CN106483017A - 钙质土颗粒破碎评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种钙质土颗粒破碎评价方法，包括：第一步，制备干燥土样；第二步，依据土工试验规程进行压缩试验；第三步，依据第二步中的数据，进行整理计算；第四步根据压缩指标Cc对颗粒破碎作出评价，或者建立与B_r的线性关系对钙质土常压下的颗粒破碎情况进行评价，进而对其破碎程度做出进一步分析与评价；减少试验步骤，方法简便，指标取得简单明确，可用于换算，结果精确而应用广泛。

Description

钙质土颗粒破碎评价方法

技术领域

本发明涉及一种钙质土颗粒破碎评价方法。

背景技术

钙质土常压下即可发生破碎，颗粒破碎是影响钙质土变形和强度的主要因素。我国幅员辽阔，钙质土以珊瑚礁为主要形式广泛存在于南海诸岛，随着海上石油工业和海洋资源的开发利用，岛礁的战略地位越来越重要，它面积虽小，但在茫茫大海中却是宝贵的陆地资源，因此钙质土作为海洋资源开发和海洋权益保护的基地对于开发南海资源和加强国防建设具有深远意义。

由于钙质土的孔隙比高，棱角度大，矿物成份硬度低等原因，易破碎性成为其显著特点之一，相较于普通陆源砂，钙质土在较低的应力下就会发生破碎。实践证明，颗粒破碎是影响钙质土变形和强度的主要因素。因此要对钙质土的力学性质做出充分认识，就必须对其颗粒破碎进行深入系统的研究。

目前评价颗粒破碎的方法普遍采用的是Hardin提出的相对破碎Br的概念。1985年Hardin首次引入破碎势b_p(potential for breakage)即颗粒发生破碎的可能性。他认为颗粒破碎的可能性随着颗粒粒径的增大而增大，而粉粒则因为破碎需要极大的应力及对土体行为的贡献较其他粒组小被认为不可继续破碎。以0.074mm作为破碎的极限粒径，大于这一粒径的所有粒组的颗粒都存在不同程度颗粒破碎的可能性，即b_p＝log₁₀[D/0.074]，式中，D为颗粒粒径；对于整个试样则df为相应粒径的筛分通过率；实验前后的整体破碎势之差为总破碎式中，b_p0为初始的破碎势，b_pt为施加应力后的破碎势；而相对破碎B_r被定义为B_r＝B_t/B_p0。在相同土颗粒材料形状，固定孔隙比，相同有效应力路径的条件下，B_r与土样材料的颗粒级配无关。但是Hardin的理论存在一定问题，Einav于2006年提出，土样在极大的应力下并不会全部碎成粉粒，而是会形成一条新的自相似性的颗粒级配曲线。

通过上述介绍可以看出，目前进行钙质土颗粒破碎的评价时，不可避免要在施加压力前与施加压力后对试验土样进行筛分，绘制颗粒曲线，进行积分求取面积，每一步骤都不可避免可能会存在系统误差及过失误差。这种误差在颗粒破碎较明显时，对最终结果的影响有限；但如果颗粒破碎的数量有限，微小的误差就有可能对结果带来较大的影响。

现有的研究已经证明，钙质土在常压下就会发生破碎，这种破碎主要集中在土体的破坏面周围。现有的评价方法需要在试验前后对土体进行筛分，从中可以看到，筛分的试验结果是建立在试验用土总量的基础之上，常压条件下颗粒破碎的数量可能只有1-2克，甚至更低。相较于试验用土的总量，这一数值相当小。现有的数据显示，其B_r的数值都在10^-2的数量级。在这种情况下，利用土体总量进行筛分评价，其结果的可靠性容易受到各种不确定因素的影响，因此提出一个简单易行的方法检测钙质土在常压下的破碎程度，十分有必要。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有产品存在的上述缺点，而提供一种钙质土颗粒破碎评价方法，减少试验步骤，方法简便，指标取得简单明确，可用于换算，结果精确而应用广泛。

本发明的目的是由以下技术方案实现的。

本发明钙质土颗粒破碎评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，制备干燥土样：称取适量土样于托盘中，放入电热烘箱中，电热烘箱温度保持在105至110度，烘至恒值；

第二步，依据土工试验规程进行压缩试验：

(2.1)取第一步骤中制备好的干燥土样，按照所需密度，称取土样；

(2.2)在固结容器内放置护环、透水板和环刀，将准备好的土样倒入环刀内，抚平表面，小心装入护环，然后在试样上放透水板和加压盖板，置于加压框架下，对准加压框架的正中，安装量表；

