未胶结钙质砂中表面基础承载力研究

本文针对南海未胶结钙质砂开展室内表面基础模型试验、大变形有限元模拟和三轴排水试验,获得钙质砂承载特性与力学性质。通过进行室内模型试验,获得松砂和中密砂中反力-位移曲线,且发现基础周围颗粒破碎不明显。然后采用商业软件Abaqus中的大变形有限元模块耦合欧拉-拉格朗日(CEL)开展表面基础有限元计算,本构模型采用摩尔-库伦模型,本构参数通过三轴排水试验确定。有限元模型经室内模型试验结果验证可靠后,开展变参计算,探究基础尺寸和土体相对密实度对表面基础承载力的影响。结果表明,表面基础承载力随基础直径增加而增大,满足幂函数变化规律,进而给出了容许承载力和极限承载力随基础直径变化的预测公式。

冲击荷载引起的颗粒破碎对钙质砂液化特性的影响

钙质砂具有孔隙率高、强度低、易破碎的特点。同时,钙质砂在波浪和地震等振动荷载的作用下,也具有发生液化的可能性。为探究钙质砂颗粒破碎与抗液化强度的关系,对南海永兴岛的钙质砂开展了三轴试验研究工作。首先,利用小型手动冲击装置对钙质砂进行破碎处理,获取了不同相对破碎率(Br)的试样,然后利用多功能动三轴仪分别对原始试样和不同破碎程度的试样进行了液化试验。结果表明:在相同围压和密实度条件下,钙质砂的抗液化强度(CRR)随着Br的增大而降低,但降低速率会随着Br的增大而减小。另一方面,相对密实度的增大会削弱颗粒破碎对钙质砂抗液化能力的影响。最后,为了定量评价颗粒破碎对钙质砂抗液化强度的影响,建立了Br-CRR的数学关系。

钙质砂地基中群桩基础荷载传递特性研究

为研究钙质砂地基中群桩基础承载过程中的性能特征,开展不同桩距条件下群桩基础静载试验.得到不同桩距条件下群桩的Q-S曲线和S-lgt曲线,测得3d、4.5d、6d(d为桩径)群桩在静载条件下的极限承载力F_(u),研究各个桩段的桩身轴力、桩侧摩阻力以及桩端阻力的变化趋势.研究结果表明:群桩的Q-S曲线为缓变型,S-lgt曲线为渐变型,桩基承载变形大致分为稳定、渐进以及破坏3个阶段,相较于3d群桩,4.5d、6d群桩沉降发展更缓慢,F_(u)更高;同等桩距下,钙质砂地基表现出比陆源砂地基更强的群桩效应,钙质砂地基中群桩最佳桩距应在4.5d~6d之间.该研究为群桩在钙质砂地基中的应用提供数据支撑和理论参考.

三轴剪切过程中排水条件对钙质砂颗粒破碎、变形和强度特性的影响

钙质砂的颗粒破碎、变形和强度特性与受剪时的排水条件有关。然而当前的研究很少考虑不排水剪切过程对钙质砂颗粒破碎和力学特性的影响。对不同初始相对密实度的钙质砂进行了一系列不同有效围压下的三轴固结排水和不排水剪试验,以研究剪切过程中排水条件对钙质砂颗粒破碎和力学性质的影响。结果表明:在相同的有效围压下,排水剪试验的颗粒破碎率高于不排水剪试验。在排水剪与不排水剪过程中,钙质砂的应力-应变曲线都表现为应变软化行为,其剪胀趋势受到初始相对密实度和有效围压的影响。钙质砂的临界状态与初始状态无关,与剪切过程中的排水条件有关,对于临界应力比和相变应力比,排水剪试验大于不排水剪试验。钙质砂的峰值有效内摩擦角随初始相对密实度、有效围压和颗粒破碎率的增大而减小,但是临界有效内摩擦角不受初始条件、有效围压和颗粒破碎的影响,两种有效内摩擦角都与剪切过程中的排水条件有关。对于峰值有效内摩擦角和临界有效内摩擦角,排水剪试验大于不排水剪试验。上述结果表明,钙质砂的颗粒破碎、变形和强度特性与剪切过程中的排水条件具有明显的相关性。

