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未胶结的碳酸盐砂的力学性质
M.R.COOP
典型的生物质碳酸盐砂的力学行为通过高达8 MPa围压的标准三轴试验进行了研究。试验结果表明，尽管这些土壤具有颗粒破碎的特性，但其性质仍然与在常见的土壤中观察到的性质相似，与临界状态土力学的主要特征一致。这些试验中使用的较高的应力要比用于通常土壤试验中的要高一个数量级，且一些个别的土壤参数的值被发现在正常经验的范围之外。本文利用微观拍摄和级配分析来来确定各向同性和剪切应力对颗粒破坏的影响。三轴试验结果说明了这种断裂对土壤力学行为的影响。
关键词：土壤织物/结构; 离岸岩土工程;研究;沙子;土壤性质;三轴试验。
引言：碳酸盐土壤可以定义为碳酸盐矿物，最常见的是碳酸钙占主导地位，因此常被称为钙质沉积物。Fookes（1988）给出了这些土壤的工程地质学的综合介绍。它们有各种有机起源，珊瑚礁也许是其中最明显的。然而，它们也可以由非有机的方式形成，例如通过富含碳酸盐的水化学降解形成的。碳酸盐土壤近年来受到相当广泛的关注（Demars＆Chaney，1982; Jewellamp;Andrews，1988; Jewell＆Khorshid，1988），其主要是由于热带浅海环境中矿产储量开发的推动，如澳大利亚西北架和低音海峡。在这些地区最常遇到的土壤具有生物碎屑灰起源，主要由骨骼体如小生物壳的沉积形成。它们的粒子的性质导致这些土壤表现出一些不寻常的力学特性，而Semple（1988）已经对当前的知识进行了调查。特别地，它们具有高摩擦角，这是由于它们的角度沉降颗粒的互锁所引起的。
Golightly＆Hyde（1988）观察到摩擦角在高应力下降低，Datta等（1979）认为这是颗粒破碎的结果。它们的高初始空隙率特性经常被提及，这往往归因于颗粒的平均性和颗粒内空隙的频率。生物来源的碳酸盐砂，由于其微细的壳粒子断裂，往往会以高应力粉碎。这与原来松散的状态一起，在土壤被加载时会导致非常高的压缩性。在各向同性应力下,Carter等（1988）指出，如果被采用的高压超出1MPa，对于胶结碳酸盐砂，压缩线将会成为一条直线，在比容（v）和有效应力的对数（Ln plsquo;）的坐标轴下。
各向异性的压缩数据从Airey等 (1988)表明一条类似的正常压缩线可能存在在高应力下的碳酸盐岩土壤，但由于他们的测试仅在标准实验室压力下，所以这些不能被清楚认定。在剪切过程中，土壤的高压缩性导致其在相对温和的应力下从膨胀型到压缩型的过渡（Datta 等1980）。Carter等人发现其在更高的应力下伴随着剪切的压缩。Giolightly＆Hyde（1988）继续非常高轴向应变，往往超出了测试终止的地步。因此，有很少的尝试去确定了临界状态线。Burland认为，虽然临界状态在应力方面可以很好的定义，但其在空隙率的方面的定义不太清楚。
碳酸盐土壤经常是自然的胶结，这一过程经常与沉积重合。它是一个改变力学行为的特征，因为无法将胶结的影响与颗粒破裂区分开来，会使三轴试验结果的解释复杂化。因为在评估胶结之前必须完全理解这些行为，故本文所描述的工作集中对未经胶结的土壤。
这些特征导致碳酸盐砂通常被认为是特殊的土壤，其行为合理化常常被认为不合理。由于缺乏对其基本应力-应变行为的认识，使得在理解这些土壤基础的行为方面造成了困难。本研究的目的是通过三轴测试来检验非胶结碳酸盐砂的基本行为。 这是由BP主办的一个更大的研究计划的初始阶段，旨在了解碳酸盐土中摩擦桩的行为。
材料的使用
三轴试验主要采用来自爱尔兰共和国西部的狗湾沙滩的沙。Evans（1987）从BP公司开始的一项探索中发现了这类沙子，它是UK实验室岩土研究合适并可用的碳酸盐砂的来源。 它是一种生物碳酸盐砂，主要由有孔和软体动物壳构成。 Houlsby等（1988）测试了其碳酸钙含量约为88-94％。 Evans（1987）从沙丘环境中收集了土壤，如图1所示其颗粒相对不间断。通过将土壤倒入水中制备试样，这导致了颗粒的不同层次，许多颗粒是细长的，其中也能明显发现一些中空颗粒。 这种砂的典型级配曲线如图2所示。
Houlsby等人广泛使用了狗湾沙（1988）在一系列实验室模型桩试验中，Golightly＆Hyde（1988）研究了各种碳酸盐土的力学行为。 其丰富的供应确保了本文中描述的广泛程序中测试试样的重复性，这是一个重要因素，因为由于颗粒破碎，每个试样只能测试一次。
