文摘
钙质砂岛被选为前材料在许多沿海地区开垦。颗粒材料的机械性能深受他们的粒度分布情况。剪切模量和阻尼比是地面地震响应分析的两个重要参数和液化评估。一系列的共振柱试验已经进行钙质砂不同平均粒径、均匀系数。剪切模量和阻尼比的依赖钙质砂的粒度已经确认在这个考试。测试结果表明,剪切模量随剪切应变的增加对钙质砂样品在给定围压和相对密度。最大剪切模量会增加围压和相对密度。最大剪切模量和孔隙比平面,测量结果的趋势转向了颗粒直径和位置上升。测量结果表明,均匀系数最大剪切模量的影响可忽略不计的。修正后的经验公式基于哈丁模型已经提出了考虑颗粒直径的影响来估计钙质砂的最大剪切模量。 The predicted values show satisfactory agreement with the measured results. The results manifest that the effect of grading condition on small-strain dynamic properties of calcareous sands cannot be neglected for the evaluation of seismic safety for reclamation engineering sites.
1。介绍
钙质砂生物媒介,广泛分布在世界各地的沿海地区。它们起源于海洋生物和贝壳。这种海洋介质的主要成分是碳酸钙。钙质砂拥有一个intrapore结构,角形状,表面很粗糙。钙质砂在正常工作压力(容易被损坏1- - - - - -4]。因此,钙质沉积的陆源砂相比表现出不同的力学响应。最近,钙质砂被选中作为复垦施工前材料。基本的需求的理解钙质砂的力学性能是非常紧迫。
一些肋岛复垦工作在南海建立在过去的年5- - - - - -8]。此外,地震的发生经常报道。因此,了解动态特性的砂沉积明显重要的地震礁回收站点。此外,很小的动态特性参数影响地面运动特征。这些索引也可以用来估计解决填海地遭受地震。
剪切刚度的沙子在剪切应变级别小于纯通常定义为。过去的研究证实剪切模量是孔隙比和围压应力的函数。此外,很小的动态属性的沙子也容易受到许多其他因素包括分级、分布和粒子的特征。本德元素和共振柱试验是测量很小的两种传统实验室的方法动态指数金沙。共振柱试验被广泛进行测量很小的动态属性的金沙(9- - - - - -12]。Phamet艾尔。13)发现的最大剪切模量钙质是比在相同的测试条件下硅砂。Goudarzy et al。14)发现的最大剪切模量显著降低以增加罚款内容和采用了等效骨架孔隙比(15)修改哈丁模型(16]包括罚款微粒的影响织物和力链沙滩上组装。Jafarian和Javdanian17)测试的动态属性siliceous-carbonate沙子和明白的最大剪切模量样本受各向异性条件合并样本比各向同性的。均匀系数和平均粒径的影响砂在微小应变水平的动态属性是复杂的。Anastasiadis et al。18)报道,平均粒径砂的规范化的剪切模量的影响。然而,一些研究人员持有相反的意见19,20.]。因此,调查颗粒直径的影响很小动态属性的钙质砂仍然是不够的。进一步的研究应该进行补充现有的文献。
本研究进行了一系列的共振柱试验检查的影响平均直径和均匀系数的剪切模量和阻尼比的钙质砂在不同围压和密度。剪切模量的依赖钙质砂的孔隙比和围压平面也进行了研究。测试结果表明,分级的影响条件的微小应变动态属性钙质砂时应认真考虑地震地面响应分析和液化回收网站进行评价。得到验证哈丁模型(16,21)已修订考虑分级的影响状态估计的最大剪切模量在不同的测试条件下钙质砂。预计值与测量结果对钙质砂同意不同等级的条件。
2。材料和方法
钙质砂是收集的南沙群岛,南中国海。钙质砂的粒度分布范围的南沙群岛地区非常广泛,而这些生物起源的沉积物包含大型和小型谷物到任意比例。调查的影响等级属性钙质砂的微小应变动态特性,钙质砂的粒度分布曲线被人为调整。图1显示所有样品的粒度分布曲线。三个中值直径(d50)的0.75毫米、1.5毫米和2.5毫米被选中。对于每个颗粒直径,均匀系数铜已经准备为1.2、1.8和2.4。铜均匀系数越大,越宽粒度分布曲线。颗粒级配曲线基本上涵盖了代表填海礁岛屿的粒度分布范围。注意到不罚款粒子粒径小于0.075毫米存在于测试材料(22- - - - - -24]。表1显示了钙质砂的代表物理参数与不同的平均直径和均匀系数。有人指出钙质砂的最大和最小空隙率是影响分级条件。同样的平均直径d50,最大和最小空隙率减少随着铜均匀系数增加。最大和最小空隙率也随着平均直径的增加而增加。这是因为创建更多的空白空间大颗粒形成的骨架结构。特定的重力不依赖于平均直径和均匀系数。
