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本文以福建莆田湄洲湾沿海贝壳砂为研究对象,以室内试验为主的研究方法对贝壳砂静力学特性、动力学特性进行了深入研究,在此基础上对贝壳砂颗粒破碎效应及其对工程特性的影响进行了相应分析。主要研究内容与成果如下:
⑴研究了贝壳砂的基本物理性质。通过常规物性试验、颗粒分析试验、渗透试验以及等离子光谱(ICP)测试等多种试验方法,测定贝壳砂比重、相对密度、颗粒级配、不同相对密度渗透系数以及贝壳化学成分。试验结果表明贝壳砂当中含有30.2%的贝壳,贝壳这种特殊的岩土介质受力后易发生颗粒破碎,故而对贝壳砂进行深入研究就显得比较重要。
⑵进行了不同相对密度、不同尺寸条件下的贝壳砂静三轴、压缩试验。结果表明:低围压范围内,相对密度和围压对贝壳砂峰值应力的影响较大。相对密度越大,围压越大,贝壳砂抗剪强度也就越大;尤其是提高相对密度,有助于提高贝壳砂峰值强度。相同围压下,随着试样尺寸的增加,峰值强度差逐渐减小,应力应变曲线呈压硬性。低围压下贝壳砂峰值应力差的大小主要取决于颗粒破碎及滑动翻滚所消耗的能量,而剪胀和摩擦咬合作用的影响较小;抗剪强度的尺寸效应随着围压的增加而逐渐减弱,并未随相对密度变化而发生显著变化;随着尺寸Φ的增加,凝聚力逐渐降低,内摩擦角却逐渐增大。
⑶开展了不同动应力幅值、固结比、相对密度、频率以及循环周次条件下贝壳砂动三轴试验。结果表明:随着固结比的增加,贝壳砂破坏形式呈现出由拉伸破坏为主过渡到以压缩破坏为主的发展形式。贝壳砂动应力应变曲线上存在某一破坏动应力值,在低于该值时,动应力对应变影响较小,而超过该值时,贝壳砂试样将发生较大应变,在较小的动应力增量下便会发生破坏。动内摩擦角(o)随着固结比K的增加而逐渐增大,动凝聚力C则逐渐减小。
⑷对完成静力学、动力学特性试验后的贝壳砂进行了颗粒破碎分析试验。结果表明:相同密度与尺寸条件下,颗粒破碎程度随围压增大而逐渐增加;围压越高,贝壳砂粒密实程度越高,贝壳砂中贝壳点与面接触的几率和应力也就越大,更容易发生剪切破碎,破碎程度也越高。当Dr=0.25时,颗粒破碎程度随着试样尺寸的增大而升高;而Dr=0.50和Dr=0.75时,颗粒的破碎程度却随着试样尺寸的增大而降低;Dr=0.25~0.50时,尺寸效应对颗粒破碎的影响不显著。固结比K或围压一定情况下,颗粒破碎程度随动应力增大而逐渐增加。