聚氨酯固化钙质砂物理力学特性

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。

微生物加固钙质砂地基电阻率特性试验研究

微生物加固砂土地基存在加固不均匀的问题,采用自主研发的多通道电阻率测量技术对微生物加固钙质砂地基的电阻率分布规律开展了试验研究,研究了菌液和反应液在注入土体后对电阻率幅值及变化规律的影响,最后根据电阻率分布情况,探讨了微生物加固钙质砂地基空间上加固程度的差异性,以及利用电阻率法监测微生物加固过程和加固效果的可行性。试验结果表明:微生物加固钙质砂地基的电阻率受土体密度,菌液与反应液影响较大,其中,反应液对电阻率的影响程度最高。整体上电阻率随着加固次数的增加呈现先增大后减小的规律,深部土体电阻率显著低于上部土体,第七至第八次加固后,土体电阻率开始增加,这一现象的原因可能为土体中的孔隙在多次加固后逐渐被生成的碳酸钙填充,土体中的离子交换通道减少导致电阻率增加,此时碳酸钙填充孔隙对电阻率的影响占主导地位。

钙质砂特征形状分析及不排水剪切强度研究

钙质砂的形状是影响其宏观力学性质的重要因素。人工挑选出不同特征形状(块状、片状、条状)的钙质砂,通过显微图像采集与处理技术,定义并构建了一个形状参数(偏离度α),对钙质砂的特征形状进行三维定量描述,配制3种不同形状掺量的钙质砂试样进行三轴固结不排水剪切试验,研究钙质砂的特征形状对其剪切特性的影响。研究结果表明:(1)偏离度α能够较好地对钙质砂的形状进行描述及区分,可作为一种量化钙质砂形状的有效手段;(2)钙质砂的不排水剪切强度与偏离度α有较好的相关性:若增加片状钙质砂的含量(α增加),则试样的不排水剪切强度降低,若增加条状钙质砂的含量(α减小),不排水剪切强度增大。研究成果不但加深了对钙质砂特征形状的理解,还为准确评估钙质砂的抗剪强度提供了新思路。

考虑颗粒破碎影响的钙质砂中海底管道贯入机制研究

通过离心机模型试验,结合离散元数值分析对钙质砂中海底管道竖向贯入机制进行了研究。研究结果显示,钙质砂中管道竖向贯入阻力与埋深基本呈线性关系,其值大致等于管-土接触宽度与静力触探试验(cone penetration test,简称CPT)中相同深度锥尖阻力的乘积。当管道埋深较小时,由于土体变形主要以颗粒重排挤密为主,管道竖向贯入阻力几乎不受颗粒强度影响;当管道埋深较大时,管道竖向贯入阻力随着颗粒强度的降低以及颗粒破碎的加剧而减小。钙质砂中管道竖向贯入机制主要表现为典型的冲剪破坏,土体变形主要集中在管道底部,且水滴状变形区域随着颗粒破碎的加剧逐渐收缩。颗粒破碎从管道底部向远离管道径向发展,大量贴近管道底部的颗粒发生连续破碎,少量远离管道的颗粒发生独立破碎。颗粒破碎导致管道底部土体中的集中应力释放,颗粒破碎越多,应力释放导致管道竖向贯入阻力减小的现象越明显。

微生物结合碳纤维加固钙质砂的高强度试验研究

为了研究微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)结合碳纤维固化钙质砂的效果及机理,先通过低轮次注浆试验探究碳纤维对MICP加固钙质砂效果的影响,并确定碳纤维的最佳掺量及长度,然后开展高轮次注浆试验,研究MICP胶结液无法再注入时的砂柱强度,通过试验结果对比和扫描电镜等分析,分析了微生物、碳纤维及钙质砂之间的作用机理。试验结果表明,掺加碳纤维能显著提高微生物加固钙质砂的强度。在低轮次注浆试验中,掺加碳纤维能有效提高碳酸钙的生成量及试样强度,纤维组的碳酸钙生成量比无纤维对照组提高了15%~34%,试样强度提高了135%~217%;高轮次注浆试验中,在MICP胶结液无法再注入砂柱的情况下,由于两组试样注浆轮次的差异,纤维组最终的碳酸钙生成量对比无纤维对照组减少了4%,试样强度提高了11%。

钙质砂三轴排水试验围压与剪切速率对应力特性影响研究

以海南省三沙市西沙群岛钙质砂为研究对象开展不同剪切速率的三轴固结排水试验,研究钙质砂剪切应力特性。试验结果表明:围压越大偏应力峰值出现的越晚,相同围压剪切速率越快应力峰值越大,应力下降也越快应力下降比越大,剪切速率对应力的峰值大小及残余剪切强度有一定影响,低围压下剪切速率对偏应力峰值影响更大。围压越小偏应力比越大,相同围压剪切速率越大偏应力比增长越快,当剪切速率低于一定速度时,偏应力比的变化并不受剪切速度的影响。相同围压条件下,由于排水剪切时围压和孔压保持不变,偏应力和平均有效应力关系为斜率3的直线,不同剪切速率破坏线趋势相同,剪切速率越大破坏线角度越大,但相差不大,破坏线为接近斜率1.75的直线,钙质砂内摩擦角为42°。剪切过程平均有效应力先增大后减小,剪切过程表现出剪缩到剪胀的变化过程,剪缩阶段不同剪切速率下孔隙比下降速率相近,剪切速率在剪胀阶段对孔隙比影响较大,剪切速率越大,孔隙比变化越大。