图2显示了钙质砂颗粒的扫描电子显微镜。图像显示了钙质砂的颗粒形状是不规则和复杂。毛孔分布在颗粒表面,和一些毛孔进入内部部分相连。颗粒表面看起来很粗糙。复杂的钙质砂颗粒形状和微观结构使其动态属性与陆源砂有很大不同。
钙质砂样本准备使用润湿填塞方法(25- - - - - -31日]。钙质砂混合的初始含水量为10%。圆柱形样本直径50毫米和100毫米高。潮湿的钙质砂由五层逐渐注入模具。在不同密度由特定样本准备捣固。三个目标样本的相对密度为30%(松散状态),60% (medium-dense状态),80%(的状态)的准备。钙质砂样品的饱和过程由于其porositic自然是困难的。最初,绝望的钙质砂保存在真空。有限公司2注入钙质砂样品更换空气,这个过程持续了45分钟。钙质砂样品的饱和过程是通过逐渐提高背压。的SkemptonB所有样品在0.95之前测试值。各向同性整合压力设置为50 kPa, 100 kPa, 200 kPa, 300 kPa前测试。
GDS共振柱试验装置被用来研究钙质砂的微小应变动态响应在这个调查。共振柱试验装置划分为已故的类型。样品很兴奋在正弦振动。围和背压范围1.0 MPa,操作频率范围是5至30 Hz。圆柱样品安装在三轴细胞,细胞基本被水拥抱内胎。
3所示。测试结果
图3显示了剪切模量G-shear压力γ钙质砂曲线与平均直径0.75毫米的铜均匀系数= 1.2三个密度为30%,60%,80%。不同范围的剪切模量测量之间的研究和10−4。测试结果显示,剪切模量倾向于下降与上升的剪切应变无论初始相对密度。剪切模量的衰减趋势是稳定在一个很小的剪切应变和加剧随着剪应变的增加。的围stress-dependence剪切模量对钙质砂也清楚地看到。在一个特定围压、剪切modulus-shear应变与相对密度的上升曲线向上移动。不同范围的剪切模量钙质砂在松散,medium-dense,密集的州是40 MPa之间和210 MPa。
(一)
(b)
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数据4和5剪切模量的情节对剪切应变γ钙质砂的平均直径为1.5毫米和2.5毫米在不同围压和密度。剪切modulus-shear应变曲线表达数据4和5表现出非常相似的不同倾向的钙质砂小粒径中值如图3。围压的增加很大程度上提升了的位置 - - - - - -γ曲线。沉积状态上升显著增强了在相同的测试条件下剪切模量。它表明钙质沉积物的致密化是一种有效的方法来增加复垦的弹性地面地震发生时。
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
数据6(一)和6 (b)显示最大剪切模量的变化趋势与围压应力水平对钙质砂样品平均直径为0.75毫米和2.5毫米,分别。最大剪切模量垂直轴的交点确定和测量数据的拟合曲线剪切模量和剪切应变γ飞机。最大剪切模量的依赖在压力和密度水平是独特的。看到的是最大剪切模量线性压力增加而上升的界限。增加围压使钙质沙粒在各向同性整合过程紧密联系。相对密度的增加提高了最大剪切模量钙质砂样品与小型和大型谷物。围压应力和沉积两个影响参数确定最大剪切模量的材料。这表明一个密集的钙质地面拥有更为强大的抵制很小的振动载荷的模量。与以往的调查结果是一致的二氧化硅和钙质砂(9,32]。
(一)
(b)
数据7(一)和7 (b)显示最大剪切模量策划与中值直径d50钙质砂。对钙质砂铜均匀系数= 1.2,最大剪切模量对晶粒尺寸在松散和密集的州。然而,对于钙质砂与一个相对较大的均匀系数,最大剪切模量最初的增加和逆转减少直径从0.8到2.4不等。对于分选良好的钙质砂与特定的平均直径、总粒数在一个标本和主要“力链”进行扭力更大比其他两种情况。人们猜测的机制影响很小的粒径和级配条件动态剪切模量相当复杂。应该进行进一步的调查揭示了相关的微观结构。
(一)
(b)
(c)
(d)
直接了解铜均匀系数对最大剪切模量的影响,比较了在不同的测试条件下测试数据的最大剪切模量 - - - - - -孔隙比e飞机。图8显示了最大剪切模量与孔隙比之间的关系对钙质砂在不同均匀系数。最大剪切模量往往与孔隙比的增加减少。钙质砂进行动态加载时失去了抗变形能力在一个松散的状态。它指出,均匀系数的影响 - - - - - -e曲线是可忽略不计的。在图8,所有的测试结果都可以模拟使用曲线最大剪切模量和孔隙比平面时,平均直径和围压是已知的。测试结果在这项工作是不同的对硅砂(之前的调查11,33]。不同之处在于可能起源于钙质砂之间的颗粒形态和硅砂。
(一)
(b)
(c)
(d)