实验步骤
薄切片和分级分析
在三轴测试之前和之后，薄截面由各种狗湾砂试样制成。将试样干燥，然后用用丙酮稀释的环氧树脂浇注树脂浸渍以改善其渗透性。稍微抽真空来帮助将混合物吸入土壤。然后通过硬化试样垂直切割薄片。在三轴基座上对最松散的试样进行干燥和浸渍。发现已经受到高应力的那些试样，即使在干燥之后仍然存在一定的的凝聚力，这可能是由角度颗粒的互锁引起的。这些试样承受温和的处理后浸入树脂浴中。在交叉偏振光下检查薄片，但本文中提出的三张照片均采用纯白光。
狗湾砂中的颗粒容易被压碎，并且必须非常小心地进行分级。采用湿法筛选技术，即在筛子上冲水，使之成为砂子过筛的唯一方式。
三轴试验
城市大学的Atkinson等人（1985）利用微机控制的应力路径元件中进行了在700kPa的围压下的三轴试验。他们构建了能够达到8MPa的围压的第二自动围压室，以研究在更高的应力下土壤的行为。Bishop＆Wesley（1975）使用的液压三轴元件是标准应力装置，而Atkinson＆Evans（1985）将吸头将顶板直接连接到内部轴向负载传感器。试样在各向同性压缩下的连接使其能够在此阶段进行轴向应变测量，并确保随后的轴向压缩可以忽略床层误差。通过安装在元件外部的传感器测量轴向应变，从而对内部荷载传感器的顺应性进行校正。轴向应变的测量在剪切的初始阶段一直到产生大应变时是准确的。测量该应力的精度约为该装置中特定试验的最大读数的plusmn;2％。
高压装置采用更标准的轴向装载装置，其中装载压头穿过元件的顶部并连接到外部荷载传感器。测量的轴向力对冲击器与其在单元顶部的O形密封圈之间的摩擦的影响进行了校正。在每次测试之前和之后检查这种校正之后发现这个结果是可重复的。因此可以认为测量轴向力的精度约为plusmn;3％。之后将轴向柱塞的尖端加工成平坦的，并加载到平坦的顶部压板上。因此，在两个装置中，顶部压板是非旋转的，并且假设试样在试样内是均匀的。在进行其他测试时使用球接头连接，允许顶板旋转;这些测试由于试样的倾斜和不稳定性得出的数据并不一致。
再次从外部测量高压系统的轴向应变，从而对在改变的围压下对元件的膨胀或收缩进行校正。这些测量的精度与标准设备的精度相似。在高压设备的各向同性压缩阶段，不测量轴向应变，但剪切开始时试样的新长度可以估计为在它与顶部压板接触后带有轴向载荷的突起约 0bull;2 mm的精度。当将压头与顶部压板配合时，压头通过液压缸被推入元件中，压力可由计算机控制。对这种操作使用这种应力控制系统可以减少对试样的干扰。虽然精确测量了轴向应变，但在开始加载时，如果柱塞端和顶板之间的不对准将对剪切初始阶段的应力---应变数据产生一定的影响。
高压系统的围压和孔隙压力测量与标准系统的精度相似。这两种仪器都使用Imperial College体积计，体积应变的精度与轴向应变的精度相似。通常，如Bishop＆Henkel（1962）所述，通过缓慢地将沙子直接浸入保持在基座上的适当位置的膜中而以尽可能松散的状态产生直径为38mm的试样。在定位顶部压板之后，使用滴定管在去除模具时对孔隙水施加约8kPa的吸力。对于高压试验，将两个额外的标准膜放置在试样上以防止角颗粒刺穿。
在淹没试样并抽真空约30分钟使沙子脱气，之后使用高达500 kPa的反压可以保持饱和度。在所有情况下，在各向同性压缩阶段开始之前须获得大于95％的B值。（Skempton，1954）。
这两个系统都能够执行排水轴向压缩试验，其遵循具有恒定平均有效应力p的应力路径，其中:
其中q为偏应力，sigma;a为有效轴向应力，sigma;tau;为有效径向应力。通过将围压降低到轴向应力增加率的一半来实现等p应力路径。等p路径是特别有用的测试类型。对于所有类型的轴向压缩试验，在应力--应变曲线中，早期刚性阶段保持轴向应力变化率的控制，后期将加载切换到常规轴向应变控制。
在测定的试样体积和使用的干土的重量时，对土壤的比容（v = 1 e）进行估算。每次测试后测量含水量，并且考虑到测量的体积应变，在数据分析中使用了这两个特定体积的平均值。利用用Golightly＆Hyde（1988）所描述的方法，发现土壤的比重为2.71。
在计算剪切过程中的轴向应力时，通常假定试样保持标准的圆柱形状，从而通过测量的轴向和体积应变计算试样的当前截面面积。对于一些碳酸盐砂的三轴试验，需要非常大的轴向应变来使土壤达到最终的破坏或临界状态。因此，这些试样在剪切结束时显示明显的筒状，这对轴向应力计算产生了一些不确定性。筒状是一个问题，这使得在更小的应变下就能达到最终状态，但这些测试之间的数据的一致性良好，说明试验数据是可信的。在所有情况下，利用自然应变来呈现测试数据。这些已经通过测量的线性应变El来计算
