珊瑚礁钙质砂液化特性及简易判别法

摘要

南海地区填海造陆工程中的吹填材料是取自海底的泥沙，主要成分为珊瑚礁钙质砂。钙质砂是造礁珊瑚、珊瑚藻及其他海洋生物的骨架残骸在原地或近源沉积形成的特殊岩土介质，具有形状极不规则、易破碎、内孔隙丰富和压缩性强等特点，这使得在相同应力条件下呈现出与普通陆源硅质砂不同的液化特性和应变行为。本文对取自南海西沙群岛的珊瑚礁钙质砂开展了不排水的循环扭转剪切试验和循环三轴试验，研究了钙质砂的应力应变曲线发展规律和抗液化能力特性，并阐述了其液化前后孔隙水压力变化的内在机理。另外，对相同级配的珊瑚礁钙质砂和陆源硅质砂试样开展了一系列对比性物理力学试验，探讨了钙质砂和硅质砂的剪切应力应变行为、抗液化能力和贯入阻力等方面的差异，提出了一个可用于钙质砂地基液化判别的简易方法。主要研究内容如下：　　（1）以取自南海西沙群岛的珊瑚礁钙质砂为试验材料，利用空心圆柱循环扭剪仪开展了一系列相对密度Dr=70%下的固结不排水循环扭转剪切试验，研究了钙质砂应力应变行为和超孔隙水压力的变化规律，揭示了试样由固结稳定转变为液化的内在机理。同时为了研究相对密度对液化的影响，采用循环三轴仪进行了不同相对密度下的固结不排水剪切试验，结合不排水循环扭转剪切试验结果对比分析抗液化能力与循环应力比CSR的关系，揭示了相对密度对抗液化能力的影响规律。随着循环应力比CSR的减小，钙质砂达到液化所需的循环周次不断增加，且增加的速度越来越快。抗液化能力与相对密度呈正相关关系，因为高密度下颗粒间接触点数量和接触力的大小会提高抗液化能力。　　（2）基于空心圆柱扭剪仪开展了固结条件下的不排水单向扭转剪切、排水循环扭转剪切和不排水循环扭转剪切试验，以及基于动态三轴仪开展的固结不排水循环三轴试验，多角度对比了相同颗粒级配的钙质砂和硅质砂试样在剪切应力应变行为与抗液化能力方面的差异。研究发现在相同相对密度下钙质砂的抗剪切强度、内摩擦角和抗液化能力均高于硅质砂，造成这种差异的主要原因是钙质砂颗粒形状不规则和多尖角的特点使得颗粒之间相互运动需要克服更高的阻力。　　（3）本文设计了4种相对密度下钙质砂与硅质砂试样的对比性轻型动力触探试验，试验结果表明在相同相对密度下钙质砂地基的贯入阻力高于硅质砂，且贯入阻力随着相对密度的增大而增大。根据美国规范推荐的NCEER液化判别法的思路，结合不同相对密度下轻型动力触探试验和循环三轴的抗液化能力试验结果，确定了两种砂循环抗力比CRR与轻型贯入锤击数N10之间的关系，提出了一个可用于钙质砂地基的简易液化判别方法。

目录

主要符号

1 绪 论

1.1 研究意义

1.2 研究现状

1.2.1 液化特性研究进展

1.2.2 液化判别方法研究进展

1.2.3 钙质砂与硅质砂力学特性对比研究进展

1.3 研究内容

1.4 技术路线

1.5 本文创新之处

2 珊瑚礁钙质砂的液化特性

2.1 引 言

2.2 试验用珊瑚礁钙质砂

2.3 循环扭转剪切试验

2.3.1 试验仪器及校正

2.3.2 试验过程

2.3.3 试验方案

2.4 液化发展特性

2.4.1 应力应变发展规律

2.4.2 超孔隙水压力变化

2.5 抗液化能力试验

2.5.1 试验仪器

2.5.2 试验过程

2.5.3 试验方案

2.6 抗液化能力影响因素

2.6.1 循环应力比的影响

2.6.2 相对密度的影响

2.7 小 结

3 钙质砂与硅质砂力学特性对比研究

3.1 引 言

3.2 试验材料

3.3 循环扭转剪切应力应变行为

3.3.1 单向扭转剪切试验

3.3.2 排水循环扭转剪切试验

3.4 抗液化能力

3.4.1 不排水循环扭转剪切试验

3.4.2 循环三轴试验

3.5 小 结

4 珊瑚礁钙质砂简易液化判别法讨论

4.1 引 言

4.2 轻型动力触探试验

4.2.1 试验仪器

4.2.2 试验过程

4.2.3 试验方案

4.2.4 贯入阻力分析

4.3 钙质砂地基液化简易判别法

4.3.1 NCEER 液化判别法

4.3.2 钙质砂地基液化判别思路

4.4 小 结

5 结论与展望

5.1 研究结论

5.2 研究展望

参考文献

附 录

A 攻读硕士学位期间发表的学术论文及获奖情况

B 攻读硕士学位期间参加的科研项目

C 学位论文数据集

致 谢