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沉桩过程中钙质砂颗粒破碎特性模拟研究

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建筑工程砂、石颗粒力学特性的检测与分析

建筑工程砂、石颗粒力学特性的检测与分析

建筑工程砂、石颗粒力学特性的检测与分析571300摘要：本研究首先介绍砂、石颗粒的力学特性对工程结构的影响，之后讨论了砂、石颗粒力学特性的基本参数以及砂、石颗粒的力学行为。

在此基础上，介绍了砂、石颗粒力学特性的测试方法，最后，对砂、石颗粒力学特性进行分析。

本文旨在为砂石颗粒力学特性进行检测与分析提供参考。

关键词：建筑工程；砂、石颗粒；力学特性；检测；分析建筑工程中，砂石是常用的材料之一，在混凝土、沥青、路基等建筑物的建设中起着至关重要的作用。

砂石颗粒力学特性的检测与分析研究可以帮助更好地了解砂石的物理和力学特性。

通过对砂石颗粒力学特性的检测与分析，可以更准确地评估砂石的工程用途和性能。

此外，也可以提高工程的安全性、可靠性和持久性。

1.砂、石颗粒的力学特性对工程结构的影响砂石颗粒的抗压强度和抗剪强度能够直接影响结构的承载能力和抗震性能。

如果砂石颗粒的力学特性不符合设计要求，结构可能会出现破坏或失稳的风险。

砂石颗粒的孔隙结构、孔隙度和孔隙水压力特性决定了结构的渗透性和水分运移能力。

如果砂石颗粒的排水性较差，结构可能会出现渗漏、浸润、水运移不畅等问题。

砂石颗粒的粒度分布和颗粒形状会影响结构的流动性和可塑性，从而影响施工过程中的浇筑、压实、振动等工艺。

此外，砂石颗粒的变形性能和收缩性会对结构的变形和裂缝控制带来影响。

砂石颗粒中的细颗粒会影响混凝土的孔隙结构和渗透性，从而影响结构的耐久性和抗侵蚀性。

此外，砂石颗粒的化学成分和反应性也与结构的耐久性密切相关。

2.砂、石颗粒力学特性的基本参数2.1颗粒大小和颗粒分布的测量和分析方法颗粒大小可以通过筛分方法来测量。

常用的方法是将砂石样品通过一系列不同孔径的标准筛网进行筛分，然后根据颗粒的通过和滞留情况，得到不同粒径范围的颗粒百分含量。

颗粒分布可以通过绘制累积颗粒百分含量曲线（累计曲线）来进行分析。

该曲线显示了在不同粒径范围内的颗粒百分含量，通过分析曲线的形状可以得到颗粒分布的特征。

冲击荷载下钙质砂侧限压缩及颗粒破碎试验研究

冲击荷载下钙质砂侧限压缩及颗粒破碎试验研究

冲击荷载下钙质砂侧限压缩及颗粒破碎试验研究王帅;雷学文;孟庆山;孙超;胡思前;徐亚飞【摘要】海洋动力环境中钙质砂受荷载时的压缩变形特性是工程建设考虑的重要因素.对1~2 mm粒径钙质砂在侧限条件下进行静荷加载、冲击加载、冲击后静荷加载试验,分析试样在三种加载方式下的e-P曲线,运用Hardin模型中的相对破碎率Br值对其颗粒破碎进行度量.试验结果表明:相同荷载幅值水平下,相对静荷加载,试样对冲击加载较为敏感,其压缩变形更加明显,颗粒级配变化更显著;冲击加载时,存在临界冲击次数Ncr,此时试样孔隙比趋于稳定;且冲击荷载幅值越大,相应临界冲击次数Ncr值越大;同时发现冲击加载会影响试样压缩性,冲击加载时试样颗粒破碎程度越高,冲击加载后静荷加载时表现的压缩性越低,颗粒相对破碎率Br值变化越小,试验结论对工程建设具有一定参考意义.%The compression deformation properties of calcareous sand under load in the ocean dynamic environment is an important factor to consider.The static load,impact load and static load after impact were carried with the calcareous sand particle samples the diameter of which are within 1~2 mm under unconfined conditions.The e-P curve of calcareous sand is determined under three different loading methods.The relative breakage,Br value,in the Hardin model is used to measure particle breakage.The test results show that the calcareous sand samples are more sensitive to the impact load compared with the static load and is more distinct in compressive deformation under the same overload amplitude;there exists a critical number ofimpact,Ncr,when sample void ratio has been stable.The greater the amplitude of impact load,the larger the value of Ncr.The results also showsthat impact load could influence the compressive property of samples;the higher particle breakage degree the samples are in under impact load,the lower compression degree the samples showed under static load after impact load,and the smaller the relative breakage,Br value,changes.The conclusion has a certain reference significance to engineering construction.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2017(017)009【总页数】6页(P67-72)【关键词】岩土工程;钙质砂;冲击荷载;侧限压缩;颗粒破碎【作者】王帅;雷学文;孟庆山;孙超;胡思前;徐亚飞【作者单位】武汉科技大学城市建设学院,武汉 430065;武汉科技大学城市建设学院,武汉 430065;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;武汉科技大学城市建设学院,武汉 430065;江汉大学化学与环境工程学院,武汉 430056;武汉科技大学城市建设学院,武汉 430065【正文语种】中文【中图分类】TU411.3钙质砂多出现于地球北纬30°和南纬30°之间的珊瑚岛礁以及附近海域，在我国南海诸岛上有广泛分布，其主要成分为碳酸钙，具有疏松多孔、形状不规则的特点，在较低应力水平下即会发生颗粒破碎，因其表现出有别于陆源砂的物理力学性质，引起学者们的普遍关注[1—5]，对其相继开展了相关研究，取得丰富的研究成果[6—12]。

