌胶结可将珊瑚砂渗透系数降低70.17%~95.79%;(2)干湿循环16次后,胶结处理36 h的珊瑚砂样品质量损失率不超过4%,渗透系数变化不超过1.0×10^(-3)cm/s,表明样品耐久性良好;(3)珊瑚砂和硫酸锌反应生成二水石膏与菱锌矿填充样品孔隙,使孔喉平均半径、配位数均减小,孔隙连通性显著下降。该技术可应用于岛礁吹填初期固砂防侵蚀、提高地基承载力、降低渗透性以促进地下淡水涵养和生态岛建设,具有重要的工程应用价值。

不同形状的珊瑚砂颗粒沉降试验研究

珊瑚砂在液体中的沉速是反映泥沙运动特性的一个重要物理量。由于珊瑚砂形状多样,套用现有的珊瑚砂沉速公式进行计算并不合适。针对珊瑚砂颗粒开展形状分析,将珊瑚砂颗粒分成枝棒状、片状和块状3种形状,然后开展单颗粒沉降试验。基于试验数据,分析不同形状珊瑚砂颗粒的沉降特性,与各家理论公式计算结果进行比较分析,选取经典的珊瑚砂颗粒沉速公式,引入颗粒形状系数进行公式修正,从而推求了枝棒状、片状和块状珊瑚砂颗粒的阻力系数和沉降速度公式。该公式充分考虑不规则珊瑚砂颗粒形状的影响,具有更高的计算精度和适用性。

南海西沙典型珊瑚砂岛礁场地地震响应模拟与监测研究

南海珊瑚砂岛礁场地的非线性地震响应分析对中国南海岛礁建设的地震安全保障具有重要现实意义。以南海西沙某典型珊瑚砂岛礁为研究对象,建立了考虑该岛礁场地地形地貌特征及非饱和带水文地质特征的岛礁场地地震响应分析二维有限元数值模型。基于南海岛礁现场监测地震数据验证了模型的有效性,数值分析了不同输入地震信号的岛礁场地非线性地震响应规律。结果表明:①受岛礁岩盆效应影响,岛礁边缘处的PGA放大效应较为显著;沿高程方向,受地层岩性变化及地下水饱和度的影响,PGA放大因子曲线表现出明显的界面转折特征,并且松散珊瑚砂层的PGA放大效应较基岩更为显著;②岛礁场地加速度反应谱的卓越周期与输入地震动基本吻合,但岛礁场地的地表地震动显著持时与输入地震动相比均有不同幅度的延长;③全饱和与否对PGA放大因子和Arias强度有一定影响,但对PSA反应谱影响较小。研究成果可为南海西沙类似珊瑚砂岛礁场地的地震安全研究及场地抗震提供参考。

珊瑚砂与土工格栅界面的剪切特性及本构模型

采用南海原位级配珊瑚砂和聚丙烯双向土工格栅,开展了不同法向应力下珊瑚砂和筋土界面大型直剪试验。试验结果表明,珊瑚砂和筋土界面剪应力—剪切位移曲线呈现明显的应变软化特征,峰值抗剪强度线呈现双折线形态,残余抗剪强度线则呈现较好的线性关系;各级法向应力下珊瑚砂与土工格栅界面摩擦比均值达到1.37左右,远高于石英砂与土工格栅界面摩擦比,说明在珊瑚砂中加筋能充分发挥加筋效果;珊瑚砂和筋土界面在剪切过程中总体上经历了相对剪缩—相对剪胀—相对剪缩的过程,对珊瑚砂加筋可显著减小其剪缩变形;珊瑚砂和筋土界面直剪试验试样的相对破碎率接近,均随法向应力的增大而增大,但增幅逐渐趋缓。采用邓肯—张模型和剪切软化模型分别描述南海原位级配珊瑚砂与聚丙烯双向土工格栅界面峰前和峰后剪应力—剪切位移曲线,所建立的筋土界面本构模型能够很好地反映其剪切特性。

