加筋钙质砂三轴试验研究.pdf
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1、书书书 工程地质学报 ()曾凯锋,曾凡祥,刘华北 加筋钙质砂三轴试验研究 工程地质学报,():,():加筋钙质砂三轴试验研究曾凯锋曾凡祥刘华北(华中科技大学,土木与水利工程学院,武汉 ,中国)摘要为了探究加筋对钙质砂力学性质及颗粒破碎的影响,使用大型三轴仪对加筋钙质砂和素钙质砂进行了一系列不同加筋层数、加筋材料种类及围压的三轴固结排水试验。研究方法如下:首先通过三轴试验及筛分试验,得到了不同试验条件下钙质砂的主应力差 轴向应变曲线、体应变 轴向应变曲线以及试验后的级配曲线;其次通过试验结果,分析了加筋对钙质砂强度、变形及颗粒破碎的影响;最后通过将钙质砂颗粒破碎与输入能量相关联,得到了钙质砂颗粒
2、破碎的规律。研究结果表明:加筋钙质砂强度明显高于素钙质砂,且加筋效果随加筋层数与筋材 延伸率割线刚度的增加而增加,但随围压的增加而减少。加筋同时也可以有效抑制钙质砂的剪胀,且加筋层数越多抑制效果越明显。另外,试验结果也表明钙质砂颗粒破碎程度与输入能量之间存在特定的关系,输入能量越大颗粒破碎程度越大,且这种关系与钙质砂加筋与否关系不大。关键词加筋钙质砂;三轴试验;颗粒破碎;输入能量中图分类号:文献标识码:收稿日期:;修回日期:第一作者简介:曾凯锋(),男,博士生,主要从事岩土材料应力 应变关系研究 :通讯作者简介:刘华北(),男,博士,教授,主要从事岩土材料应力 应变关系研究 :(,),:,;引
3、言钙质砂通常是指富含碳酸钙或其他难溶碳酸盐类物质的粒状材料,其颗粒形状多为不规则状,且内孔隙较多,容易发生破碎,在我国其主要分布在南海海域附近(刘崇权等,;吴京平等,;张家铭,;汪稔等,)。随着我国对南海国防的建设以及对南海石油、天然气资源的勘探、开采,越来越多的工程涉及到钙质砂。但由于钙质砂颗粒易发生破碎,使得其工程力学性质与其他陆源砂相比有很大不同(陈火东等,;徐永福,;薛润坤等,;曾凯锋等,;张丙树等,;王刚等,),这也给南海岛礁的开发与建设带来了一定的阻碍,因此,近年来对钙质砂的研究也越来越多。现今,在钙质砂颗粒破碎方面,国内外许多学者都进行了研究。吴京平等()对人工钙质砂进行了三轴剪
4、切试验,发现颗粒破碎的存在使钙质砂剪胀性减小,峰值强度降低;()使用硅砂和珊瑚砂进行了一系列三轴排水剪切试验,发现颗粒破碎导致峰值状态摩擦角和剪胀角减小,但峰值状态基本摩擦角(峰值状态摩擦角和峰值状态膨胀角的差)先增加然后减小。张家铭等()对钙质砂进行了不同围压,不同应变下的三轴排水剪切试验,发现随着围压和剪切应变增大,颗粒破碎程度加剧;()对两种钙质砂进行了三轴试验,研究发现输入能量对钙质砂颗粒破碎行为有重要影响;()对两种级配钙质砂进行了大量三轴试验及侧限试验,结果表明:无论试验条件如何,钙质砂颗粒破碎与输入能量总存在特定的关系,且在输入能量相同的情况下,大粒径钙质砂破碎更严重。总体而言,
5、现有的研究结果表明钙质砂在发生颗粒破碎后强度将降低,压缩性将增大,且钙质砂颗粒破碎程度与输入能量是密切相关的。由于颗粒破碎的存在,钙质砂的强度与普通砂土相比是偏低的,故想将其更好地运用到工程建设中,需要找到一个能有效提高其强度的方法。现有的研究结果表明加筋能有效提高砂土的强度,如:吴景海等()对 种不同加筋材料的加筋砂土进行三轴排水试验后发现各种土工合成材料均能有效提高砂土的破坏强度,但随着围压的升高,加筋效果逐渐减小。石熊等()采用大型三轴剪切仪,对加筋粗粒土进行了一系列的三轴排水试验,试验表明粗粒土加筋后的黏聚力有明显增加,而内摩擦角基本不变。()对两种加筋钙质砂进行了不同围压及加筋层数的
6、三轴固结排水试验,结果表明加筋能有效提高钙质砂的抗剪强度。因此,可以推测将钙质砂与土工合成材料联合使用应该是一种不错的提高钙质砂强度的方法,研究加筋钙质砂的性质对钙质砂的工程应用也有一定的帮助。但是,现有的研究较多集中在素钙质砂以及加筋对普通砂土的影响方面,而在加筋对钙质砂力学特性及颗粒破碎影响方面,研究成果较少。因此,为探究加筋对钙质砂力学性质、颗粒破碎的影响,使钙质砂能更好地运用到工程建设中,本文对 种加筋材料(种不同刚度的土工织物与一种双向土工格栅)及钙质砂进行了 组不同围压、不同加筋层数的常规三轴固结排水试验。试验结果表明,加筋能有效提高钙质砂的抗剪强度限制其侧向变形,且钙质砂的颗粒破