钙质砂抗剪强度的试验研究

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。

MICP固化钙质砂的统计损伤本构模型

目前关于微生物固化体的本构模型研究较少,本文基于Lemaitre应变等价性理论的损伤模型,假定微生物固化体的微元强度服从对数正态随机分布,假设微元破坏符合D-P准则,建立MICP固化钙质砂的统计损伤本构模型。根据试验数据确定本构模型中的参数S_(0)和参数F_0,并对其物理意义进行讨论,将该模型理论结果与试验结果进行对比,验证了该模型的合理性,最后分析了损伤变量D,参数S_(0)和参数F_0随碳酸钙含量变化的演化规律。研究结果表明:参数F_0反映微生物固化钙质砂的极限强度特性,参数S_(0)代表其脆性和延性特征;胶结水平越高,损伤速度越快,损伤值越大,随轴向变形持续增大,损伤变量最终会趋于稳定;该模型能够较好地模拟应变软化和应变硬化现象,同时可以反映体积应变曲线的剪胀和剪缩特性。本研究成果可为MICP固化土体的工程应用提供一定的理论基础。

剪切速率对水泥胶结钙质砂强度及变形的影响

为探究剪切速率对水泥胶结钙质砂强度及变形的影响,对钙质砂展开6种剪切速率、4种胶结度双变量的直剪试验.结果表明:水泥胶结钙质砂随着剪切速率的提升,抗剪强度呈先减后增的趋势.随胶结度的增加,抗剪强度呈逐渐上升的趋势,但较低胶结度下的抗剪强度略低于无胶结状态下的抗剪强度.在抗剪强度指标方面,随着剪切速率或胶结度的增加,黏聚力都呈上升趋势,内摩擦角呈下降的趋势.在变形方面,水泥胶结钙质砂在低法向应力更易呈现先剪缩后剪胀的形式;而在较高的法向应力,易呈现剪缩形式,但随着剪切速率的增大,剪缩程度减弱.

不同固结路径下钙质砂固结排水强度性状研究

钙质砂是我国南海岛礁建设的主要吹填材料,岛礁建筑施工中钙质砂地基将受到不同固结路径外荷载作用,开展不同固结路径下钙质砂的固结排水强度特性研究是岛礁地基建设的迫切需求。对取自我国南海某吹填岛礁的钙质砂开展不同固结路径三轴固结排水剪切试验,探究钙质砂的强度参数和颗粒破碎程度随固结路径的演变规律。研究结果表明:钙质砂的应变软化和剪胀特性随平均有效应力的增大、有效主应力比的增大而逐渐减弱;与等向固结工况相比,随着有效主应力比减小至0.45时,钙质砂固结排水峰值强度折减系数介于0.60~0.95之间;在常规应力范围内,当有效主应力比增大,峰值内摩擦角呈减小趋势,介于38°~53°之间。在固结阶段,颗粒破碎程度随偏应力的增大而变大,但在剪切完成后颗粒破碎程度反而最小,剪切阶段的颗粒破碎占主导地位;验证了不同固结路径下峰值内摩擦角与相对破碎率的定量关系式,计算得到的峰值内摩擦角预测值为实测值的0.8~1.2倍。固结应力路径和固结压力不同引起的颗粒破碎程度差异,是导致剪切后钙质砂固结排水强度性质差异的主要原因。

长期直接剪切作用下钙质砂的颗粒破碎特性研究

长期直接剪切作用下钙质砂的颗粒破碎特性是影响钙质砂剪切蠕变变形的重要因素。为了探寻钙质砂在长期直接剪切作用下的颗粒破碎特性,在不同应力水平下对具有特定分形维数的钙质砂进行直剪蠕变试验。试验结果表明:钙质砂的剪切蠕变可以分为快速剪切、减速蠕变和稳态蠕变等3个阶段;大粒径组的颗粒相比小粒径组的颗粒更容易被剪切破碎,大粒径组的颗粒破碎后向相邻的小粒径组迁移,且粒径越相近迁移量越大;钙质砂的破碎程度与法向应力和应力水平正相关,但最终的破碎程度由两者共同作用决定;长期直接剪切作用下相对颗粒破碎率和分形维数之间存在线性相关性,法向应力越大相关性越好;相对颗粒破碎率与输入总功之间呈双曲线关系。

