砂巖中鈣化砂三軸剪切試驗(yàn)研究

砂巖中鈣化砂三軸剪切試驗(yàn)研究

1無建立充填土強(qiáng)度鈣砂是指含有碳和其他難溶碳的特殊介質(zhì)。它是海相學(xué)的。主要存在于東北海岸和南緯30之間的亞熱帶或亞熱帶氣候之間的大陸架和海岸。主要材料為碳。在長(zhǎng)期飽和的碳酸鈣溶液中,經(jīng)物理、生物化學(xué)及化學(xué)作用過程形成的一種與陸相沉積有很大差異的碳酸鹽沉積物,形成的土顆粒多孔隙(含有內(nèi)孔隙)、形狀不規(guī)則、易破碎,其工程力學(xué)性質(zhì)與一般陸相、海相沉積物相比有較顯著的差異。鈣質(zhì)砂顆粒質(zhì)脆,受力后易產(chǎn)生破碎,致使其力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。由無黏性土強(qiáng)度機(jī)制可知,剪脹與顆粒破碎對(duì)抗剪強(qiáng)度有重要影響。本文對(duì)鈣質(zhì)砂三軸排水剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,研究鈣質(zhì)砂剪脹、顆粒破碎對(duì)其強(qiáng)度的影響。2軸剪切試驗(yàn)的抗剪機(jī)理對(duì)于無黏性土,在密度較大的條件下受到剪切力作用時(shí),位于剪切面附近的顆粒必須以某種方式滑動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、折斷或研磨來克服顆粒之間咬合,尋求剪應(yīng)變空間,試樣體積發(fā)生變化。在體積變化過程中,試樣要克服周圍壓力做功。這些功消耗的能量是由外力施加于試樣的剪切力做功來補(bǔ)償,試樣體積膨脹(剪脹)時(shí),試樣克服外力做正功,剪應(yīng)力增大,表現(xiàn)為試驗(yàn)材料強(qiáng)度得到提高:如體積縮小(剪縮)時(shí),試樣克服外力做負(fù)功,剪應(yīng)力減小,試驗(yàn)材料強(qiáng)度降低。關(guān)于剪脹和強(qiáng)度的定量關(guān)系有不少學(xué)者做過研究。Taloy(1948年)通過直剪試驗(yàn)對(duì)這一問題進(jìn)行了研究,他假設(shè)砂在剪切時(shí)用體積膨脹來抵抗周圍壓力,其所消耗的能量由剪切力做功來提供,這一剪切力就是由膨脹作用所產(chǎn)生的抗剪強(qiáng)度,根據(jù)直剪試驗(yàn),式(1)表示這一結(jié)果。式中:σn為法向應(yīng)力;dh為試樣厚度增量;dx為剪應(yīng)變?cè)隽?。Bishop(1954年)針對(duì)三軸試驗(yàn),提出了類似的表達(dá)式:式中:σ3為圍壓;dεv為體積應(yīng)變?cè)隽?dε1為軸向應(yīng)變?cè)隽?。從三軸試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)的應(yīng)變特征可見,式(1)中的dx與式(2)中的dε1是統(tǒng)一的,都是剪脹的量度。如果以φ′代表試驗(yàn)測(cè)得的排水剪內(nèi)摩擦角,φr′代表消除剪脹后的內(nèi)摩擦角,則有如下關(guān)系:Rowe(1962年)從顆粒材料的變形機(jī)制入手,引入功能轉(zhuǎn)換的概念,提出了著名的剪脹方程,即式中:σ1′為有效大主應(yīng)力;σ3′為有效小主應(yīng)力;dεv為體積應(yīng)變?cè)隽?剪脹為正);dε1為軸向應(yīng)變?cè)隽?壓為正);φu為顆粒之間的摩擦角。Rowe的剪脹方程(4)只考慮了剪脹對(duì)強(qiáng)度的影響,而沒有考慮顆粒破碎的影響作用。Ueng,T.S.&ChenT.J.(2000年)以Rowe的剪脹方程為基礎(chǔ),在考慮了顆粒破碎影響的條件下得出方程:式中:dEB為單位體積試樣由于顆粒破碎所消耗的能量;φf為消除了剪脹和顆粒破碎的摩擦角,其他各符號(hào)意義同式(4)。假設(shè)在剪切過程中,顆粒破碎所消耗的能量主要由顆粒接觸點(diǎn)處的剪切摩擦力來提供,則單位體積試樣由于破碎所消耗的能量與試樣比表面積增量成正比:式中:dSv為單位體積試樣比表面積增量;k為比例系數(shù),由土顆粒強(qiáng)度決定。顆粒破碎一般有兩種形式,一種是在壓力或彎曲作用下發(fā)生張拉破壞,另一種是在剪力作用下發(fā)生剪切破壞。對(duì)應(yīng)于這兩種破壞方式的比例常數(shù)k是不同的。通過掃描電鏡發(fā)現(xiàn),在三軸剪切試驗(yàn)中剪切破壞占了相當(dāng)大的比例,而第1種破壞方式只占了極小部分,則式(5)可變?yōu)槭?7)既考慮了剪脹的影響,又包含了顆粒破碎的作用。