非塑性细粒珊瑚砂在排水循环荷载作用下的永久变形特性与分类标准

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Permanent deformation behavior and classification criteria for coral sand with non-plastic fines under drained cyclic loading

　　

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  阈值细颗粒含量 35–40.5% 将珊瑚砂混合物划分为粗粒、过渡和细粒组。
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  低压力下粗粒珊瑚砂表现出剪胀性；过渡型珊瑚砂表现出最低刚度和最大不稳定性。
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  颗粒破碎随细颗粒含量减少而降低，但随压力增加而增大，与塑性功遵循唯一的幂律关系。
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  采用累积应变率的定量安定性判据区分了塑性安定、蠕变和崩溃。
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  接近阈值细颗粒含量的混合物在高围压下最容易发生蠕变或崩溃。

引言

作为一种海洋沉积物，珊瑚砂 (CSD) 广泛分布于南海的海岸和珊瑚礁区域 [1], [2]。它是各种沿海和海上工程项目（包括路基、机场跑道、道路基层和建筑基础）的重要水运填充材料。由于特殊的沉积环境和海洋生物成因，CSD 颗粒表现出形状不规则、孔隙率高、压缩性高和强度低的特点 [3], [4]。因此，与陆源石英砂相比，CSD 表现出截然不同的力学行为 [5]。此外，由于疏浚填充过程中的水力分离，CSD 地基材料通常含有不同数量的细颗粒，这种含细颗粒的 CSD 具有较宽的级配 [6]。细颗粒的存在控制着颗粒材料的工程特性，通常改变内部结构，从而降低强度、刚度和渗透性 [7]。鉴于沿海和海上工程项目不可避免地受到长期循环荷载的作用，CSD 地基将在这种荷载条件下逐渐经历累积永久沉降，含细颗粒的 CSD 地基对此现象更为敏感。因此，对这种复杂材料（含细颗粒的 CSD）的动态特性进行实验研究对于确保沿海和海上建筑物的安全性和适用性至关重要。

目前，关于颗粒土长期动态特性的研究主要集中在陆源材料（如石英砂和道砟）上 [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14]。研究表明，累积变形随初始应力水平（如围压、应力比）和循环应力水平（如循环剪应力比）的增加而增加。与石英砂相比，CSD 颗粒表现出更高的粗糙度和更低的硬度，导致即使在中等应力状态下也会发生显著的颗粒破碎 [15]。这种破碎通常通过比较加载前后的 PSD（颗粒级配）来量化，显著影响 CSD 的力学特性 [16]; [17], [18]。据报道，颗粒破碎降低了剪胀性和摩擦角，促进了更明显的剪缩行为 [19]。这些发现表明，CSD 的力学行为比陆源材料复杂得多 [17], [20]。目前，关于钙质沉积物长期力学行为的研究只有少数几项。Hu 等人 [21], Donohue 等人 [22] 和 López-Querol 等人 [23] 对 CSD 进行了一系列排水循环三轴试验，发现颗粒破碎与围压水平和循环应力振幅有关。

除了颗粒破碎带来的复杂性外，细颗粒的存在进一步复杂化了颗粒土的力学行为。根据使用的标准，这里的细颗粒定义为直径小于 0.075 毫米或小于 0.063 毫米。它们掺入粗粒基质中通常会导致级配间断的混合物，细颗粒被迫进入颗粒间孔隙，导致剪切下更大的剪缩体积应变。关于细颗粒含量 (FC) 对单调加载下静态行为影响的结论不一致。例如，在相同相对密度下，一些研究建议在排水条件下，随着 FC 增加，初始刚度降低，同时剪胀性和剪切强度增加 [24], [25]。相反，其他人观察到即使在较高的相对密度下，剪缩行为也更为明显 [26], [27], [28], [29]。同样，在恒定骨架孔隙比或等效孔隙比下的不排水循环荷载下，研究结果也出现分歧：一些研究报告随着 FC 增加剪切强度增加 [30]; [31], [32]，而另一些报告则显示降低或没有显著影响 [33], [34]。这些不一致的发现表明，力学行为不仅受粗颗粒本身控制，还受细颗粒存在的影响。细颗粒的数量影响颗粒材料的渗透性，从而影响循环荷载下的变形。虽然对不同级配陆源颗粒材料力学行为的研究已广泛展开，但在高循环荷载下涉及钙质沉积物和非塑性细颗粒混合物的长期变形行为在很大程度上仍未被探索。

本研究对具有不同细颗粒含量 (FC = 0-100%)、围压 (50-500 kPa) 和循环应力比 (CSR = 0.3-1.0) 的非塑性含细颗粒珊瑚砂进行了高循环排水三轴试验。系统地考察了累积轴向应变、体积应变、回弹模量和颗粒破碎。基于二元堆积模型，确定了阈值细颗粒含量，将混合物划分为粗粒、过渡和细粒珊瑚砂，并分析了 FC 的影响机制。此外，利用安定性理论，基于累积塑性应变率建立了塑性变形的定量分类判据。本研究旨在系统分析含细颗粒 CSD 的长期变形机制，并为 CSD 地基和相关礁石基础设施的设计和评估提供依据。

章节摘要

材料

CSD 取自南海的一个离岸礁石，是人工礁石地基的重要填充材料。CSD 的矿物成分是使用迷你 X 射线粉末衍射仪确定的，结果如图 1 所示。结果显示，主要矿物成分是文石和球霰石，分别占 70.3% 和 25.1%，而等效碳酸钙 (CaCO₃) 含量约为 95.1%。

测试前，CSD

轴向累积变形

图 7 展示了不同细颗粒含量 (FC = 0%, 10%, 35%, 50%, 70% 和 100%) 的 CSD 混合物在不同围压 (50, 150, 300 和 500 kPa) 和不同 CSR 条件下轴向塑性应变 ε_1,p 的累积趋势。可以看出，在初始循环加载阶段 ε_1,p 迅速累积，然后累积速率随循环次数 N 逐渐降低。在相同的 FC 和 CSR 下，ε_1,p 的累积量随...显著增加

不同 FC 的影响机制

为了理解 FC 对 CSD 混合物力学特性的影响，采用了基于二元堆积模型的颗粒间接触状态概念 [40]。如图 14 所示，混合物的接触状态随 FC 增加而演变：(1) FC = 0，粗颗粒直接接触，无细颗粒；(2) 低 FC，粗颗粒保持接触，而孔隙部分被填充；(3) FC=FC_th (阈值细颗粒含量)，孔隙完全被填充，骨架由...共同形成

结论

对具有不同细颗粒含量 (FC = 0-100%)、围压 (50-500 kPa) 和循环应力比 (CSR = 0.3-1.0) 的非塑性含细颗粒珊瑚砂 (CSD) 进行了排水循环三轴试验。主要结论如下。

• (1)
  基于二元堆积模型，确定的理论阈值细颗粒含量范围为 35%-40.5%，并采用 FC = 35% 作为分类和分析的代表阈值。混合物被划分为

CRediT 作者贡献声明

Lin-lin Gu: 撰写——初稿，监督，获取资金，正式分析，数据管理，概念化。Yong Lu: 撰写——审阅与编辑，数据管理。Wei-ping Yu: 可视化，数据管理。Bai-jian Tang: 撰写——审阅与编辑，监督。Lin-jian Ma: 撰写——审阅与编辑，获取资金。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报道的工作。

Lin-lin Gu|Yong Lu|Wei-ping Yu|Bai-jian Tang|Lin-jian Ma