本文是一篇工程硕士论文，本文以南海某岛礁珊瑚砂为研究对象，进行了室内基本物理试验，获得了珊瑚砂基本物理性质；通过常规三轴固结不排水试验，分别就颗粒尺寸和试样尺寸两个影响因素对珊瑚砂砾的尺寸效应展开了分析讨论，探究尺寸效应对珊瑚砂砾三轴剪切特性的影响；在大量试验数据的基础上，对不同粒径珊瑚砂砾在不同相对密实度、试样尺寸的抗剪强度指标进行系统总结。
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
党的十八大报告提出“海洋强国”的战略部署，2013 年习近平总书记提出“一带一路”伟大战略构想[1][2]，南海作为“海上丝绸之路”的重要区域，具有重要的经济战略地位。南海海域矿产资源极其丰富，石油资源约为 550 亿吨（取预测中位数数据），南海对于我国经济社会的发展具有得天独厚的作用，是实施“一带一路”战略构想的关键支点。不仅如此自党的十八大以来，习近平主席关于国防和军队的改革做出重要指示，坚定的走中国特色强军之路，南海位于中国领土的最南端，是国防战略部署的重中之重。从党十六大提出推行“海洋开发战略”，一直到党的十八大 “海洋强国战略”，都体现了南海对于我国发展的重要战略性地位，基于此以岛礁建设为依托，对南海地区岛礁的开发利用，是我国发展海洋经济的一项重要措施。目前，我国南海吹礁造岛以及工程设施建设正在开展且有些已经完成，南海的岛礁是以珊瑚礁为基础，珊瑚礁是由海洋中的珊瑚、贝壳和海藻等生物群体遗骸经过长期的风化、生物作用形成的岩土体。2013 年，以武汉岩土力学研究所和南海研究所组成的团队，对西沙群岛中的某岛礁进行钻探[3]，发现总体上珊瑚礁分为两层，下部是坚硬的礁灰岩，上部地面大部分是珊瑚断肢和由贝壳、珊瑚等长期形成的砂砾构成的珊瑚碎石层[4]，其中粒径小于 2mm的砂砾称作珊瑚砂。南海岛礁上分布着广泛的珊瑚砂，在岛礁建设中，珊瑚砂是吹填造岛以及岛礁基础设施建设的重要土工材料，珊瑚砂的矿物组成成分是文石和高镁方解石，珊瑚砂中的 CaCO3 的含量大于 50%[5]，故也称作钙质砂，而我国南海海域的珊瑚砂的CaCO3 含量更是高达 90%以上。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 岩土尺寸效应影响因素研究现状
1.2.1.1 颗粒尺寸效应
在进行土力学研究时，原位试验是最直接体现岩土材料本身性质的试验类型，但考虑到实际情况的局限性，科研工作者们只能对其进行室内试验，试样本身比实际的土体体积小。当试样缩小时，则不能反映土体实际的力学性质。通常对于尺寸效应的研究可以分为两种，一种是颗粒尺寸效应，另一种是试样尺寸效应，两种因素都对尺寸效应产生影响。由于粗粒土的粒径较大且粒径分布较广，因此针对尺寸效应的研究多为粗粒土。
Marachi 等[10]人对 Oroville 坝的堆石料进行尺寸效应研究，筛分出粒径较大的颗粒，把较细颗粒作为研究对象。试验结果表明，堆石料的内摩擦角随着试样最大粒径的增大而减小。目前在堆石料尺寸效应的研究中，有学者认为不应该剔除粗粒径颗粒，通过简单的剔除超径的方法会导致细颗粒的相对含量增加，没有还原堆石料原本的颗粒级配，从而改变其力学性质。Marachi[11]在另一篇文章中指出，在相同密度下，抗剪强度指标随粒径增大而减小，但也有研究指出抗剪强度与粒径大小无关[12]。
郭庆国（1982）[13]为探究试样颗粒与试样尺寸比值关系所引起的尺寸效应，使用三种不同尺寸的试样，对八种级配不同的粗粒料进行三轴剪切试验。通过大量的试验结果，得出试样直径和试样颗粒粒径的比值对粗粒料的抗剪强度存在影响，并确定了粗粒料试样直径以及最大粒径比值的适用范围。
Yukoi NAKATA（2001）[14]对各种砂的单颗粒材料进行了一维压缩和单颗粒破碎试验，得出一维压缩屈服时的应力与颗粒尺寸和单颗粒抗压强度相关的结论，且应力屈服点和压缩指数随着颗粒尺寸的增大而逐渐减小。
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第二章 珊瑚砂砾的基本物理性质
2.1 引言