本文在對(duì)鈣質(zhì)砂三軸剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上,運(yùn)用式(7)對(duì)鈣質(zhì)砂剪切作用下顆粒破碎與剪脹對(duì)強(qiáng)度的影響進(jìn)行分析探討。3結(jié)果分析和材料制備本次試驗(yàn)選用的試樣取自南沙群島永暑礁附近海域,是未膠結(jié)的松散體。取適量砂樣經(jīng)清水洗掉鹽分后,烘干備用。由于試樣中粒徑大于2mm的顆粒所占比例極低,為便于控制試驗(yàn)條件和結(jié)果分析,對(duì)原始試樣進(jìn)行了初篩,除掉粒徑大于2mm的部分,保留粒徑小于2mm的所有部分。試樣的顆分曲線如圖1所示,該砂為中砂,基本物理參數(shù)見表1。試驗(yàn)在國(guó)產(chǎn)三軸剪力儀和進(jìn)口高壓三軸剪力儀上進(jìn)行,試樣最大圍壓為13.8MPa,最大終止剪切應(yīng)變分別為7%、14%、20%。試驗(yàn)后對(duì)試樣進(jìn)行了顆粒大小分析試驗(yàn),對(duì)于粒徑大于0.074mm的粒組采用篩分法,對(duì)于粒徑小于0.074mm的粒組則采用比重計(jì)法。圖2為不同圍壓下鈣質(zhì)砂試樣剪切前后(剪應(yīng)變?yōu)?0%)的顆分曲線,可見鈣質(zhì)砂在剪切作用下顆粒破碎十分嚴(yán)重。4試驗(yàn)結(jié)果的分析4.1砂體密度和干密度運(yùn)用式(7)進(jìn)行分析時(shí),需對(duì)由破碎產(chǎn)生的試樣表面積增量進(jìn)行計(jì)算,本文采用下述簡(jiǎn)化方法對(duì)其進(jìn)行估算。對(duì)于粒徑大于0.074mm的顆粒,式中:d1、d2為相鄰篩徑的尺寸,如0.25、0.1mm;F為留篩質(zhì)量百分?jǐn)?shù);Gs為砂土的相對(duì)密度;ρw為水的密度。對(duì)于粒徑小于0.074mm的顆粒,采用Blaine法:式中:Gc為粉粒的相對(duì)密度;S0為比表面積;t0為下沉?xí)r間;e0為粉末的孔隙比;e、t分別為Gs所對(duì)應(yīng)的值?？偟谋缺砻娣e:總表面積為式中:ρd為試樣干密度。對(duì)于形狀不規(guī)則的顆粒,這種簡(jiǎn)化方法將低估了顆粒的表面積,但在計(jì)算顆粒表面積增量時(shí),這種簡(jiǎn)化方法對(duì)結(jié)果影響不會(huì)太大。4.2破碎強(qiáng)度的檢測(cè)與測(cè)量圖3為不同圍壓下試樣比表面積增量與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線。從圖中可以看出,隨著軸向應(yīng)變的增加,試樣比表面積增大,增加的幅度亦隨著軸向應(yīng)變的增加而增加。在相同的剪切應(yīng)變下,試樣比表面積隨著圍壓的增加而加大。值得注意的是,即使達(dá)到破壞點(diǎn)以后,應(yīng)力增量在0或負(fù)值的情況下,試樣比表面積仍在繼續(xù)增加,這說明了顆粒破碎與應(yīng)力大小有關(guān),而與應(yīng)力增量的關(guān)系不大。Rowe剪脹方程(4)中的φu是消除了剪脹作用所得的摩擦角,其中包含顆粒破碎發(fā)揮的強(qiáng)度。式(5)中的φf則是消除了剪脹和顆粒破碎而得的摩擦角,即顆粒之間的基本滑動(dòng)摩擦角。本次試驗(yàn)中φf無法直接求得,只能通過間接的方法。為了更清楚說明,將Rowe剪脹方程(4)中的φu用φfb來代替,即φfb是消除了剪脹作用且包含顆粒破碎在內(nèi)所對(duì)應(yīng)的摩擦角。由于φfb包含了破碎分量,因此,其必定與試樣破壞時(shí)單位體積表面積增量與應(yīng)變?cè)隽康谋嚷视嘘P(guān),通過式(4)可計(jì)算出φfb的值。由圖3曲線的斜率求得dSv/dε1,繪制φfb與dSv/dε1關(guān)系曲線,如圖4所示。當(dāng)dSv/dε1=0時(shí),意味著沒有顆粒破碎產(chǎn)生,此時(shí)對(duì)應(yīng)的φfb即為消除了顆粒破碎影響的摩擦角,即φf值,從圖4曲線在縱軸上的截距可得φf=38.2。φfb與φf的差值即為顆粒破碎所發(fā)揮的強(qiáng)度?b,計(jì)算結(jié)果見表2。表2中,當(dāng)圍壓小于800kPa時(shí),應(yīng)力比是指峰值時(shí)的有效主應(yīng)力比;當(dāng)圍壓大于800kPa時(shí)無峰值出現(xiàn),此時(shí)應(yīng)力比是指應(yīng)變?yōu)?0%所對(duì)應(yīng)的值,其他各項(xiàng)類同。