钙质砂在循环荷载下的长期行为与降解特性研究

作者及机构
本研究由Shao-Heng He（浙江大学城市学院土木工程系）、Zhi Ding（浙江大学城市学院土木工程系/澳门大学智慧城市物联网国家重点实验室）、Tang-Dai Xia（浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心）等合作完成，发表于《Engineering Geology》期刊2020年第276卷。

学术背景

钙质砂（Calcareous sand）是一种以碳酸钙（CaCO₃）为主要成分（含量>90%）的海洋沉积物，广泛分布于赤道和热带沿海地区，覆盖约40%的陆海交界带。由于其颗粒形状极不规则且易破碎，其力学特性与陆源硅砂有显著差异。在南海岛礁建设中，钙质砂被广泛用作路基、机场跑道等基础设施的填筑材料。然而，在交通或波浪荷载的长期循环作用下，钙质砂地基可能因累积沉降和颗粒破碎（Particle breakage）引发安全隐患。尽管已有大量研究关注陆源颗粒材料（如石英砂、道砟）的长期循环行为，但针对钙质砂的研究仍存在空白。因此，本研究旨在揭示钙质砂在高循环次数（25,000次）下的累积变形、回弹模量（Resilient modulus）和体积应变规律，并量化颗粒破碎的影响。

研究流程与方法

1. 材料特性与试验设备

• 材料表征：研究采用南海西沙群岛的钙质砂，通过扫描电镜（SEM）显示其颗粒具有多孔结构和粗糙表面，圆度系数为0.505。X射线衍射（XRD）和荧光分析（XRF）表明其碳酸钙含量达91.86%。
  
• 试验设备：使用英国GDS公司的动态三轴试验系统（DynTTS），频率范围0.1–10 Hz，符合ASTM D3999-91和ASTM D5311-92标准。
  

2. 试验设计

• 单调三轴试验：进行7组排水剪切试验，平均有效应力（p’）为40–800 kPa，轴向应变速率0.045%/min，终止应变为35%，以确定临界状态线（CSL）和静态强度包络线（SSE）。
  
• 循环三轴试验：设计33组高循环（25,000次）排水试验，p’为40–400 kPa，循环应力比（ζ）为0.2–3.6，频率0.5 Hz。试样采用相对密度（Dr）80%的压实砂，通过空气雨落法（Air pluviation）制备，并经过CO₂饱和和反压饱和处理。
  

3. 关键参数定义

• 循环应力路径比（ψ）：创新性提出参数ψ = ldcyc/ldsse，综合反映p’、ζ和SSE的交互作用，其中ldcyc为循环应力路径长度，ldsse为路径终点至SSE的线性距离。
  
• 回弹模量（Mr）：通过滞回曲线计算，Mr = qampl/ε1ampl，表征材料的刚度恢复能力。
  

主要结果

1. 累积轴向应变（ε1acc）

• 临界循环应力比（ζc）：当ζ > ζc（即循环应力路径超过CSL）时，ε1acc随ζ的增长率急剧上升；当应力路径接近SSE时，试样进入增量坍塌状态（Incremental collapse）。
  
• 预测模型：建立ε1uacc = 0.00667e^(0.424ψ)的经验公式，ψ能有效反映SSE斜率衰减对变形的加剧效应（R² > 0.9）。
  

2. 体积应变（εv）与孔隙水压力

• 双阶段响应：εv先收缩后膨胀，收缩性随p’增加而增强，但存在反向应力比ζr：当ζ < ζr时，εv随ζ增加而减小；ζ > ζr时则相反。
  
• 孔隙水压力：在低p’（40 kPa）下，孔隙水压力首周期达到峰值后快速消散，对长期行为影响可忽略。
  

3. 回弹模量（Mr）与颗粒破碎

• 刚度演化：初始阶段因颗粒重排致密化，Mr随循环次数（N）增加；后期若εv膨胀，Mr因颗粒接触丧失而下降。
  
• 颗粒破碎（Br）：Br随p’和ζ增加而加剧，但受p’上限限制。Br对εv压缩性的影响（+35%）显著大于对ε1acc（+15%）。
  

4. 模型偏差与颗粒降解

• 预测偏差：Uzan模型（Mr = k1p’(θ/p’)^k2(qampl/p’)^k3）在低应力状态下低估Mr，原因为未考虑颗粒破碎的负面影响。Br与预测值偏差呈正相关：低Br时模型高估Mr，高Br时则低估。
  

结论与价值

科学意义

1. 理论创新：提出ψ参数和ζc阈值，建立了钙质砂长期变形的预测框架，填补了海洋岩土工程领域的数据空白。
   
2. 降解机制：揭示了颗粒破碎对体积应变和刚度的非对称影响，为高应力下钙质砂的工程设计提供理论依据。
   

应用价值

• 工程指导：建议实际工程中将ζ控制在ζc以下以避免快速累积变形，并为岛礁路基的耐久性设计提供参数支持。
  

研究亮点

1. 多应力路径分析：首次将循环应力路径与CSL/SSE的位置关系作为变形发展的核心判据。
   
2. 全生命周期模拟：25,000次循环试验模拟了交通荷载的长期效应，数据规模远超同类研究。
   
3. 跨尺度关联：通过Br量化颗粒破碎，将微观降解与宏观力学响应直接关联。
   

未来方向

作者指出需进一步研究主应力旋转和矿物成分的影响，并建议按Br分级建立更精确的预测模型。这些成果为珊瑚礁工程的安全评估奠定了实验基础。