珊瑚钙质砂-聚氨酯高聚物复合体蠕变村山流变模型改进

聚氨酯高聚物注浆可显著提高珊瑚钙质砂地基承载力,但目前缺乏模型准确描述注高聚物浆液加固后珊瑚钙质砂地基的蠕变。本文中推导了改进村山流变模型的理论公式,对复合体蠕变进行分段描述,采用一个与应力大小及时间有关的反比例函数代替传统村山流变模型中的黏滞系数。设计了室内蠕变单轴压缩试验,分别在100 kPa,200 kPa和400 kPa轴向应力下测定并建立了珊瑚钙质砂-高聚物复合体的蠕变量与蠕变时间的关系。试验结果表明:改进村山流变模型可有效描述珊瑚钙质砂-高聚物复合体蠕变全过程,当蠕变时间小于临界时间时,传统村山流变模型有效;当蠕变时间大于临界蠕变时间后,传统村山流变模型偏差随着时间增长而增大,而改进村山流变模型预测值与实测值具有很好一致性;复合体所处的应力水平越高,蠕变量越大,发生加速蠕变的时间也越早。

微生物加固钙质砂压缩前后细观尺度变化试验研究

MICP是岩土工程领域新兴的一种环境友好型砂土加固技术,可以用于提高钙质砂的工程性能,但由于MICP加固钙质砂试样的复杂结构,需要对其细观尺度展开研究以解释宏观现象。运用CT扫描技术,对三轴压缩前后的微生物加固钙质砂试样进行三维重构,分析加载前后试样细观尺度变化。研究发现,使用CT扫描得到的二维灰度图像可以显示试样的孔隙分布,且在二维灰度图像的降噪处理过程中非局部均值滤波算法具有良好的降噪效果。在此基础上进行三维重构,结果表明,加载前试样孔隙主要分布在试样高度方向1/3处、2/3处及试样两端,加载后这部分区域的孔隙会有所增加,即加载过程中试样的破坏主要集中在试样本身已有的薄弱区域。在三维重构基础上分割显著破坏面,显示低应力水平下试样破坏模式为X共轭剪切破坏,而在高应力水平下的破坏模式为单斜面剪切破坏。

微生物加固钙质砂试样的声发射能量统计特性

微生物加固是一种环境友好型土壤加固技术,具有提高强度、降低渗透率、控制液化等优点,也可以用于修复重金属污染物、防治矿井粉尘,大量学者对其进行了研究[1]。在中国南海地区,大量岛礁建设工程中主要地基材料均为钙质砂,由于复杂的工程环境,钙质砂地基存在沉降变形量过大、不均匀沉降和液化等问题,威胁到工程建设安全,有学者提出可以使用微生物加固技术对岛礁钙质砂地基进行加固以解决工程问题[2]。

高聚物-玄武岩纤维固化钙质砂静力特性研究

为改善钙质砂在南海岛礁工程中地基承载能力不足的问题,通过无侧限抗压强度试验、直剪试验研究了不同高聚物(PFA)、玄武岩纤维(BF)掺量对钙质砂抗压、抗剪强度的影响。结果表明:钙质砂的抗压强度、抗剪强度均随着PFA、BF掺量的增加而增大,当BF和PFA掺量分别达到0.6%和6%时其抗压强度增幅明显提升,当BF掺量超过0.3%后试样的内摩擦角和黏聚力增幅均变缓。通过SEM、高清数码显微镜发现PFA能够黏结分散的钙质砂颗粒、包裹小颗粒,增强了界面相互作用。另外,BF能够增大钙质砂的滑动摩擦力并与PFA共同作用形成庞大的纤维网,提高钙质砂的强度特性。

微生物加固钙质砂地基动力响应特性研究

微生物加固技术是一种有效提高土体强度、抑制土体发生液化破坏的绿色环保加固技术。采用温控微生物加固法对南海钙质砂地基模型进行微生物加固处理,并开展了一系列模型振动台试验研究,系统讨论了微生物加固程度和土体深度对微生物加固钙质砂地基的动应力应变关系、剪切模量、剪切波速以及动强度等动力特性的影响。试验研究表明微生物加固对钙质砂地基的动力学特性影响十分显著,具体表现在:随着微生物加固程度的提高,动剪应变显著降低,滞回圈骨干曲线的斜率逐渐增大,滞回圈面积和土体能量的耗散逐渐减小;动剪切模量随着加固程度的提高而增大,但增大幅度逐渐降低;深部土体的剪切模量衰减要高于上部土体;剪切波速值随着微生物加固程度的提高而显著提高,振动后的土体剪切波速值要高于振动前。动三轴试验获得的统一动强度方程,通过折减系数进行修正处理,可在一定程度上模拟振动台试验所获得的微生物加固钙质砂动强度发展规律。