南沙群岛珊瑚砂物理力学性能外文翻译资料

 2022-09-26 03:09

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南沙群岛珊瑚砂物理力学性能

于红兵1, 孙宗勋1, 2, 唐诚1

（1.中国科学院南海海洋研究所，中国广东广州510301

2.中国科学院广州地球化学研究所，中国广东广州510460）

摘要：

珊瑚沙发育于热带海洋环境，主要是由珊瑚和其他海洋生物碎片形成的独特的材料，其CaCO3含量高达96％。它的组成，结构和沉积环境导致了它有独特的物理力学性能。此文中，我们基于实验室对南沙岛屿珊瑚砂样品的力学试验，讨论其比重，孔隙率，压缩比，粉碎比，剪切性能和强度。我们的研究结果表明与石英砂相比，珊瑚砂有不同的高孔隙率比，高摩擦角和低强度。我们认为，颗粒破碎是影响珊瑚沙的变形和强度的主要因素。珊瑚砂的物理力学性能全面的研究在珊瑚小岛建设上意义显著，提供了可靠的科学参数，因而避免了施工事故的发生。

关键词：南沙群岛;珊瑚沙;物理力学性能

引言：

南沙群岛，包括200多个小岛，沙洲和暗礁，位在中国南海[1]南岸，北部始于匈奴胰岛（11°57N，117°E），南部终于浅滩曾母（3°5744“ - 3°59N，112°1625 - 112°1710”E），东部始于海马胰岛（10°46“N，117°47“E），南部终于万安胰岛（10°32N，109°30E），以1195公里总长度和宽度〜973公里，覆盖面积〜70万平方公里。近年来，珊瑚礁在国防建设和海洋资源开发利用发挥着越来越重要的作用[2]。据南阳核心1和南阳核心2钻孔提供的数据，珊瑚礁表面0 - 17.3 m较为疏松，没有胶结或弱胶结，在其更深入的下面是证宽松的珊瑚礁沉积物。覆盖珊瑚礁顶部的珊瑚沙主要由造礁珊瑚碎片构成，包含着些许珊瑚礁藻类等海洋生物的骨骼碎片。它通过表面的积累或短距离水和风力驱动的运输发展为礁滩相或泻湖相。矿物内容大多是文石和高镁与碳酸钙含量高达96％的方解石。珊瑚沙是一个独特的岩石和土壤介质：松散，多孔，且脆，这是由它的沉积环境和组成[3]确定的。它相对于陆源石英砂具有完全不同的物理力学性能。珊瑚礁建筑方面的事故发生往往是由于对珊瑚沙[4]的物理力学性能考虑不当。对珊瑚砂物理力学性能的研究在海洋资源开发利用和国防建设上具有重要的意义[5]。为了更充分认识珊瑚沙物理力学性能，在实验室对从南沙珊瑚小岛上珊瑚沙样品进行矿物分析，粒度分析和孔隙比和比重的测量，同时对土壤进行机械测试，如一维和三维压缩，直剪和三轴剪切，颗粒破碎，以获取珊瑚小岛建筑工程合适的设计参数。

正文

  1. 珊瑚砂的组成

珊瑚礁沙主要由造礁珊瑚碎片组成，同时还包括其他海洋生物残骸。矿物组成主要是文石和高镁方解石，其化学成分是CaCO3。珊瑚礁的晶粒尺寸各不相同，有些珊瑚礁块5毫米以上，有的牛角形的珊瑚碎片具有较高的棱角，特异性差，孔隙率高。粒大小与位置地貌单元有关，并且逐渐变小，受到从外礁平泻湖反射的水力[6]的影响。外礁滩相的珊瑚沙主要事墓状，包含砾石之间的细砂，中砂。内礁滩相的珊瑚沙主要是粗砂，也有细砂和中砂。泻湖珊瑚沙多半是中细砂[7]。据珊瑚礁的25个不同的地貌单元采集的36个样品的粒度分析，取出大碎石后，该组合物大多是碎石粗砂，以及一小部分是粗砂和中粗砂，中砂是个例外。在粒度组合物，砂砾（gt;2mm）的构成的30％ - 50％，一些达到50％ - 80％，少数是低于10％。粗砂（2 - 0.5mm）的含量为5％ - 15％;中沙（0.5 - 0.25mm）的20％ - 40％;细砂（0.25 - 0.0063毫米）5％ - 15％;淤泥（0.063 - 0.004毫米）;粘土（lt;0.004毫米）构成低于5％。粘土几乎不可见。大多数样品的排序系数是0.6 - 1.4[8]。