從表2中還可以看出,圍壓對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)有明顯的影響。當(dāng)圍壓較低時(shí),剪脹所發(fā)揮的強(qiáng)度非常顯著,隨著圍壓的增加,剪脹作用逐漸減小,而破碎的影響則越來越強(qiáng)。破碎分量從圍壓為100kPa所對(duì)應(yīng)的1.84°增加到圍壓12000kPa所對(duì)應(yīng)的10.20°。按照強(qiáng)度理論,剪脹和破碎對(duì)抗剪強(qiáng)度都有影響,從表2可知,當(dāng)圍壓達(dá)到800kPa時(shí),?fb與峰值強(qiáng)度?p基本相等,說明此時(shí)剪脹作用基本消失,這也與試驗(yàn)結(jié)果相一致;當(dāng)圍壓達(dá)到800kPa時(shí),試樣由剪脹過渡到剪縮;當(dāng)圍壓大于800kPa后,峰值強(qiáng)度?p小于?fb,此時(shí)的剪脹率dεv/dε1已出現(xiàn)負(fù)值,即出現(xiàn)負(fù)剪脹。表中出現(xiàn)的部分峰值強(qiáng)度低于滑動(dòng)摩擦強(qiáng)度,一方面是由于顆粒破碎引起試樣級(jí)配發(fā)生變化,使試樣的粒間滑動(dòng)摩擦角降低,更主要?jiǎng)t是由于試驗(yàn)中峰值強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?0%,遠(yuǎn)沒有達(dá)到真正的峰值。從試驗(yàn)中可知,即使圍壓高達(dá)13.8MPa,應(yīng)力-應(yīng)變曲線中仍有峰值出現(xiàn),只是需要很高的剪切應(yīng)變,以此時(shí)的應(yīng)力比計(jì)算所得的強(qiáng)度并不是真正的峰值強(qiáng)度,表中所計(jì)算的實(shí)際峰值強(qiáng)度有的低于滑動(dòng)摩擦強(qiáng)度。圖5為破碎分量?b與圍壓關(guān)系曲線,表明破碎強(qiáng)度分量是隨著圍壓的增加而增加的,但是增加的幅度逐漸減小,兩者呈對(duì)數(shù)關(guān)系,即隨著圍壓的進(jìn)一步增加,破碎分量趨于一定值。實(shí)際上圍壓對(duì)破碎分量的影響是通過破碎量來表征的。圖6為破碎強(qiáng)度分量與相對(duì)破碎之間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出,破碎強(qiáng)度分量隨著相對(duì)破碎的增加而增加,但破碎對(duì)強(qiáng)度的影響逐漸減弱,兩者同樣滿足對(duì)數(shù)關(guān)系。當(dāng)破碎量很大時(shí),顆粒的粒徑大幅度下降,粉粒已占相當(dāng)大一部分,基本粒間滑動(dòng)摩擦角發(fā)生了變化,由此公式得到的破碎分量誤差已經(jīng)不可忽略。另一方面,當(dāng)圍壓達(dá)到一定程度,試樣趨于最佳級(jí)配曲線時(shí),顆粒破碎會(huì)漸趨于停止,此時(shí)不再因?yàn)轭w粒破碎而消耗能量。圖7為單位體積內(nèi)表面積增量與應(yīng)變?cè)隽勘嚷蔰Sv/dε1與圍壓σ3在破壞時(shí)的關(guān)系曲線,公式為式中:ρd為與應(yīng)變相對(duì)應(yīng)的試樣的干密度;dSm/dε1可從圖3求得。從圖中可以看出,(dSv/dε1)f是隨著圍壓的增加而增加,但當(dāng)壓力超過6500kPa后,增加幅度逐漸降低。將φf=38.2代入式(7)可得試樣破壞時(shí)單位應(yīng)變?cè)隽克牡哪芰?。圖8為試樣破壞時(shí)dEb/dε1與圍壓之間的關(guān)系,表明隨著圍壓的升高,破壞時(shí)單位應(yīng)變?cè)隽克牡哪芰吭隽恳苍谠黾印Ｓ蓤D7和圖8得出破壞時(shí)(dEb/dε1)f與(dSv/dε1)f關(guān)系曲線如圖9所示。從圖中可以看出,兩者并非成簡(jiǎn)單的線性關(guān)系,即式(6)中的k值并不是常量,這是因?yàn)殁}質(zhì)砂中各顆粒的強(qiáng)度并不是完全一樣的。在低圍壓、低應(yīng)變下,往往是強(qiáng)度低的顆粒首先發(fā)生破碎,隨著圍壓的升高,強(qiáng)度更高的顆粒才發(fā)生破碎,此時(shí)增加單位表面積所需的能量亦在增加,因此,式(6)中比例常數(shù)k將變大,表現(xiàn)為圖中曲線斜率陡然加大。5低圍壓下各砂膠結(jié)充填體的顆粒破碎和剪脹通過對(duì)取自南沙