水过滤板岩石力学与工程学报
情趣口香糖
CHINESE JOURNAL OF ROCK
MECHANICS
AND ENGINEERING
1999年 第18卷 第2期 Volume18 No.2 1999
刘崇权 汪 稔 吴新生
摘要 钙质砂微观结构和变形机理与陆源砂不同，需采用适用于其特征的试验技术。对钙质砂的土粒比重、孔隙比的测量方法、三轴剪切制样技术、颗粒破碎的评价及强度取值方法进行了探讨。 关键词 钙质砂, 物理力学性质试验
分类号 TU411.3
SOME PROBLEMS FOR THE TESTS OF PHYSICO-MECHANICAL PROPERTIES OF CALCAREOUS SAND排气歧管
Liu Chongquan1 Wang Ren1 Wu Xinsheng2
(1Institute of Rock and Soil Mechanics, The Chinese Acad emy of Sciences, Wuhan
430071)
(2Long gang Real Estate Compary, Shenzhen 518000)
Abstract The micro-structure and mechanism of deformation of calcareous sand are different from that of terrogenious sand. It is necessary to use new experiment technique to fit its characters. The methods are disscussed for measuring grain specific gravity and void ratio, preparing sample for triaxial test, evaluating particle crushing and estimating soil strength.
Key words calcareous sand, tests of physico-mechanical properties
1 前 言
钙质砂是一种含CaCo3达50%以上的海洋生物成因的特殊土。钙质砂从微观结构上看，棱角度高，粒间孔隙度大，有内孔隙，这些内孔隙或相互联通，或成为盲孔，使常规试样饱和技术很难达到95%以上的饱和度。又由于矿物硬度低，颗粒粗糙度大，使试样在加载剪切过程中，颗粒破碎与剪胀耦合作用，表现出特殊的应力-应变关系及强度特征。为了对其物理力学性质进行详细的研究，必须有一整套适用于其特性的试验技术。本文对钙质砂的土粒比重、孔隙比的测量方法、三轴剪切制样技术、颗粒破碎的评价及强度取值方法进行了探讨。 2 物理性质试验
2.1 土粒比重
通常测试土粒比重的方法有比重瓶法、浮称法、虹吸筒法。《土工试验方法标准》(GBJ123～88)规定：粒径＜5.0mm的土采用比重瓶法；粒径≥5.00mm的土，其中＞20mm的颗粒含量＜10%时，采用浮称法；粒径≥5.0mm的土，其中粒径为20mm的土的含量≥总土质量的10%时，采用虹吸筒法。表1是各种方法测得钙质砂的土粒比重。
表1 土粒比重测试统计表
Table 1 Stastics table of measured grain gravity ratio
测试方法比重G -3
比重瓶法纯水作液体 2.80
2.73煤油作液体
浮称法 2.53～2.71
虹吸筒法 2.25～2.33
当颗粒粒径较大时，在比重瓶法中，制样过程中需经砂浴煮沸，并用真空抽气法排气，这有利于液体浸入颗粒内孔隙。而在浮称法和虹吸筒法中则只是浸水一昼夜。其内孔隙在无压力条件下液体很难浸入，这导致测得的土粒排水体积偏大，G s值偏低。
由于颗粒表面含有易溶盐，用纯水作液体时，盐类全部或部分溶于水中，使瓶、水、土总质量增大，因而引起所测G s值偏大。而煤油作液体时可避免这种情形。
UCN-11 为了进一步验证测试G s值的可靠性，用上述两种方法测得的G s值计算孔隙比与实测孔隙比进行对比，如表2所列。
表2 孔隙比实测值与计算值比较
Table 2 Comparison of measured and calaculated pore ratio
实测e
计 算 孔 隙 比
G s=-3误差/%G s=-3误差/%
1.162 1.3213.6 1.268.4 1.014 1.30528.7 1.2472
2.9 1.08 1.28318.8 1.1778.98 1.221 1.258
3.0 1.202-1.56 1.213 1.318.0 1.252 3.2 1.20 1.319.2 1.254
4.5 1.117 1.35221.0 1.2931
5.8 1.231 1.304 5.9 1.247 1.3
1.212 1.3188.7 1.260 4.0
注：本表中孔隙比的实测值为三轴试验试样饱和度达95%以上后，根据试样排水量及
烘干后失水量算出。
从表2中可看出，G s=2.73时，实测值与计算值较为吻合。故在测量土粒比重时，一般推荐采用煤油作液体的比重瓶法，通常可取G s=2.73作经验值。
2.2 相对密度