钙质砂中的桩基工程研究进展述评

钙质砂中的桩基工程研究进展述评
[ 14]
澳大利亚的北 Rankin 平台和
2
菲律宾 M atinloc 平台均使用了 CPT 试验。在北 Rankin , 采用的触探头锥底面积为 10 cm , 贯入速度为 2 mm/ s。 根据 CPT 试验结果, 桩侧阻力峰值为 40 kPa, 抗拔摩 阻力 为 5~ 19 kPa, 并 经过 两次 循环 后, 降为 5 kPa以下。同样 , Matinloc 平台基础桩设计中, 峰值桩 侧阻力为 100 kPa, 抗拔摩侧阻力为 8~ 17 kPa[ 14] 。 ( 2) 标准贯入试验 H agenaar ( 1992 年 ) [ 8] 在红 海进行了大量 SPT 试验, 用 SPT 锤击数来区分各沉 积层 , 并提出用 N 值来反映钙质土层中钢管桩的极限 承载力。提出桩侧阻力极限值为 20 kPa, 此时 N = 25
摘要 : 系统综述了钙质砂中桩基工程研究 的历史 和现状 , 分 析了钙 质砂 的低桩 基承 载力 的原因 , 提 出今 后重点 研究 方 向。 关 键 词 : 钙质砂 ; 桩基础 ; 承载性状 文献标识码 : A 中图分类号 : T U 473
作 者 简 介 : 单华刚 , 男 , 27 岁 , 博士 , 现从事珊瑚礁工程地质和钙 质砂桩基工程研究。
( 4) 轻型动力触探 杨志强( 1994 年) 在南沙群岛 做了大量的轻型动力触探试验( 锤重 10 kg) , 详细描绘 了测试结果, 并进行了初步的地层分类 , 将珊瑚礁碎屑 土分为 4 类: # 礁坪上松散堆积砂砾土 ( N 10 = 8~ 20 击) ; ∃ 礁塘砾砂土 ( N 10 = 25~ 40 击) ; % 礁坪洼砂砾 土 ( N 10 = 40~ 65 击) ; & 礁坪礁块层 ( N > 70 击) [ 10] 。 朱长歧和刘崇权等( 1994 年 ) 在三亚市鹿回头公园进行 轻型动力触探试验, 以期建立 N10 与平板载荷试验结果 的相关关系, 同时发现 N 10 与土颗粒粒径及级配关系密 切, 中值粒径 D 50 与 N 10 之间存在明显的正比关系 。 单华刚和孙宗勋( 1997 年) 在永暑礁的轻型动力触探试 验结果说明 , 弱胶结岩 N 10 值达 100 击以上, 人工堆积松 散珊瑚砂的 N 10 值很低 , 一般为 4 ~ 15 击。 ( 5) 平板载荷试验 朱长歧等 ( 1994 年 ) 在永兴 岛和三亚市鹿回头珊瑚沉积物上进行 了平板载荷试 验, 发现承压板应力达 1. 1 MPa 以上, 地基沉降量仅 为0. 88~ 2. 4 mm, 回弹变形量为零 , 综合分析后认为 主要是土颗粒间的胶结使用使沉降量较小 , 而颗粒破 碎及胶结结构破坏引起永久塑性变形[ 10] 。Sharp 等人 ( 1984 年) [ 15] 在澳大利亚北 Rankin A 平台的现场勘察 中, 做了孔内平板载荷试验, 试验点深度为泥线下 117 ~ 141 m, 试 验地层为胶结 钙质岩 , 载荷板 直径 508 mm, 试验结果表明 , 其在加载和卸载时的反应都是刚 性的 , 其屈服在压力为 1. 7~ 11 MP a 之间。