不同含水状态下微生物珊瑚砂桩单桩复合地基模型试验研究

微生物珊瑚砂桩复合地基是利用MICP技术固化珊瑚砂成桩与珊瑚砂组成复合地基,具有就地取材、对原状砂土扰动小及对岛礁生态环境影响小等优势,在岛礁工程建设中具有良好的应用前景。通过不同工况下的微生物珊瑚砂桩单桩复合地基模型试验,研究地基相对密实度(50%、65%、72%)、面积置换率(8%、14%、20%)、含水状态(干燥和饱和)和水位升降对复合地基承载特性的影响规律。结果表明:干燥状态下复合地基的承载力及桩侧摩阻力随地基相对密实度和面积置换率增大而增大;复合地基的桩身轴力和桩土应力比随地基相对密实度增大而减小,随面积置换率增大而增大;提高地基相对密实度和面积置换率可有效提高复合地基承载力。饱和状态下复合地基的承载力为干燥状态的49%~66%;饱和状态相对于干燥状态桩身最大轴力和桩侧摩阻力减小,桩土应力比增大。两次水位升降对微生物珊瑚砂桩单桩复合地基的承载特性影响较小。

岛礁的隧洞开发初探及珊瑚砂层地表预注浆后开挖特性研究

由于岛礁空间有限,且陆域吹填受制于海洋地质条件,因此亟需探求拓展岛礁空间的新方案。本文针对岛礁空间不足的现状,提出了建设岛礁隧洞的方案,并基于岛礁工程环境的特殊性,提出了珊瑚砂软弱地层的地表预注浆加固方法,并研发了控压式预注浆试验系统,开展了珊瑚砂软弱地层结构的地表预注浆扩散试验,得到了浆液运移扩散特性;通过优选注浆参数,开展了饱和条件下珊瑚砂层隧洞预注浆加固与未注浆的开挖力学模型试验,分析了围岩应力、地表沉降、涌水量的响应特征。研究结果表明:在珊瑚砂软弱地层中,浆液运移扩散距离同浆液水灰比和注浆压强均有正相关性,渗透系数在水灰比为2.0时突然增大;渗流条件下,隧洞1倍洞径处的围压受到开挖扰动的影响而增大;通过对比预注浆段和未注浆段试验结果,隧洞掘进过程中地表沉降值缩减了92.68%,涌水速率下降为0.3 mL/min。试验结论验证了岛礁环境中开挖隧洞的可行性,对于岛礁隧洞的预加固工程有一定的参考作用。

饱和珊瑚砂体应变发展模式与预测模型试验研究

珊瑚砂具有较好的排水条件,地震、波浪荷载作用下饱和珊瑚砂产生的排水变形易引起海床和附近结构物的破坏。利用GDS循环三轴仪,针对南沙岛礁饱和珊瑚砂试样进行了一系列循环排水加载试验,以探究细粒含量FC、相对密度D_r及循环应力比CSR对饱和珊瑚砂变形特性的影响。试验结果表明,饱和珊瑚砂的累积体应变ε_(vp)的发展速率和变形程度随FC、CSR的增大而增大,随D_(r)的增大而减小。饱和珊瑚砂ε_(vp)-N关系曲线呈现出循环平稳和循环蠕变两种发展模式。引入潜在破坏系数DP表征FC对ε_(vp)发展模式的影响,建立了DP×CSR-D_(r)框架的饱和珊瑚砂体应变发展模式评价方法。为表征FC及D_(r)对饱和珊瑚砂ε_(vp)-N关系曲线的影响,引入了骨架孔隙比e_(sk)*,发现两种发展模式下ε_(vp-s)与e_(sk)*均存在良好的相关性,遂建立了排水循环加载条件下饱和珊瑚砂的体应变发展模型,可以较好地预测饱和珊瑚砂的累积体应变发展规律。

间断级配珊瑚砂地基渗流侵蚀稳定性试验研究

为解决降雨入渗导致的岛礁珊瑚砂地基沉降、塌陷等渗流侵蚀问题,利用自制渗透仪对不同D_(15)/d_(85)(D_(15)为粗粒组中小于某粒径的土颗粒累计百分含量为15%所对应的颗粒粒径,d_(85)为细粒组中小于某粒径的土颗粒累计百分含量为85%所对应的粒径)和细颗粒含量的间断级配珊瑚砂开展自上而下的单向渗透试验,厘清细颗粒迁移特征和流失的基本条件,揭示珊瑚砂渗透性变化规律,并借助微观手段对其内在机制进行分析。结果表明:(1)对于土骨架粒径为2~10 mm的珊瑚砂而言,粒径为0.25~0.50 mm的粒组是保证其渗流侵蚀稳定的关键粒组;(2)间断级配珊瑚砂地基D_(15)/d_(85)比值小于10且细颗粒含量在20%~30%之间时,渗流侵蚀稳定性较好;(3)与石英砂相比,珊瑚砂特殊的矿物成分及颗粒形貌导致其更难发生颗粒迁移,抗渗流侵蚀能力更强;(4)工程实践中,可通过提高相对密实度、优化颗粒级配或采取注浆胶结等措施提高地基渗流侵蚀稳定性。研究结果可为岛礁地基抗渗流侵蚀设计提供科学依据。