压缩和破裂
表1给出了每个三轴试验的细节。大多数试样在剪切前各向同性压缩，高压试验的数据如图3所示。对于大多数测试的初始松散试样，土壤以特定比容v开始，并在800kPa（即P= 67）处的斜率突然变化。对于初始密度较高的试样，初始比容较小，斜率变化发生在较高应力下。这强调了对高压测试检查曲线两个部分的必要性。
在比容和有效应力的对数组成的坐标轴中，数据组成了一条清晰笔直的压缩线。这种行为与常见的土壤可能预期的行为非常相似。表2给出了线的梯度（A）和位置（N）与其他土壤的比较（见图4）。 N值高表示土壤结构非常松散。 0.335的lambda;值非常高，土壤颗粒在各向同性负荷下破裂的结果将在后面得到证实。对于均匀直径的球形颗粒，其尺寸的变化不会影响整体密度。因此，通常的压缩线不能由于颗粒尺寸本身的减小而产生，而是由于颗粒角度的降低和细颗粒的比例的增加而引起的。颗粒内空隙的损失可能仅占总体积减少的一小部分，因为如Golightly＆Hyde（1988）所示，它们仅占该土壤空隙的4-6％。0.335的lambda;值明显高于Carter等人研究澳大利亚西北架的胶结土得到的各向同性载荷下土壤颗粒断裂的0.18-0.24的介值。这可能是因为狗湾沙的分级更加统一，导致了较高的初始比容。
相比之下，卸载--加载膨胀线表示非常刚性，有弹性的行为，K值只有0.0075。对于各种碳酸盐沉积物测量的K值几乎没有什么变化。Airey等人对于非胶结的低音海峡砂得到了K值为0.006。Carter等人对于他们经过胶结的砂得到了K值为0.0065。表2显示，这些比粘土土壤的值略低。低值显然是颗粒不能“未破坏”的事实。
在每个压缩线的最后，有一个小的垂直部分，这表示在主要压缩完成之后的蠕变。各向同性压缩阶段分别进行了几天，该特征不能由不完全的初始固结引起。对于其他土壤（例如参见Leroueil等人，1985），存在明显的蠕变意味着在正常压缩线中，N的位置受测试速度的影响。
蠕变将土壤的状态移动到正常压缩线以下，使得目前处于其最大固结应力的试样将在稍微超固结的状态下开始剪切，同时也意味着在各向同性加载完成后的几天内，剪切不应该开始。对于不排水的测试，这个问题特别严重。由于土壤在卸载过程中呈现刚性，如果试样无法排水，则微小程度的蠕变会导致孔隙压力的大幅增加。
图3（a）显示了各向同性压缩数据的一些散射，这是由于难以准确测量这些土壤的含水量。为了减少对后续剪切阶段的分析，已经调整了已经达到正常压缩线的每个试样的比容，使得在初级固结结束时，它位于所选择的理想的正常压缩线上。然后在每种情况下，在初始固结之后由于蠕变导致的测量的比容减少。
两个各向同性压缩曲线(K和P)如图3(a)所示。用于在冲洗过程中通过温和夯实产生的压实试样。它们的各向同性压缩线在达到预固结压力之前显示出体积的显着降低，并且它们最终变得渐近于初始松散试样的正常压缩线。Vesic＆Clough（1968）已经观察到硅砂的类似行为，Atkinson＆Bransby（1978）发现紧密砂的行为为类似于过度固结粘土的行为。
正常的压缩线是由于颗粒断裂造成的，而压密的试样的颗粒在土壤达到正常压缩线之前断裂，因此它们大于适合于土壤开始膨胀的线。所以压实试样的第一次加载压缩线与真正超固结的试样的非常刚性，弹性的卸载-重载线非常不同。最初松散的试样也显示出明显弯曲的压缩线，与初次加载的压缩线类似，但是在较低的压力下达到正常的压缩线，使得曲率较不显着。很明显，第一次加载期间颗粒破碎的发生是逐渐的，没有明显的屈服应力。在重新加载时，当达到正常压缩线并且再次开始颗粒破裂时，总是有非常明显的屈服应力。
如表1所示，一些三轴试验研究了狗湾砂的一维压缩行为。在计算机控制下通过在轴向应力增加时调节围压来实现Ko压缩，从而保持测量的体积应变等于轴向应变。 Ko压缩数据如图3所示。它们位于各向同性正常压缩线的下面并与之平行，就像粘土那样。
图5中给出了q：p坐标轴下的标准压力和高压的Ko压缩数据。 Golightly（1989）发现，一些碳酸盐岩的Ko值随应力水平增加而增加。然而，图中所示的数据5覆盖了更大的压力范围，并且在测试的整个应力范围内，无论土壤是否
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