不同正压力下钙质砂颗粒剪切破碎特性分析

不同正压力下钙质砂颗粒剪切破碎特性分析

不同正压力下钙质砂颗粒剪切破碎特性分析齐永正;袁梓瑞;杨永恒【摘要】钙质砂受力后易产生颗粒破碎,从而使其力学性质发生变化.对取自我国南沙某岛礁的钙质砂样进行了不同正压力下的直剪试验.分析了钙质砂颗粒剪切破碎特性,并就不同试验压力下剪切后钙质砂样的颗粒破碎程度通过筛分试验进行了粒径级配分析.结果表明,在不同正压力下进行直剪试验,钙质砂存在一定的颗粒破碎现象,随着正压力增大,颗粒破碎越来越严重;由于钙质砂颗粒破碎的影响,剪切后钙质砂的颗粒级配性质发生改变,随正压力增大钙质砂由级配良好逐渐变得级配不良.钙质砂直剪试验强度包络线为峰值强度包络线,而非残余强度包络线.钙质砂残余强度的摩擦角数值等于或接近砂的天然休止角.从工程安全角度考虑,选用钙质砂的内摩擦角应等于或接近天然休止角.【期刊名称】《水利水运工程学报》【年(卷),期】2018(000)005【总页数】6页(P63-68)【关键词】正压力;钙质砂;剪切;颗粒破碎【作者】齐永正;袁梓瑞;杨永恒【作者单位】江苏科技大学土木工程与建筑学院, 江苏镇江 212000;河海大学土木与交通学院, 江苏南京 210098;江苏科技大学土木工程与建筑学院, 江苏镇江212000;江苏科技大学土木工程与建筑学院, 江苏镇江 212000【正文语种】中文【中图分类】TU411天然胶结钙质砂[1]是广泛分布于热带及亚热带海洋中由生物碎屑经碳酸钙胶结或固结而形成的碳酸盐岩类，其分布范围覆盖了大陆架50%的面积，有超过55%的海床为钙质砂所覆盖。

我国的南海岛礁上广泛地分布着天然胶结钙质砂[2-6]，颗粒矿物组成以文石、方解石为主(达90%以上)。

研究发现，天然胶结钙质砂具有高孔隙比、颗粒易破碎且胶结不均匀等特征，与常规陆源砂相比，钙质砂在较低围压下就会产生颗粒破碎。

其独特的工程性质常常给岩土工程设计与施工带来麻烦，有时造成工程事故。

由于钙质砂特殊的工程性质，促进了人们对天然胶结钙质砂物理力学性质的深入研究。

钙质砂物理力学性质试验中的一些问题

钙质砂物理力学性质试验中的一些问题

岩石力学与工程学报CHINESE JOURNAL OF ROCKMECHANICSAND ENGINEERING1999年 第18卷 第2期 Volume18 No.2 1999钙质砂物理力学性质试验中的几个问题*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　TU411.3SOME PROBLEMS FOR THE TESTS OF PHYSICO-MECHANICAL PROPERTIES OF CALCAREOUS SANDLiu 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 properties1　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。