细粒含量和相对密度对饱和珊瑚砂体应变发展特性影响试验

随着珊瑚岛礁基础设施建设的不断发展,其工程应用的安全性已成为学术界重点关注的问题。通过系列排水循环三轴试验,探究细粒含量F_(c)和相对密度D_(r)对饱和珊瑚砂变形特性的影响。试验表明:F_(c)和D_(r)均会显著影响累积体应变ε_(vd,ir)^(N)(N为加载过程中的循环次数)和动弹性模量E_(d,N)的发展。当0%≤F_(c)≤30%时,不同工况下试样变形的发展模式依据安定性理论可描述为塑性安定行为。稳态累积体应变ε^(s)_(vd,ir)随F_(c)的增大而增大,随D_(r)的增大而减小;ε^(N)_(vd,ir)的发展速率随F_(c)的增大而增大。此外,F_(c)的增大会导致初始动剪切模量E_(d,l)和稳态动弹性模量E_(d,s)产生一定幅度衰减,引入无量纲参数相对动弹性模量E_(r),发现E_(r)的增长速率随F_(c)的增大而增大,但几乎不受D_(r)的影响。基于二元介质理论引入等效骨架孔隙比e^(*)_(sk),鉴于稳态累积体应变ε^(s)_(vd,ir)、E_(d,l)和E_(d,s)均与e^(*)_(sk)存在相关性,建立饱和珊瑚砂ε^(N)_(vd,ir)/ε^(s)_(vd,ir)和E_(r)与e^(*)_(sk)相关的预测模型,结合文献中数据进一步验证模型的适用性。

不同改良剂对珊瑚砂理化性质和氮素固持的影响

高碱环境和土壤养分的匮乏严重限制了我国热带珊瑚岛土壤环境下植物的生长适应能力,因此,珊瑚砂改良对促进珊瑚岛植被恢复,维持珊瑚岛生态环境可持续健康发展具有重要意义。该研究通过室内土柱模拟试验,对比了同一梯度下4种常用土壤改良材料(蛭石、珍珠岩、生物炭和钙基膨润土)对珊瑚砂理化性质、氮素淋溶以及总氮含量的影响。结果表明,与对照(CK)相比,施用生物炭使珊瑚砂pH显著降低1.4%,钙基膨润土、生物炭和蛭石能够显著提高珊瑚砂的阳离子交换量至CK的24.21、10.43和9.43倍。同时,施用生物炭、钙基膨润土和蛭石并不能降低以硝态氮形式为主的氮素淋失,但是能显著减少其他途径的氮素损失,从而达到促进珊瑚砂氮素固持的效果,3种改良剂施用下的珊瑚砂总氮损失相较于CK分别降低了40.92%、27.32%和25.09%。因此,施用生物炭、钙基膨润土和蛭石均能有效提高珊瑚砂土壤质量,对改良珊瑚砂和热带珊瑚岛植被恢复具有重要意义,其中生物炭的改良效果最为显著,是改良珊瑚砂的理想材料。

加载频率对饱和珊瑚砂剪切模量硬化和衰退特性的影响

为探究循环加载频率f对珊瑚砂动剪切模量硬化和衰退特性的影响,采用不同f(0.01Hz、0.05Hz、0.1Hz、0.5Hz、1Hz)的分级和单级加载模式,开展中密、均等固结、应力控制的饱和珊瑚砂不排水循环剪切试验。珊瑚砂的孔压门槛剪应变(低于该应变不会产生超静孔压)和模量门槛剪应变(低于该应变不会产生剪切模量衰退)的大小基本相同,可统一称为门槛剪应变γ_(th),且γ_(th)值的大小不受f的影响。低应变(≤γ_(th))时,动剪切模量G随循环剪应变幅值γ_(a)的增大而增大,与施加的循环应力比(CSR)呈二次多项式关系,模量硬化指数δ_(s)最大可达1.2;高应变(>γ_(th))时,G-γ_(a)关系曲线不受f的影响,模量衰退指数δ_(d)可表示为γ_(a)的负幂函数;G随循环次数N增大而衰退的速率随f的增大而减小,与f相关的δ_(d)可表示N的显式表达式。