(2.3)为保证试样与仪器上下各部件之间接触良好，应施加1kpa的预压压力，然后调整量表，使量表指针读数为零；

(2.4)加载第一级荷载25kpa，加压后按下列时间顺序测记量表读数：0.1min、0.25min、2.25min、4min、6.25min、9min、12.25min、16min、20.25min、25min、30.25min、36min、42.25min，49min，64min，至稳定为止；稳定是连续两次记录测得的的沉降差小于0.01mm，即可施加下一级荷载；

(2.5)按照50kpa、100kpa、200kpa、400kpa、800kpa、1600kpa、3200kpa、4000kpa的顺序逐级加压；

(2.6)压缩试验结束后，迅速拆除仪器各部件，取出试样；

第三步，依据第二步中的数据，进行整理计算：

(3.1)按下式计算土样的初始孔隙比e₀∶e₀＝ρ_wG_s/ρ₀-1

式中：G_s-土粒比重；ρ_w-水的密度，单位是g/cm3；ρ_o-试样的初始密度，单位是g/cm3；。

(3.2)按下式计算各级压力下固结稳定后的孔隙比e_i∶e_i＝e₀-(1+e₀)Δh_i/h₀

式中e_i-某级压力下的孔隙比；Δh_i-某级压力下试样高度变化，单位是cm；h₀-试样初始高度，单位是cm；

(3.3)以孔隙比e为纵坐标，压力p为横坐标，绘制孔隙比与压力的关系曲线；e-lgp曲线的后段接近为直线，它的斜率为C_c＝(e_i-e_i+1)/(lgp_i+1-lgp_i)式中e_i-某级压力下试样的孔隙比；P_i-某级压力值，单位是Kpa；P_i+1表示第i+1级荷载，荷载时一级一级上加，e_i+1表示对应P_i+1荷载的孔隙比，荷载变，孔隙比也变；

第四步根据压缩指标Cc对颗粒破碎作出评价，或者建立与B_r的线性关系对钙质土常压下的颗粒破碎情况进行评价；Cc是e-lgp直线的斜率，这一斜率的数值就是压缩指数；

由公式B_r＝kC_c即可通过常压下的压缩试验得出的压缩指数C_c计算出钙质土常压下压缩试验的相对破碎B_r；进而对其破碎程度做出进一步分析与评价。

本发明钙质土颗粒破碎评价方法的有益效果，本发明方法利用干燥钙质土的压缩试验，通过绘制e-lgp曲线，求取压缩指数，对钙质土的颗粒破碎进行评价，简单易行；并可依据压缩指数与相对破碎Br间的关系，由压缩指数得出试验土样的相对破碎Br值，进行进一步的分析研究，结果科学通用。

附图说明

图1为本发明通过处理压缩数据得到的e-lgp曲线，及取直线段斜率得到的压缩指数C_c关系图；图中，p-荷载，e-孔隙比；

图2为本发明压缩指数C_c与相对破碎B_r间的线性关系图；图中，Cc-压缩指数Br-破碎势。

具体实施方式

实施例，如图1、图2所示，

第一步，干燥钙质土的土样制备。

为了考察钙质土的颗粒破碎性，使压缩试验土样变形只源于颗粒的重新排列及破碎，剔除含水率对破碎程度的影响，对钙质土土样进行干燥处理，使其含水率为0。步骤如下：

称取适量，即所需密度，本实施例选择1.114g/cm³的钙质砂223g的土样于托盘中，放入温度能保持在105至110℃的电热烘箱中烘至恒值。

第二步，进行压缩试验。

(1)取第一步制备的干燥土样，按照所需密度，称取土样。(2)在固结容器内放置护环、透水板和环刀，将准备好的土样分成两层，每层10mm填筑在环刀内，抚平表面，小心装入护环，然后在试样上放透水板和加压盖板，置于加压框架下，对准加压框架的正中，安装量表。

(3)为保证试样与仪器上下各部件之间接触良好，应施加1kpa的预压压力，然后调整量表，使指针读数为零。

(4)加载第一级荷载25kpa，加压后按下列时间顺序测记量表读数：0.1min、0.25min、2.25min、4min、6.25min、9min、12.25min、16min、20.25min、25min、30.25min、36min、42.25min，49min，64min，至稳定为止；稳定是连续两次记录测得的沉降差小于0.01mm，见表1所示。