单颗粒与单粒组钙质砂破碎特性及其关联关系研究

单颗粒与单粒组钙质砂破碎特性及其关联关系研究

单颗粒与单粒组钙质砂破碎特性及其关联关系研究随着现代工业的发展，对于材料颗粒的破碎特性进行研究已经成为一个重要的研究方向。

特别是钙质砂在建筑、道路等领域的应用，对于其破碎特性的研究有着重要的意义。

在研究单颗粒和单粒组的钙质砂破碎特性时，需要涉及到材料物理学、力学和交叉学科等领域，本文将就此进行探讨。

一、单颗粒的破碎特性单颗粒的破碎特性是指在外力作用下，单个颗粒的断裂过程。

在颗粒界面上存在着物理和化学吸附力，其在破碎中发挥重要作用。

颗粒破碎的过程不仅仅限于第一次断裂，随着力的作用继续进行，断裂后的碎片会再次断裂，这种过程被称为再次断裂。

在钙质砂颗粒的破碎实验中，常用压缩试验来对其破碎特性进行研究。

研究结果表明，随着外力的增大，颗粒开始出现微小的裂缝，之后裂缝逐渐扩大，最终发生断裂。

因此，颗粒破碎的力学特性与其外力大小、颗粒初始状态和成分等因素有关。

二、单粒组的钙质砂破碎特性除了单个颗粒外，钙质砂也常以单粒组的形式存在。

在实际应用中，当钙质砂等材料被用于路面修补和建筑基础时，都需要将其压实成一定密度的固体。

因此，研究钙质砂单粒组的破碎特性对于材料的应用以及强度的预测具有重要的实际意义。

在钙质砂的单粒组破碎特性研究中，常用的方法是通过压缩试验来分析其特性。

在实验中，个体颗粒之间的间隙会随着外力的增加逐渐减小，并且粒子之间的相互作用力会增加。

在较高的压力下，钙质砂的单粒组会出现超过单颗粒强度而发生破碎的情况。

三、单颗粒与单粒组的钙质砂破碎特性的关联关系单颗粒和单粒组的钙质砂破碎特性之间存在着一定的关联关系。

单颗粒的破碎特性会对单粒组的破碎特性产生影响，而单粒组的特性又会反过来作用于单颗粒上。

研究表明，在单粒组的破碎过程中，颗粒间的相互作用会影响其断裂方式和破碎程度，从而影响钙质砂整体的破碎特性。

同时，在单颗粒破碎的过程中，颗粒表面所承受的压力也会影响到单粒组的破碎特性，因此单颗粒的破碎特性可以被用于预测单粒组破碎的情况。

钙质砂动态力学特性试验研究

钙质砂动态力学特性试验研究魏久淇;王明洋;邱艳宇;赵章泳【摘要】利用改进的直径37 mm分离式霍普金森铝制压杆,对级配相同的钙质砂与福建标准砂开展了35组被动围压冲击试验,研究了应变率和密度对两种砂动态力学特性的影响.结果表明:两种砂在该研究中的应变率范围内基本没有应变率效应;密实度相同时,石英砂的承载力远大于钙质砂;应变相同时,初始密度越大,砂的承载力越大.在荷载作用下,砂的静水压力p与密度ρ存在一一对应关系,拟合出了钙质砂的P-(P/P0)物态方程,并得到在一维应变条件下钙质砂p-εv的方程.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2018(037)024【总页数】6页(P7-12)【关键词】钙质砂;石英砂;分离式霍普金森压杆(SHPB);应变率效应;物态方程【作者】魏久淇;王明洋;邱艳宇;赵章泳【作者单位】陆军工程大学防灾减灾爆炸冲击国家重点实验室,南京210007;军事科学院国防工程研究院,河南洛阳471023;河南省特种防护材料重点实验室,河南洛阳471023;陆军工程大学防灾减灾爆炸冲击国家重点实验室,南京210007;陆军工程大学防灾减灾爆炸冲击国家重点实验室,南京210007;陆军工程大学防灾减灾爆炸冲击国家重点实验室,南京210007【正文语种】中文【中图分类】O347钙质砂作为一种海洋生物成因的岩土介质，主要成份为CaCO3,广泛分布于北纬30°和南纬30°之间热带海洋地区，其生成机制的特殊性，形成了压缩性高，孔隙比大，内摩擦角大，颗粒易破碎等特性[1-5]。