珊瑚砂抗剪强度及颗粒破碎影响因素试验研究

珊瑚砂质脆易破碎,其力学与变形特性有别于石英砂.为研究粒径、预压缩对珊瑚砂抗剪强度及颗粒破碎的影响,对珊瑚砂试样进行了侧限压缩试验与三轴剪切试验.同时探讨了珊瑚砂-石英砂混合物在三轴剪切状态下的力学和变形特性.结果表明,破碎后的珊瑚砂颗粒主要集中在较原粒径小一级的粒径中;初始粒径越小,颗粒团簇现象越明显;粒径对颗粒破碎影响较大,大于1 mm粒径的珊瑚砂颗粒破碎尤为明显;破碎后的珊瑚砂颗粒粒径主要集中在大于0.25 mm的范围内.预压缩(颗粒破碎)会导致珊瑚砂内摩擦角增大,掺入石英砂对珊瑚砂内摩擦角影响很小,预压缩和掺入石英砂都会减小珊瑚砂的假黏聚力,石英砂掺量越多,假黏聚力降低越明显;预压缩、增加石英砂掺量和增大粒径都会减小颗粒团簇程度,同时增大颗粒破碎程度.

沉积方向对珊瑚砂动剪切模量及阻尼比的影响

复杂地质赋存环境下珊瑚砂具有显著的各向异性特征,颗粒的沉积方向显著影响其动力特性。对南沙岛礁珊瑚砂开展均等固结的共振柱试验,探究了珊瑚砂颗粒的沉积方向角φ(沉积面与水平面的夹角)和初始有效固结围压σ0’对其动剪切模量G和阻尼比λ的影响。在给定φ下,G随剪应变幅值γ_(a)增大而减小的速率随σ0’的增大而增加;给定σ0’下,G随γ_(a)增大而减小的速率随φ增大呈现先减后增的趋势,φ=60°时G—γ_(a)曲线位于最下方。最大动剪切模量G_(0)随φ的增大表现出先减后增的现象,且φ对G_(0)的影响随σ0’的增大而降低。建立了考虑φ和σ0’影响的修正Hardin模型,预测和量测的G_(0)值偏差小于10%。动剪切模量比G/G_(0)—γ_(a)曲线对φ不敏感,结合修正Hardin模型和Davidenkov骨架曲线预测和量测的G值偏差小于15%。在陈国兴等(2006)提出的阻尼比经验模型中引入φ影响的修正项,预测和量测的λ值偏差小于20%。

基于多块体上限法的层状珊瑚砂地基承载力分析

为研究层状珊瑚砂地基承载能力,基于极限分析上限理论,构建了适用于层状砂土的多块体破坏机构,推导了外力功率与内能耗散率的计算公式.采用序列二次规划优化算法,建立了层状珊瑚砂地基极限承载力的上限分析方法.通过与现有研究成果的对比分析,验证了所建立方法的有效性,所构建的破坏机构突破了现有分层地基破坏机构下层必须为黏土的局限.结果表明,当破坏机构穿过不同层状地层时,基于层状地基模型与均质地基模型计算得到的地基承载力和临界破坏机构有显著不同,因此有必要考虑不同分层性质.相比于地基载荷试验,所提出的上限分析方法通过调整不同地层土体参数,能够快速得到地基承载力上限值,为珊瑚砂地基设计提供参考.

饱和珊瑚砂液化特性动三轴试验研究

为调查饱和珊瑚砂液化相关特性与发展规律,针对饱和Chibishi珊瑚砂,开展一系列不排水循环三轴试验,研究相对密度D r和循环应力比CSR对饱和Chibishi珊瑚砂的超孔隙水压力Δu、轴向应变εa及动强度特性的影响,并分析不同地区珊瑚砂抗液化强度的差异性。结果表明,饱和Chibishi珊瑚砂的Δu发展模式根据不同的CSR水平可以分为前期均匀增长型、前期突增型和后期突增型;此外,采用一种新的孔压模型对前期均匀增长型、前期突增型的孔压比r u进行表征,Chibishi珊瑚砂在相同的D r条件下,双幅应变εDA达到5%的循环次数N随着CSR水平的增加而逐渐减小;各珊瑚砂在同一里氏震级对应的等效循环振动次数下,抗液化强度CRR的增长模式存在显著差异。研究结果可丰富对珊瑚砂液化特征的认知,同时对近岸和沿海工程的抗震设计提供参考依据。