(5)逐级加压50kpa、100kpa、200kpa、400kpa、800kpa、1600kpa、3200kpa、4000kpa。

(6)试验结束后，迅速拆除仪器各部件，取出试样。

第三步，整理试验数据得到压缩指数。

通过压缩试验得到大量试验数据，见表2所示。

按下式整理试验数据：

(1)按下式计算土样的初始孔隙比e₀∶e₀＝ρ_wG_s/ρ₀-1

式中：G_s-土粒比重；

ρ_w-水的密度，g/cm3；

ρ_o-试样的初始密度，g/cm3；

(2)按下式计算各级压力下固结稳定后的孔隙比e_i∶e_i＝e₀-(1+e₀)Δh_i/h₀

式中e_i-某级压力下的孔隙比；

Δh_i-某级压力下试样高度变化，cm；

h₀-试样初始高度，cm；

(3)以孔隙比e为纵坐标，压力p为横坐标，绘制孔隙比与压力的关系曲线。e-lgp曲线的后段接近为直线，它的斜率为C_c＝(e_i-e_i+1)/(lgp_i+1-lgp_i)，如图1所示：式中e_i-某级压力下试样的孔隙比；

P_i-某级压力值，Kpa；

第四步，根据压缩指标与Br的线性关系对钙质土常压下的颗粒破碎情况进行评价，如图2所示。

由公式B_r＝kC_c即可通过常压下的压缩试验得出的压缩指数C_c计算出钙质土常压下压缩试验的相对破碎B_r。进而对其破碎程度做出进一步分析与评价。

表1时间-沉降关系

表2压缩试验成果处理

本实施例中未进行说明的内容为现有技术，故，不再进行赘述。

本发明的优点：现有技术在评价颗粒破碎时，需要对土体进行筛分，耗时费力，采用本发明提供的方法可以省略筛分过程，直接根据实验结果得到Br，对颗粒的破碎情况进行评价。同时Cc也是衡量土体性质的重要指标，这一结果也助于建立考虑破碎的土体本构关系。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种钙质土颗粒破碎评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，制备干燥土样：称取适量土样于托盘中，放入电热烘箱中，电热烘箱温度保持在105至110度，烘至恒值；

第二步，依据土工试验规程进行压缩试验：

(2.1)取第一步骤中制备好的干燥土样，按照所需密度，称取土样；

(2.2)在固结容器内放置护环、透水板和环刀，将准备好的土样倒入环刀内，抚平表面，小心装入护环，然后在试样上放透水板和加压盖板，置于加压框架下，对准加压框架的正中，安装量表；

(2.3)为保证试样与仪器上下各部件之间接触良好，应施加1kpa的预压压力，然后调整量表，使量表指针读数为零；

(2.4)加载第一级荷载25kpa，加压后按下列时间顺序测记量表读数：0.1min、0.25min、2.25min、4min、6.25min、9min、12.25min、16min、20.25min、25min、30.25min、36min、42.25min，49min，64min，至稳定为止；稳定是连续两次记录测得的的沉降差小于0.01mm，即可施加下一级荷载；

(2.5)按照50kpa、100kpa、200kpa、400kpa、800kpa、1600kpa、3200kpa、4000kpa的顺序逐级加压；

(2.6)压缩试验结束后，迅速拆除仪器各部件，取出试样；

第三步，依据第二步中的数据，进行整理计算：

(3.1)按下式计算土样的初始孔隙比e₀∶e₀＝ρ_wG_s/ρ₀-1

式中：G_s-土粒比重；ρ_w-水的密度，单位是g/cm3；ρ_o-试样的初始密度，单位是g/cm3；。

(3.2)按下式计算各级压力下固结稳定后的孔隙比e_i∶e_i＝e₀-(1+e₀)Δh_i/h₀

式中e_i-某级压力下的孔隙比；Δh_i-某级压力下试样高度变化，单位是cm；h₀-试样初始高度，单位是cm；

(3.3)以孔隙比e为纵坐标，压力p为横坐标，绘制孔隙比与压力的关系曲线；e-lgp曲线的后段接近为直线，它的斜率为C_c＝(e_i-e_i+1)/(lgp_i+1-lgp_i)

式中e_i-某级压力下试样的孔隙比；P_i-某级压力值，单位是Kpa；P_i+1表示第i+1级荷载，荷载时一级一级上加，e_i+1表示对应P_i+1荷载的孔隙比，荷载变，孔隙比也变；

第四步根据压缩指标Cc对颗粒破碎作出评价，或者建立与B_r的线性关系对钙质土常压下的颗粒破碎情况进行评价；Cc是e-lgp直线的斜率，这一斜率的数值就是压缩指数；

由公式B_r＝kC_c即可通过常压下的压缩试验得出的压缩指数C_c计算出钙质土常压下压缩试验的相对破碎B_r；进而对其破碎程度做出进一步分析与评价。