近年来，我国“一带一路”愿景的达成，海上丝绸之路途径地区多为钙质砂分布区，南海诸岛和海外基地建设及维护的需求越来越大。

岛礁建设和维护都避不开深厚的原状或吹填的钙质砂地基，同时，中国面临海上一场信息条件下的局部战争的风险有增无减，南海诸岛及海外基地港口的前哨作用越来越大。

岛礁上钙质砂，不仅自身常受到风、浪等周期荷载的作用，而且可能还承受飞机降落、爆炸冲击等强荷载的作用。

钙质砂的SHPB实验技术及其动态力学性能

钙质砂的SHPB实验技术及其动态力学性能吕亚茹;王明洋;魏久淇;廖斌【摘要】开展了11组南海钙质砂和福建石英砂的分离式霍普金森压杆(SHPB)实验,试样相对密实度为90％,厚度分别为10、30和50 mm,得到了冲击荷载下钙质砂和石英砂的应变率时程曲线、应变时程曲线和应力应变关系.实验结果表明:通过严格装样技术可以减小实验设备产生的误差,改变试样厚度、子弹长度、整形器等是实现钙质砂应力平衡和恒应变率的主要手段.在相同的密实度和加载条件下,钙质砂的体积模量和剪切模量约为石英砂的10％,压缩强度和抗剪强度约为石英砂的30％.冲击荷载作用下钙质砂的动态力学性能与石英砂存在较大的差异,因此不能将已有石英砂的研究结果直接用于钙质砂.【期刊名称】《爆炸与冲击》【年(卷),期】2018(038)006【总页数】9页(P1262-1270)【关键词】钙质砂;霍普金森压杆;冲击特性;应力应变曲线【作者】吕亚茹;王明洋;魏久淇;廖斌【作者单位】河海大学力学与材料学院,江苏南京210098;香港科技大学土木与环境学系,香港999077;陆军工程大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室,江苏南京210007;陆军工程大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室,江苏南京210007;陆军工程大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室,江苏南京210007;陆军工程大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室,江苏南京210007【正文语种】中文【中图分类】O347.4霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)实验是研究中高应变率下材料力学性能最主要、可靠的实验方法之一，是冲击动力学实验技术的重要组成部分，利用霍普金森杆不仅可以实现高应变率(102～104 s-1)单轴压缩、剪切加载，还可实现动态压-剪复合加载，主、被动围压复杂加载，以及100～101 s-1中应变率加载[1]。

早在1967年，E.Fletcher等[2]首次通过SHPB研究了土的动态特性，由于土体为散体材料，实验时需要通过套筒和垫块将土样固定，土样夹在垫块之间如同“三明治”，通过粘贴在入射杆和透射杆上的高灵敏度应变片采集试样的应力、应变时程曲线[3]。

侧限条件下钙质砂压缩和破碎特性试验研究

第24卷 第18期岩石力学与工程学报 V ol.24 No.182005年9月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Sept .，2005收稿日期：2004–05–19；修回日期：2004–07–14基金项目：国家自然科学基金资助项目(40272121)；科技部批准“十五”南沙群岛及其邻近海区综合调查项目；2001年度中央级科研院所社会公益研究专项资金项目(2001DIA50041)作者简介：张家铭(1976–)，男，博士，1998年毕业于中国地质大学勘察工程专业，现任讲师，主要从事海洋土力学等方面的教学与研究工作。

E-mail ：zjmnm@ 。

侧限条件下钙质砂压缩和破碎特性试验研究张家铭1，2，汪 稔1，石祥锋1，李建国1，陈海洋1(1. 中国科学院 武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071；2. 中国地质大学 工程学院，湖北 武汉 430074)摘要：对取自南沙群岛永暑礁附近海域的钙质砂进行了不同终止压力下的侧限压缩试验，指出钙质砂在侧限条件下的压缩特性与粘土类似，其原因是钙质砂在常压力作用下发生了颗粒破碎。