图9表达了最大剪切模量绘制孔隙比e对钙质砂铜均匀系数= 1.2和平均直径不同。纵轴为数字9(一个)- - - - - -9 (d)因为应用不同围压水平是不同的。与相似图8,最大剪切模量显示减少的趋势随着样本变得宽松。在相同的测试条件下,颗粒直径的影响最大剪切模量是显著的 - - - - - -e飞机。清楚地看到,颗粒直径的减小d使测量结果点向下移动。颗粒直径的差异导致了不同的织物和配位数的谷物颗粒。复杂的接触条件和样品小粒径减少导致了钙质砂的最大剪切模量(34- - - - - -38]。
(一)
(b)
(c)
(d)
数据10和11显示最大剪切模量之间的关系和孔隙比e对钙质砂在不同围压和两个均匀系数。它表明,最大剪切模量降低为样本松动。除此之外,增加颗粒直径最大剪切模量的增加而增加孔隙比虽然只有两个点是测量获得了对于一个给定的平均直径。它指出,最大剪切模量的依赖在与不同的铜晶粒尺寸适用于样品。因此,平均直径的影响钙质砂的动态指数时应合理对待的估计方程提出了最大剪切模量。
(一)
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(c)
(d)
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(b)
(c)
(d)
4所示。讨论
过去的研究显示,沙子的剪切模量是很大程度上依赖于密度和围压应力(39- - - - - -43]。哈丁和Richart21提出了一个经验公式估算出剪切模量基于数据库的沙质土壤。剪切模量可以表示如下: 在哪里一个,n,c是材料常数。p一个表示大气压力(100 kPa),p表明整合压力。此外,参数c影响生硬的谷物和需要2.97角砂的价值。项目与孔隙比有关e在一些研究中也表达的其他形式。
图12显示了 曲线的钙质砂使用三个平均直径。采用归一化形式的垂直轴消除侧限应力的影响。表示测试结果具有相同的点铜在不同围压紧密分布。测试结果可以模拟使用哈丁模型。然而,模型参数极大地依赖于中值直径d50。因此,有必要考虑平均直径的影响时,最大剪切模量估计。对钙质砂直径与给定值d50一组物理参数,包括一个和n可以获得。
(一)
(b)
(c)
图13表明,模型参数一个线性增加的平均直径d50。此外,参数n有一个权力指数和平均直径之间的关系d50。拟合曲线在图的美好13是0.99。这两个参数可以使用中值直径密切相关,并表示d50。先前的研究表明,参数c是粒子特性不敏感。因此,参数c被认为是一个常数的预测。
(一)
(b)
图14代表所有的测试结果为钙质三粒直径在不同围压和密度。归一化值的变化趋势与孔隙比e使用独特的趋势线可以被描述。趋势线是使用修改后的哈丁模型决定的。物理参数d50直接介绍了哈丁模型来定量描述的参数一个和n。参数一个和n确定使用最佳拟合方法的测量结果。修改后的哈丁模型考虑颗粒直径的影响能够预测的最大剪切模量钙质与不同等级条件下在不同密度和压力。
数据15和16显示预测和测量的最大剪切模量钙质砂在不同的测试条件下不同分级曲线。使用原始的剪切模量估计哈丁模型显示在图15。有人指出的点代表样本平均直径为0.75以上测试结果。也见过点的区域表示相对误差值在10%以内。
图16显示,预测值与测量结果相匹配的相对误差值小于10%。最大剪切模量预测使用修改后的哈丁模型。估计能力在很大程度上是通过考虑晶粒尺寸的影响增强。钙质砂地拥有广泛的粒度分布曲线。修改后的哈丁模型预计将提供预测的最大剪切模量准确反映的影响钙质砂在工程实践的层次特征。
5。结论
粮食中值直径被发现是一个重要参数的单调、钙质砂的动态属性。一系列的共振柱试验已经进行调查的影响级配条件(平均直径和均匀系数)很小的动态属性在不同的测试条件下钙质砂。著名的哈丁模型被修改包括晶粒尺寸的影响很小的动态属性。新发现的工作可以概括如下:(1)钙质砂的剪切模量会减少与增加剪切应变在给定围压和密度。围stress-dependence和density-dependence剪切模量和阻尼比的钙质砂在这次调查被证实。最大剪切模量线性随围压水平的相对密度。最大剪切模量和孔隙比飞机上,均匀系数的影响铜测量最大剪切模量是最小的。(2)剪切模量和孔隙比平面,在同一围压和均匀系数,提高中值直径提高最大剪切模量。最大剪切模量与孔隙比增加显示一个下降趋势。宽松的钙质砂样品,小的能力抵抗扭转加载。(3)物理参数一个哈丁模型和平均直径增加,而参数n哈丁模型指数随平均直径。得到验证哈丁方程已经修订考虑平均直径的影响。该方程可以描述很小钙质砂的动力特性与不同层次的条件。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
工作的一部分是由工程力学研究所的科研基金,中国地震局(批准号2020 d01),广东基础研究和应用基础研究基金会(2021 a1515012096和2021 a1515110201)和广州市科技项目(202102010380和202102010380)。