现行国家规范中用振动与锤击联合使用的方法测试最大、最小孔隙比，进而得到土的相对密度。但由于钙质砂易碎，锤击过程中会改变颗粒级配，使测试结果失真。因此，在测试过程中只用振动叉振动，直至体积不再改变为止。试验测得钙质砂孔隙比为0.8～2.97之间，这显然比普通石英砂的值高了许多。
3 力学性质试验
通常的力学试验中，一般做单轴压缩、直剪、三轴排水剪等试验。
对力学性质试验而言，最重要的是三轴剪切过程中的制样和饱和。通过试验，采用干砂制样，再辅以多种饱和方法联合饱和，使备样、饱和过程可在4～6h完成，且饱和度都达95%以上。其主要过程为：先用二氧化碳冲洗底座，在底座上放置透水石和滤纸一层，然后，装上击实筒和橡皮膜(视有效围压大小使用一层或多层橡皮膜)，将干砂撒在三轴试样制样筒内，用木柄轻按砂面，同时，在击实筒外
敲击振动，直至要求的干密度。放入滤纸和透水石装上试样帽，扎紧橡皮膜。试样加一小的负压，以维持试样直立，小心拆去击实筒，按国标要求测量试样直径和高度。若需加2个以上橡皮膜，则在测量直径前不装试样帽，仅在透水石上扎紧第一层橡皮膜，再将第二层橡皮膜装在承膜筒上，小心地套在试样外。然后重新套上击实筒，以保护试样，减少扰动，最后装上试样帽，重新施加负压使其直立。
cd架
装上压力室，向室内充水至满，利用加压装置施加很小的围压，一般为10～
20kPa，将高压钢瓶中的二氧化碳经过两级减压(纯度99%以上)至2～10kPa，经试样底座中心小孔通入试样，再从排水管顶端溢出，其目的是用二氧化碳置换试样中的空气，时间为15min，然后关闭进气阀，二氧化碳冲洗完毕。打开进水阀，让水从试样底部中心孔进入样中，进行水头饱和，时间为30～45min。经测定，这两个阶段以后，试样B值(孔隙水压力系数)只有0.6～0.8，远不能达到试验要求。其后施加反压饱和，则可使试样饱和度达98%以上。反压采取分级施加。在此过程中，保持围压大于反压
20kPa以上，以防止试样可能因膨胀而破坏结构，且该差值在施加反力过程中保持常数，每级反压力取50kPa，施加时逐级缓慢施加，在施加反力时不允许试样体积变化或出现附加有效应力，每一级压力需待试样内孔压充分均匀后再施加下一级反压。孔压稳定标准采用孔压消散为零，且水不再流入试
样中为止。反压约10min一级。每级反压施加后，测B值，B=(Δu)/(Δσ3)，(Δu为施加反压后的孔隙水压力增量，Δσ3为本级施加的反压力)，当B＞0.95时，说明饱和度已达98%以上，可终止饱和，否则需继续施加反压。一般只需施加二、三级反压即可满足要求，一般不超过四级。
在B值大于0.95时，饱和过程结束，制样完毕。
对路网
试验中，要求B值≥0.95。此时饱和度S r可达98%以上。实际上达到饱和所需施加的反压值可由下式估算：
式中：u0——所需施压的反压力/kPa；
u a——大气压力为1.013×102kPa；
h——亨利系数(即空气溶解系数，20℃时为0.02)；
S0——加反压前起始饱和度/%；
S f——最后饱和度/%。
从上式看出提高试样初始饱和度对于降低反压值的意义。一般经过二氧化碳与水头饱和后，B值大于0.8，此时S r值已经已大于90%后，代入(1)式，反压值在200kPa以内，即能达到要求。在B值大到0.95后，保持反压值1h以上，以利于空气的进一步溶解和调整。
4 颗粒破碎的评价
颗粒破碎是一个与粒径、级配、颗粒形状、有效应力状态、有效应力路径、孔隙比、颗粒硬度及含水量有关的复杂过程。颗粒破碎最明显的表现是试验前后级配曲线的变化，因此，许多研究者把试验前后颗分曲线上某一几何点的变化，如D10，D15等作为颗粒破碎的衡量指标。文［1］中全面考虑了颗分曲线，以试验前后颗分曲线与D=0.074竖线三条线所包围的面积为总破碎B t，而将试验前颗分曲线与D=0.074竖线所围的面积为破碎势B p, 从而定义相对破碎B r(图1)：
Hardin的研究表明，B r在其他条件不变，只有颗粒级配为一变量时是与级配无关的量，为一常数。试验表明，对钙质砂而言，B r也是一个与级配无关的量，且与应力、应变、塑性功等标志剪切过程的物理量有相关关系。可以将B r作为评价颗粒破碎的指标，讨论颗粒破碎的一些问题。
(a) B p的定义
(b) B t的定义
图1 B r的定义
Fig.1 Definition of B r
5 钙质砂的强度
由于钙质土地区既有建于岛礁之上的国防及工农业建筑，也有水下几十米甚至上百米水深的海洋平台、海底管线等，需要研究从低压到高压水平的强度特性。图2所示为典型钙质砂三轴固结排水剪应力-应变曲线，可见在低围压下(如σ1=0.2MPa,
σ3=0.1MPa)应力-应变曲线有峰值，剪切中体积增加。在高压下(如σ1=1.0MPa,
σ3=2.5MPa)，应力-应变曲线没有明显峰值出现， 而剪切过程中体积减小。图3是按《土工试验方法标准》(GBJ123-88)规定在三轴试验中对有峰值时取峰值点为破坏点，对峰值不明显时取ε1=15%时作为破坏点得到的强度包线，可见其呈明显的非线性特征，随围压增高，曲线斜率减小 。
图2 典型三轴固结排水剪σ1-σ3～ε1-εv曲线
Fig.2 The σ1-σ3～ε1-εv curve of typical
triaxial consolidated shear tests
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