同时，对所有试样在试验前后进行了颗粒大小分析试验，并用Hardin 模型对其破碎进行了度量。

关键词：岩石力学；钙质砂；侧限压缩；颗粒破碎中图分类号：TU 458 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)18–3327–05COMPRESSION AND CRUSHING BEHA VIOR OF CALCAREOUS SANDUNDER CONFINED COMPRESSIONZHANG Jia-ming 1，2，WANG Ren 1，SHI Xiang-feng 1，LI Jian-guo 1，CHEN Hai-yang 1(1. Institute of Rock and Soil Mechanics ，Chinese Academy of Sciences ，Wuhan 430071，China ；2. Faculty of Engineering ，China University of Geosciences ，Wuhan 430074，China )Abstract ：Calcareous sediments generally consist of the remains of marine organism ，which tend to be crushed relatively easily under load ，compared to terrigenous materials. Laboratory tests are carried out on calcareous sand taken from the South China Sea ；and it is pointed out that the compression behavior of calcareous sand under one-dimensional compression is just similar to that of silt. The reason is that the particles are crushed under load. The samples are sieved before and after tests and the crushability of the sand is also quantified using Hardin model.Key words ：rock mechanics ；calcareous sand ；confined compression ；particle crushing1 引 言钙质砂通常指富含碳酸钙或其他难溶碳酸盐类物质的特殊介质，是海洋沉积物中的一种，多出现于北纬30°和南纬30°之间，属热带或亚热带气候的大陆架和海岸线一带，在我国南海诸岛、红海、澳大利亚西部大陆架和巴斯海峡等地都有分布，其主要矿物成分为碳酸钙，长期处于饱和碳酸钙溶液中，是一种经物理、生物化学及化学作用过程而形成的一种与陆相沉积有很大差异的碳酸盐沉积物。