珊瑚砂中桩贯入过程的声发射特征

珊瑚砂地基中桩基础的力学特性是近年来岛礁工程中关注的热点问题之一。鉴于珊瑚砂颗粒易于破碎、颗粒表面粗糙等特点,在受力状态下易产生声发射信号,以往的研究在单元尺度进行了较多的成功应用。本文通过一组模型桩加载试验,研究珊瑚砂中桩贯入过程的声发射参数特征及演化规律。试验结果表明:声发射参数与模型桩荷载之间存在高度关联性,两者随贯入深度的变化规律相似并存在明显的三阶段演化特征;密实度对声发射的影响机制较为复杂,更密实的珊瑚砂地基对应的声发射信号不一定更强,当累计贯入深度达到40 mm时,两种密实度地基的声发射参数值总体差别不大;往复加载时,当荷载较小时(初始加载阶段),声发射事件不活跃,表现出Kaiser效应。总体上看,除声发射事件的平均幅值在初始加载阶段的变化特征区别较大外,其他声发射参数(声发射事件计数、振铃计数、能量)的变化规律较为相似。

掺珊瑚砂粉砂浆抗硫酸镁侵蚀性能研究

本文研究了硫酸镁作用下掺珊瑚砂粉(CSP)和辅助胶凝材料(SCMs)砂浆的抗硫酸镁侵蚀性能。在5和20℃硫酸镁溶液中侵蚀至365 d,通过外观、长度变化、抗压强度,结合X射线衍射谱和傅里叶变换红外光谱分析砂浆的抗硫酸镁侵蚀性能。发现在5℃的硫酸镁溶液中侵蚀至365 d时,掺CSP砂浆发生严重劣化。掺20%(质量分数)CSP的抗硫酸盐硅酸盐水泥比掺20%(质量分数)CSP的普通硅酸盐水泥表现出更好的抗硫酸镁侵蚀性能。在5℃下粉煤灰和矿渣有助于改善掺CSP砂浆的抗硫酸镁侵蚀性能,然而在20℃下硅灰降低其抗硫酸镁侵蚀性能。在5℃下掺CSP砂浆主要发生镁盐和碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀并伴随少量石膏生成,在20℃下主要发生镁盐和石膏型硫酸盐侵蚀。

CF/SSF增强珊瑚砂水泥砂浆微观结构分析及动态劈裂拉伸试验研究

珊瑚混凝土是一种拉压强度严重不对称的材料,研究其动态拉伸力学性能对岛礁防护工程具有重要意义。为了探究碳纤维(carbon fiber,CF)和不锈钢纤维(stainless steel fiber,SSF)增强珊瑚砂水泥砂浆在冲击荷载作用下的∅动态拉伸力学性能,采用100 mm的分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)装置进行动态劈裂试验,对比分析不同纤维掺量的珊瑚砂水泥砂浆在不同应变率下的动态抗拉强度和能量耗散规律,并结合扫描电子显微镜揭示混杂纤维的作用机理。结果表明:复掺CF和SSF的珊瑚砂水泥砂浆试样的静、动态抗拉强度均有显著提高,最大动态抗拉强度增长率为66.03%。在相同应变率下,试样的动态抗拉强度与纤维掺量呈正相关,其破碎程度与纤维掺量呈负相关,纤维的桥接作用对试样裂缝开展具有良好的抑制效果。在同一纤维掺量下,动态增长因子随应变率的升高明显增大,动态增长因子最大值为2.44,表现出明显的拉伸应变率效应。珊瑚砂水泥砂浆试样的破碎程度及耗散能量均与应变率呈正相关,且纤维掺量越高,试样破坏时需要耗散的能量越多。

岛礁珊瑚砂可注性试验研究

为研究岛礁珊瑚砂材料可注性,采用超细硅酸盐水泥浆液开展了一系列可注入特性正交试验。以注浆结石率作为可注性判别依据,分析了珊瑚砂密实度、浆液水灰比、注浆压力和保压时长等因素对注浆结石率的影响。试验结果表明,超细硅酸盐水泥对珊瑚砂注浆结石率影响的程度强弱顺序为:注浆压力、水灰比、保压时长、密实度。采用多元线性回归分析方法,建立了注浆结石率与各影响因素之间的数学模型,可用来预测注浆结石率目标值。拟合结果表明,所提模型线性相关性良好。