砂巖中鈣化砂三軸剪切試驗研究

砂巖中鈣化砂三軸剪切試驗研究

1無建立充填土強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。由無黏性土強度機制可知,剪脹與顆粒破碎對抗剪強度有重要影響。本文對鈣質(zhì)砂三軸排水剪切試驗數(shù)據(jù)進行分析,研究鈣質(zhì)砂剪脹、顆粒破碎對其強度的影響。2軸剪切試驗的抗剪機理對于無黏性土,在密度較大的條件下受到剪切力作用時,位于剪切面附近的顆粒必須以某種方式滑動、轉(zhuǎn)動、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償,試樣體積膨脹(剪脹)時,試樣克服外力做正功,剪應(yīng)力增大,表現(xiàn)為試驗材料強度得到提高:如體積縮小(剪縮)時,試樣克服外力做負功,剪應(yīng)力減小,試驗材料強度降低。關(guān)于剪脹和強度的定量關(guān)系有不少學(xué)者做過研究。Taloy(1948年)通過直剪試驗對這一問題進行了研究,他假設(shè)砂在剪切時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)生的抗剪強度,根據(jù)直剪試驗,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)變增量。Bishop(1954年)針對三軸試驗,提出了類似的表達式:式中:σ3為圍壓;dεv為體積應(yīng)變增量;dε1為軸向應(yīng)變增量。從三軸試驗和直剪試驗的應(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′代表試驗測得的排水剪內(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)變增量(剪脹為正);dε1為軸向應(yīng)變增量(壓為正);φu為顆粒之間的摩擦角。Rowe的剪脹方程(4)只考慮了剪脹對強度的影響,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),在三軸剪切試驗中剪切破壞占了相當大的比例,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。本文在對鈣質(zhì)砂三軸剪切試驗數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上,運用式(7)對鈣質(zhì)砂剪切作用下顆粒破碎與剪脹對強度的影響進行分析探討。3結(jié)果分析和材料制備本次試驗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,為便于控制試驗條件和結(jié)果分析,對原始試樣進行了初篩,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。試驗在國產(chǎn)三軸剪力儀和進口高壓三軸剪力儀上進行,試樣最大圍壓為13.8MPa,最大終止剪切應(yīng)變分別為7%、14%、20%。試驗后對試樣進行了顆粒大小分析試驗,對于粒徑大于0.074mm的粒組采用篩分法,對于粒徑小于0.074mm的粒組則采用比重計法。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重。4試驗結(jié)果的分析4.1砂體密度和干密度運用式(7)進行分析時,需對由破碎產(chǎn)生的試樣表面積增量進行計算,本文采用下述簡化方法對其進行估算。對于粒徑大于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)量百分數(shù);Gs為砂土的相對密度;ρw為水的密度。對于粒徑小于0.074mm的顆粒,采用Blaine法:式中:Gc為粉粒的相對密度;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。對于形狀不規(guī)則的顆粒,這種簡化方法將低估了顆粒的表面積,但在計算顆粒表面積增量時,這種簡化方法對結(jié)果影響不會太大。4.2破碎強度的檢測與測量圖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,即使達到破壞點以后,應(yīng)力增量在0或負值的情況下,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摩擦角。本次試驗中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單位體積表面積增量與應(yīng)變增量的比率有關(guān),通過式(4)可計算出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dSv/dε1=0時,意味著沒有顆粒破碎產(chǎn)生,此時對應(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)揮的強度?b,計算結(jié)果見表2。表2中,當圍壓小于800kPa時,應(yīng)力比是指峰值時的有效主應(yīng)力比;當圍壓大于800kPa時無峰值出現(xiàn),此時應(yīng)力比是指應(yīng)變?yōu)?0%所對應(yīng)的值,其他各項類同。從表2中還可以看出,圍壓對強度指標有明顯的影響。當圍壓較低時,剪脹所發(fā)揮的強度非常顯著,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。破碎分量從圍壓為100kPa所對應(yīng)的1.84°增加到圍壓12000kPa所對應(yīng)的10.20°。按照強度理論,剪脹和破碎對抗剪強度都有影響,從表2可知,當圍壓達到800kPa時,?fb與峰值強度?p基本相等,說明此時剪脹作用基本消失,這也與試驗結(jié)果相一致;當圍壓達到800kPa時,試樣由剪脹過渡到剪縮;當圍壓大于800kPa后,峰值強度?p小于?fb,此時的剪脹率dεv/dε1已出現(xiàn)負值,即出現(xiàn)負剪脹。表中出現(xiàn)的部分峰值強度低于滑動摩擦強度,一方面是由于顆粒破碎引起試樣級配發(fā)生變化,使試樣的粒間滑動摩擦角降低,更主要則是由于試驗中峰值強度所對應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?0%,遠沒有達到真正的峰值。從試驗中可知,即使圍壓高達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,以此時的應(yīng)力比計算所得的強度并不是真正的峰值強度,表中所計算的實際峰值強度有的低于滑動摩擦強度。圖5為破碎分量?b與圍壓關(guān)系曲線,表明破碎強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,兩者呈對數(shù)關(guān)系,即隨著圍壓的進一步增加,破碎分量趨于一定值。實際上圍壓對破碎分量的影響是通過破碎量來表征的。圖6為破碎強度分量與相對破碎之間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出,破碎強度分量隨著相對破碎的增加而增加,但破碎對強度的影響逐漸減弱,兩者同樣滿足對數(shù)關(guān)系。當破碎量很大時,顆粒的粒徑大幅度下降,粉粒已占相當大一部分,基本粒間滑動摩擦角發(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,當圍壓達到一定程度,試樣趨于最佳級配曲線時,顆粒破碎會漸趨于停止,此時不再因為顆粒破碎而消耗能量。圖7為單位體積內(nèi)表面積增量與應(yīng)變增量比率dSv/dε1與圍壓σ3在破壞時的關(guān)系曲線,公式為式中:ρd為與應(yīng)變相對應(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)可得試樣破壞時單位應(yīng)變增量所消耗的能量。圖8為試樣破壞時dEb/dε1與圍壓之間的關(guān)系,表明隨著圍壓的升高,破壞時單位應(yīng)變增量所消耗的能量增量也在增加。由圖7和圖8得出破壞時(dEb/dε1)f與(dSv/dε1)f關(guān)系曲線如圖9所示。從圖中可以看出,兩者并非成簡單的線性關(guān)系,即式(6)中的k值并不是常量,這是因為鈣質(zhì)砂中各顆粒的強度并不是完全一樣的。在低圍壓、低應(yīng)變下,往往是強度低的顆粒首先發(fā)生破碎,隨著圍壓的升高,強度更高的顆粒才發(fā)生破碎,此時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取自南沙