钙质砂的颗粒破碎和剪胀特性的围压效应


4.3 应力-应变效应比较 图 5 中曲线是不同围压下的应力-应变效应理 论计算结果。从图中可以看出，随着围压的增加， 模型逐渐呈现刚性反应，峰值应力比减小，但残余 应力比相近；围压很小时，模型表现出一定的剪胀 性，围压增加时，剪缩明显，总体上，理论与试验 结果吻合较好。
7 6 5
4.1 颗粒破碎的围压效应 图 3 是不同围压下加载颗粒破碎的发展规律， 围压越高，颗粒破碎发展越快，当应变达到 10％ 时，80％以上的颗粒都发生了破碎；围压较小时， 颗粒破碎发展缓慢，当应变达到 10％时，颗粒破碎 不足 1/3。 这与岩石破裂的围压效应刚好相反， 是由 于钙质砂变形时颗粒破裂与滑移同时存在，只有颗 粒相互之间的摩擦力达到一定值时，才出现颗粒破 裂，而摩擦力大小与围压成正比。
Fig.5
100 kPa 200 kPa 500 kPa 700 kPa
0
4
8
12
16
20
24
轴应变εa / % (b)
图5
不同围压下理论模型预测与试验结果
Theoretical prediction and experimental results under different confining pressures
第 23 卷 第 4 期 2004 年 2 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
23(4)：641～644 Feb.，2004
钙质砂的颗粒破碎和剪胀特性的围压效应*
孙吉主 1
(1 武汉理工大学土木工程与建筑学院 武汉
• 644 •
岩石力学与工程学报
2004 年
钙质砂在不同围压下的应力 - 应变关系存在着 明显区别，究其原因，是在于其特殊的物理性质。 钙质砂的颗粒物质成分为强度较低的碳酸钙，以及 颗粒形状的不规则，使其在较低围压下也产生颗粒 破碎现象。在围压很低时加载，钙质砂颗粒破裂极 少，土体变形以颗粒的相对错动滑移为主，与普通 剪胀性土无甚差别；随着围压的增加，颗粒破碎逐 渐增多，由破碎引起的剪缩变形量也相应增加，同 时，未破裂颗粒仍然要产生滑移变形，只是剪胀性 越来越小，二者耦合作用的结果是钙质砂硬化反应 增加， 应力峰值对应的轴向应变比普通土要大得多， 应力-应变关系向硬化型过渡。 由于钙质砂的最终摩 擦角与围压关系不大，即土体的临界状态面相同， 所以，图 5(a)应力 -应变曲线向相近的临界应力比
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2.3 模型的建立 采用切向和法向刚度均为 5.0×109 N/m 的四面
墙体模拟边界条件，在较小的范围内随机生成地基 土原始颗粒，再通过 FISH 语言编程读取当前颗粒 的坐标及半径信息，对其进行等效的簇粒或聚粒颗 粒替换，得到相应孔隙率的地基土，模型及局部放 大如图 2(a)所示。
0.6 m
0.9 m
粗粒土由于其散体特性，本构关系本身就复杂， 颗粒破碎无疑进一步增加了其复杂性。采用现场或 室内试验，不仅对仪器要求高，而且其成本也高， 导致有些试验根本无法完成。随着计算机功能的不
收稿日期：2013-08-07 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No. 41002104)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(No. CUG120112)；2013 年中国地质大学（武汉） 教学实验室开放基金资助项目。 第一作者简介：张家铭，男，1976 年生，博士，副教授，主要从事海洋土力学等方面的教学与研究工作。E-mail: zjmnm@
monitoring circle in foundation
274
岩土力学
2015 年
在颗粒替换完成后，进行自重平衡循环，以消 除模型内部的不平衡力，从而达到所需要的初始应 力状态。为保证应力测量的准确性，尽可能使监测 圆内的颗粒不少于 70 个，将监测圆的半径取为 15 mm。监测圆主要监测桩侧颗粒受力，并在桩周 附近适当加密，监测圆的总数为 483 个。初始应力 场和监测圆布置如图 2(b)所示。
明，钙质砂试样块状和纺锤状颗粒的含量在 90%以 上，片状和枝状颗粒较少。由于颗粒形状差异不大， 本文未考虑颗粒形状的影响。图 1 为颗粒形状及等 效替换示意图。本次模拟采用 7 个单位厚度的圆盘， 按一定的规律组合并给予一定的黏结强度来模拟钙 质砂颗粒，如图 1(b)所示。圆盘之间采用接触黏结 模型，每个簇粒由 12 个黏结键黏结，当其所受的力 大于其黏结强度时，则黏结键断裂，表示颗粒发生 了破坏，在两圆盘接触处垂直于黏结键的方向作条 短线表示该处发生了颗粒破碎。作为对比的颗粒采 用同样形状的聚粒进行替换，其内部不受力，颗粒 形状如图 1(c)所示。
(a) 单个颗粒 (b) 等效的簇粒单元 (c) 等效的聚粒单元
图 1 颗粒形状 Fig.1 Particle shapes
2.2 参数选取 为了研究钙质砂中颗粒破碎对挤土桩的影响而
管桩
监测圆
0.35 m(a) 初源自地基模型(b) 初始应力场和监测圆布置
图 2 初始地基模型与监测圆布置图 Fig.2 Initial model of soil foundation and layout of
第 36 卷第 1 期 2015 年 1 月
DOI：10.16285/j.rsm.2015.01.037
岩土力学 Rock and Soil Mechanics
Vol.36 No. 1 Jan. 2015
沉桩过程中钙质砂颗粒破碎特性模拟研究
张家铭，邵晓泉，王霄龙，胡舫瑞，左鸿鹏
（中国地质大学（武汉）工程学院，湖北 武汉 430071）
本文基于第 1 种考虑颗粒破碎的方式，采用接 触黏结模型模拟颗粒单元内部微弱的黏结力，7 个 圆盘按一定关系组合成簇粒来模拟易破碎的钙质砂 颗粒，同样形状的圆盘集合设置为聚粒模拟无颗粒 破碎的地基土，将两者进行对比研究颗粒破碎对沉 桩的影响。
2 颗粒流模型的建立
2.1 颗粒形状选择 陈海洋等[21]研究了钙质砂颗粒的形状，分析表