  1. 珊瑚砂的物理性质

2.1比重

有3种方式来获得比重：比重瓶，比重计和虹吸管。当晶粒尺寸较小5.0mm以下使用比重瓶;当晶粒尺寸大于5.0毫米，其中的晶粒大小大于20毫米小于10％，使用比重计；当晶粒尺寸大于20 mm的在10％以上，使用虹吸管。表1显示了南沙群岛珊瑚砂的比重。部分或全部溶解到水中的珊瑚砂颗粒表面上的可溶性盐，使比重比由煤油测得的大。珊瑚沙之间的微空间难以通过抽真空被填实，因此晶粒尺寸越大，比重越小。

表1.南沙群岛珊瑚砂比重

测量方式

比重瓶法

比重计法

虹吸管法

纯水

煤油

比重

2.80

2.73

2.53~2.71

2.25~2.33

2.2孔隙率

孔隙率作为评价珊瑚沙的工程特性的一个重要指标，是指孔的体积，在该固体颗粒中的比率。对于珊瑚沙，孔体积包括两部分：颗粒之间以及在颗粒内部的体积。实验结果表明，珊瑚礁内孔隙体积拼成的总量，大约10％左右，它反映了珊瑚沙本身的松散特性。明显的，内孔隙率越大，收到外力的粉碎性越大，由此呈现相当大的压缩性和可变形性。

获得原始珊瑚沙样品是比较困难的，也没有经验公式来计算现场数据和孔隙率之间的关系。在最大和最小的孔隙率比的试验中，冲孔会改变晶粒尺寸，尤其是对晶粒尺寸不均匀的珊瑚沙。将一个适当的重量放在沙子表面上，而不是冲击得到最低孔隙率。发现珊瑚砂的孔隙率范围为0.8 - 2.97，比石英砂的高得多[9]。实验表明，孔隙率与颗粒的形状有密切的关系，其原因在于，珊瑚沙是通过原位积累或短途运输形成，它具有低特异性和高棱角。

  1. 珊瑚砂的力学性能

珊瑚沙的基本力学性能试验包括压缩试验，直剪试验，三轴剪切试验和颗粒的粉碎性测试。珊瑚砂的3个主要特点：高内摩擦角，高压缩性，高破碎性。

3.1压缩试验

3.1.1单轴压缩试验

该测试是在高压缩盘机上完成的。由电子天平测定后，将样品仔细地放入样品室中。一个小棒冲击进去，使其更密实，它的振动依赖于干燥密度，测试样品的原始孔隙率可通过电子天平测定的剩余样本数量来计算。

压缩装置在加载样本后安装，所述摄氏计连接到仪器上并调节至零。在样品被浸入水中12小时后，得到数值，然后把加载12.5，25，50，100，200，400，800，1600，3200和4000千帕的荷载，与卸载400，800，1600和3200千帕，按照以下步骤操作。摄氏计的值在每一次装载后读取，在此之后，每小时读取一次值。当两个读数之间的差为0.01mm以内，这被确认是稳定的情况下的负载增加。通常每个稳定期间持续至24小时，其增加随着负载而增加，例如36小时，此时的负载是4000千帕，轴向应力最大值为4000千帕。为了研究卸载恢复，负载试验研究不同应力水平卸载，并使用与装载相反的方式进行。

图1.不同初始孔隙率下的单轴压曲线

在单轴向压缩试验中，珊瑚砂的初始孔隙比分别为1.583，1.490，1.271和1.240，表示从该地形砂的不同的特性。在这种情况下，轴向应力足够高，具有不同的孔隙率的珊瑚砂将达到类似的状态，而卸载和加载曲线将是一个大致叠加线，其示出了塑性变形的特性。

3.1.2三轴压缩试验

该试验是在一个高压三轴仪器上进行，样品直径3.80厘米，高度7.6厘米，以及14兆帕的最大围压。负载被分成50，100，200，400，800，1600，3200，4000千帕，卸载和加载试验在400，800，1600和3200千帕完成。当变形管的两个连续值以及先前的电平值之间的差值小于0.01毫升时，可认为是稳定的数值。