7、碎程度与输入能量密切相关,输入能量越大,颗粒破碎程度越大。试验概况 试验设备及材料本文三轴试验所用的仪器为 土体三轴流变试验机,其由主机、轴向测控系统、围压测控系统、孔隙水流量系统及计算机系统等组成,具体如图 所示。仪器能施加的最大围压为 ,最大轴向力为 。压力室底座与试样帽可以更换,故试样的尺寸有直径为 ,高度 及直径 ,高度 两种,本文试验试样选取大直径尺寸。图 三轴试验仪器图 本文三轴试验的试验材料分为钙质砂和土工合成材料两种。钙质砂取自我国南海岛礁,其试样的初始级配曲线如图 所示,基本物理参数见表 ,其属 工程地质学报 图 钙质砂试样初始级配曲线 表 钙质砂试样基本物理参数 最大孔隙比
8、 最小孔隙比 比重有效粒径 限制粒径 曲率系数 不均匀系数 于含砾石的砂土。试验选取的筋材共计 种,分别为土工织物 、土工织物 、土工织物 以及双向土工格栅,其具体的力学性能指标见表 。可以看到,种筋材的纵向 及 延伸率割线刚度差别不大,但横向 及 延伸率割线刚度有很大区别(土工织物 土工织物 双向土工格栅),后文也将采用横向 延伸率割线刚度来分析筋材刚度对加筋效果的影响。表 土工合成材料的技术指标 技术指标土工织物 土工织物 土工织物 双向土工格栅极限抗拉强度 纵向 横向 延伸率割线刚度 纵向 横向 延伸率割线刚度 纵向 横向 最大拉应变 纵向 横向 试验方案本文共对钙质砂进行 组不同加筋材
9、料、加筋层数、围压的常规三轴排水试验。试验的具体方案见表 。加筋材料等间距水平布置在钙质砂试样中,即筋材分别位于试样高度的中点或三等分点处,具体的布置方式如图 所示,图中 为试样的总高度,为加筋层数,当 时即为素钙质砂。表 三轴固结排水试验方案 相对密度 围压 加筋材料加筋层数加载速率 试样尺寸 最大轴向应变 ,土工织物 ,高度 ,直径 土工织物 土工织物 双向土工格栅图 筋材在试样中的位置示意图 试验步骤试验首先是制备干砂试样,试样的制备按土工试验方法 (中华人民共和国国家标准编写组,)中方法进行,制备完成的试样如图 所示。试样制备时有几点需要注意:()填筑到指定高度时须水平放置好加筋材料;
10、()由于钙质砂易破碎,因此填筑时不采用击实而采用按压及敲击的方法制样以减少钙质砂在试样制备时的破碎;()由于试样在不同围压下固结后的体应变不同,因此为保证试样在剪切前密实度一致,不同围压下试样的质量应略有不同,试样的质量须按等压固结后的体应变进行修正。试样制备完成后,对试样进行反压饱和,饱和方法按土工试验方法标准 ()中方法进行,当孔压增量与围压增量之比大于 ,即认为饱和完成。之后进入排水固结阶段,待体应变稳定后即可认为固结阶段完成。固结完成后按试验方案进行后续剪切试验。试验完成后还需要对钙质砂进行烘干及筛分以确定钙质砂试验前后级配的变化。()曾凯锋等:加筋钙质砂三轴试验研究图 加筋钙质砂试样
11、制备完成及试验结束图 三轴试验结果及分析 三轴试验结果图 图 分别为土工织物 、土工织物 、土工织物 以及双向土工格栅加筋钙质砂三轴试验结果图,其中图 图 为主应力差 轴向应变曲线,图 图 为体应变轴向应变曲线。由图 图 可知,在轴向应变较小时,加筋钙质砂与素钙质砂的主应力差 轴向应变曲线几乎重合,但随着轴向应变的增加,其主应力差 轴向应变曲线之间的间距逐渐增大,这表明土工合成材料的加筋作用在轴向应变较大时效果明显,但在轴向应变较小时,加筋作用很小。同时也可以看到,加筋钙质砂的抗剪强度明显要大于素钙质砂,且抗剪强度随着加筋层数的增加而增加。另外,从图 图 可以发现,在围压较小时,素钙质砂表现为
12、先剪缩后剪胀的趋势,但加筋钙质砂表现为剪缩未出现剪胀现象,且加筋层数越多,钙质砂的剪缩越大;在围压较大时,素钙质砂也表现为剪缩趋势,但加筋钙质砂的剪缩依旧比素钙质砂大。这说明加筋可以有效抑制钙质砂的剪胀,且加筋层数越多抑制效果越明显。由图 也可以看出,素钙质砂试样呈鼓胀破坏,而加筋钙质砂试样呈若干个鼓状破坏,且明显可以看出除设有加筋材料的地方外试样都发生了鼓胀,这也就说明了在加筋图 土工织物 加筋钙质砂三轴试验结果 主应力差 轴向应变曲线;体应变 轴向应变曲线处试样的侧向变形受到了明显的约束,筋材与钙质砂通过两者的相互摩擦,很好地约束了试样的侧向变形,从而提高了土体的强度。加筋对钙质砂强度影响
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