获得规律性的结果，假设地基土为横观各向同性， 沉桩采用的桩体为圆柱形，数值模型简化为二维半 模型。用 PFC2D 模拟真实的沉桩过程，由于原型中 颗粒数量巨大，计算机难以实现，故参考江浩等[1] 针对钙质砂所做的模型桩试验，相似比例为 1:30， 模型尺寸选为 0.35 m×0.9 m，管桩半径为 30 mm， 壁厚为 6 mm，桩长为 0.60 m，颗粒粒径最大为 4.2 mm，最小为 2.1 mm，颗粒半径服从[0，1]分布。
（Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan, Hubei 430074, China）
Abstract: Based on two-dimensional discrete element method, this paper simulates the calcareous sand particle of easily-crushed feature as a cluster cell. It uses the clump cells with the same shape and deformation characteristics to simulate the particles without crushing. The jacking processes for different types of pipe piles are simulated with the model to analyze the meso-mechanical behaviors and breakages of the calcareous sands. The results show that the particle breakage can cause the gradation readjustment, resulting in a better contact between the particle and the pile. The driving speed in calcareous sands is relatively fast. There is a smaller disturbance to the foundation soil. The stress field around the pile has the same tendency. The stresses near the pile tip increase dramatically and result in the formation of the stress nucleus. Under the same surrounding conditions, the horizontal and vertical stresses of crushable calcareous sands are obviously greater than those of the unbroken soil. Key words: calcareous sands; soil compaction pile; grain breakage; discrete element method (DEM); meso-scopic analysis
1引言
过去几十年里，钙质砂地层中海洋石油平台桩 基工程技术在海洋工程中的应用一直面临重大挑 战。工程实践证明，由于钙质砂颗粒强度低、易破 碎的固有特性，从其他地基材料的桩基工程中获得 的传统经验无法适用于钙质砂地层。由于试验条件 及成本的限制，钙质砂中与大型现场桩基试验相关 的文献尚未见报道，而目前室内模型试验也仅在桩 的承载力及变形性状方面开展了研究[1－2]。钙质砂 表现出的特殊工程性质主要源于受力后砂粒易于破 碎，而目前很难通过试验来研究桩基贯入过程中地
桩底应力急剧增加，当应力超过颗粒本身的强度 后，开始出现少量的颗粒破碎，颗粒重新调整，此 时桩的贯入阻力主要由桩端阻力构成。沉桩至深度 0.05 m 时桩底颗粒破碎强于桩侧，桩端少量颗粒发 生明显的位移。随着压桩的深入，桩侧土体颗粒受 到桩侧的挤压和摩擦，逐渐开始承担一部分力，桩 侧部分颗粒开始发生破碎，破碎范围逐渐增加。沉 桩至深度 0.1 m 时桩底颗粒破碎范围进一步扩大， 而桩侧部位也有所增加，以桩端部为中心颗粒位移 增加，沉桩至深度 0.3 m 时桩底颗粒破碎范围有扩 散趋势，随着沉桩的进行，扩散特征越明显。从图 3(b)中可以看出，桩底颗粒破碎最严重，受力最大， 桩侧颗粒破碎相对较少，桩顶处颗粒破碎情况最弱， 破碎范围类似水滴状，主要是由于从桩顶到桩底， 颗粒移动空间受限，且地层应力增大，排土过程中 颗粒在运动相同距离时受到的力也越大，颗粒破碎 也就更严重。
f
簇粒 2.8 4.2 2.1 3.0×108 3.0×108 0.2×106 0.1×106 0.5
聚粒 2.8 4.2 2.1 3.0×108 3.0×108
0.5
管桩 2.9
5.0×109 5.0×109
0.2
注： 为颗粒密度；dmax、dmin 分别为最大、最小粒径；kn、ks 分别为法 向和切向刚度；n_bond、s_bond 分别为法向、切向黏结力；f 为摩擦系数。
目前，考虑颗粒破碎的方法主要有两种，一种 是将更细小的颗粒黏结为一个多孔隙的颗粒集合 体，黏结键的断裂代表了颗粒破碎的发生[17－18]；另 一种方式是采用预先定义好的破坏标准，对颗粒进 行等价替换来表现颗粒破碎情况[19－20]。Lobo 等[19－20] 基于第 2 种方式，采用简化的抗拉破坏准则模拟了 打入桩桩周颗粒材料的破碎现象，此后又分析了桩 型、桩-桩相互作用对颗粒破碎的影响。
摘 要：基于二维离散单元法，对沉桩过程中钙质砂颗粒破碎情况进行了模拟。采用簇粒来模拟易破碎的钙质砂颗粒，并用
形状与变形特性相同的聚粒单元来模拟不可破碎颗粒，对这两种单元特性进行对比，分析不同桩型的沉桩过程、桩周土体的
力学响应、沉桩过程中钙质砂的颗粒破碎现象。结果表明：破碎颗粒将引起桩侧土体级配的重新调整，与桩体接触好于不可
研究时，根据双轴试验与室内三轴试验[22]对比 分析来确定土的细观物理力学参数。模拟发现，一 组细观参数难以满足全部围压情况下的应力-应变 条件，本文选择模拟与试验结果最为接近的微观参 数如表 1 所示。管桩采用聚粒模拟，在沉桩过程中 不可破碎，同时参考周健等的工作[9－11]，桩体刚度 不小于土体颗粒的 10 倍，最终确定桩体的具体参数 见表 1，其中簇粒为模拟的钙质砂颗粒，聚粒为与 之对比的不可破碎颗粒。