图2显示了珊瑚沙的三轴压缩曲线。最初的孔隙率是1.482，1.316，1.170和1.032，显示出压缩指数在一开始迅速上升，在后期呈直线上升趋势。

图2 不同初始孔隙率下的三轴压缩曲线

三轴压缩曲线的趋势类似特征单个轴向曲线，这两者都包括一个起始平缓的圆弧段，后跟一个几乎是线性的段。在圆弧段，曲率随负载而增加；在直线段，该斜率受原始孔隙度的影响，随着初始孔隙率的增加，斜率增加。这表明高的初始孔隙率增加其压缩性。单个轴向曲线的线性段开始于800千帕的压力，而在三轴曲线的线性段，直到1600千帕，没有清晰的显示。

3.2直剪试验

直接剪切试验用于获取强度参数，c和Phi;。合并快速剪切在这样的试验中使用。

样品通过用电子天平测定，然后放入装好潮湿石和滤纸的直剪试验容器中，使用小木棒轻敲，直到砂填充剪切容器，然后在设计应力下置于12小时。在测试中垂直应力分别为100，200，300和400千帕，剪切步骤是由手轮以每分钟6个周期整合的速度推进，当该值达到峰值或应变为15％以上时，剪切被停止。样品A和B的相对密度分别为46％和95％。

结果表明，该中等粗砂之间具有高内摩擦角37°- 45°，与正常的沙子相比，聚合强度基本上为0。事实是在高内摩擦角度并不意味着高负荷，高摩擦角和负载之间的这种奇怪的关系目前不能用土力学理论解释。

图3 珊瑚砂直剪试验的曲线

3.3三轴剪切试验

三轴剪切试验对珊瑚沙的力学性能的研究重点是应力 - 应变曲线。为了研究在常压下和高承压下的力学性能，设计了三轴剪切试验的有效围压力100千帕- 2500千帕。关键步骤是将松散粉碎的珊瑚砂制备样品。这种新技术可以在5小时内制得饱和度超过95％的样品。样品A和B的相对密度为46％和分别为95％。

图4排水条件下的轴向应变和体积应变曲线

珊瑚沙的排水剪切的特征与有效围压和应变硬化有关。当有效围压小于1000千帕，出现峰值，尽管它并不明显，当有效围压超过1000千帕不存在显示其峰值，并随着有效围压的增加而增加。

在低围压（delta;lt;100千帕），珊瑚沙显示效果清晰剪切扩张特点，当delta;gt;100千帕，它会立即显示剪切收缩。围压增加，偏应力随之增加，并且它的峰值出现在高应变支架。珊瑚沙的应力 - 应变关系类似于紧凑陆砂，在受围压的增加破坏的过程中，两者的轴向应变和体积应变增加。该排水剪切实验显示出从剪切扩张到剪切的应变硬化现象。

图5 轴向应变—应力曲线

图6不排水条件下偏应力和孔隙水轴向压力应变的关系

珊瑚沙的不排水抗剪应力 - 应变曲线与排水剪切相当不同，可分为三个部分：应力急速增加段;应力平缓增加段；应力平缓降低段。随着围压的增加，峰值仅出现高应变力。孔隙水压力迅速达到高峰，但慢慢地下降，并且在低压力（0.1兆帕）下出现负孔隙水压力。在一个低围压下，孔隙水压力的变化将会随着逐渐增加的轴向应力从正值变为到负值压力，当围压达到一定水平，始终为正值。这样的高孔隙水压力将明显降低平均有效压力。[10]

3.4颗粒破碎性测试

在外力破碎下的性能是珊瑚沙的一个重要特征，如图中过程的压缩和剪切。压力超过100千帕高会产生可测量的破碎，随着围压的增加，破碎加速。当他们围压力低于800千帕，它慢慢地变化，围压超过800千帕，剧烈变化。 在石英砂的情况下，通常没有颗粒破碎，只有围压超过1600千帕时，发生轻微的破碎。粉碎性也受剪切方式影响，排水剪切比无排水剪切条件下更严重，并且在二者共同作用的围压和剪切下，比在单一方式更严重，并且对具有较大晶粒尺寸和较差分度级的颗粒作用更剧烈。

颗粒破碎程度的增加受到增加的围压，晶度，颗粒直径，孔隙，碎屑的影响，珊瑚砂的颗粒破碎特性是影响工程的关键因素，颗粒破碎的发展将改变脆性塑性材料的应力-应变关系，从剪切溶胀到剪切收缩，并减小有效应力最大值。[11]

  1. 结论

作为一种特殊的海洋岩土介质，珊瑚砂与石英砂相比，有不同的机械性能。

一）珊瑚砂

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