本次试验取自南海某岛礁珊瑚砂砾作为试验材料，具有代表性，可作为南海岛礁建设工程资料依据，具有一定的工程实际意义。对珊瑚砂展开室内基本物理性质试验，以SL 237-1999 土工试验规程[45]为参考标准，鉴于珊瑚砂不同与陆源砂的特征，本次试验步骤和方法做了相关适用性改变。本章主要开展了珊瑚砂砾的颗粒分析试验、比重试验、相对密实度试验。颗分试验是为了探究珊瑚砂粒径分布、级配是否良好的情况，并且获取适合珊瑚砂颗粒筛分的最佳时间。比重试验是为了获得颗粒的孔隙率、饱和度等试验依据。相对密实度试验是为了测定珊瑚砂的最大和最小干密度，为室内试验以及工程实况提供试验参数。
根据 SL237-1999 土工试验规程[45]，筛分法适用于粒径大于 0.075mm 粒径的土，筛分的时间取 10~15 分钟。鉴于珊瑚砂不同于陆源砂，具有特殊的颗粒形状、易破碎的物理性质，取试样原样利用筛分法颗粒分析试验。珊瑚砂粒径一般在 40mm 以下，本次试验所取珊瑚砂粒径在 0.075~10mm 之间，先对原样进行初筛，5~10mm 粒径珊瑚砂的含量很少，故先筛除粒径大于 5mm 以上的颗粒，再将原样进行风干，按土工试验规程，对于粒径 10mm 以下的砂，取 300~1000g。本次试验选取砂的质量为 600g，所用振筛机为顶击式振筛机如图 2.1 所示，选用标准筛直径大小为 200mm，孔径大小依次为 10mm、5mm、 2mm 、1mm、0.5mm 、0.25mm、0.075mm。
图 2.1 顶击式振筛机
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2.2试验材料和方案
2.2.1试验材料
试验所用的材料取自南海某岛礁，将粒径小于 5mm 的珊瑚砂砾放到恒温为 105 摄氏度的烘箱中进行烘干，烘干时间为 12 个小时，然后将其筛分成单一粒组的砂样，根据第二章的基本物理性质的确定，用振筛机将砂样按照小于 0.075mm、0.075-0.25mm、0.25-0.5mm、0.5-2mm、2-5mm 粒径区间进行筛分，将筛后的单一粒径的砂用密封袋保存，使试样保持干燥的状态。为了分析珊瑚砂砾颗粒尺寸效应，对粒径不同珊瑚砂砾开展相对密实度分别为 50%、70%和 90%的三轴压缩试验。依据第二章最大干密度和最小干密度的试验结果，通过公式（3.1）计算出不同粒组在不同相对密实度下的干密度，结果如表 3.1。
表 3.1 不同相对密实度下的干密度
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第三章 珊瑚砂砾三轴强度变形的颗粒尺寸效应....................................17
3.1 引言........................................17
3.2 试验材料和方案.............................................. 17
第四章 珊瑚砂砾三轴强度变形的试样尺寸效应............................................33
4.1 引言................................................33
4.2 试验方案............................................33
第五章 珊瑚砂砾三轴剪切强度指标..................... 48
5.1 三轴剪切强度取值方法..................................... 48
5.2 不同相对密实度下强度指标范围............................... 51
第五章 珊瑚砂砾三轴剪切强度指标
5.1 三轴剪切强度取值方法
在实际工程中，土的强度计算标准很多，采用合理的破坏标准尤其重要。通常按照规范要求，当试样出现应变软化时，把偏应力的峰值或者有效应力比的峰值作为破坏点，当试样产生应变硬化时，没有峰值出现，取轴向应变为 15%时对应的大小主应力值作为破坏点。国外有时也将孔压的峰值作为破坏点的取值。
在三种固结排水剪切试验中 u=0，因此在这种剪切方式下，对用两种峰值作为破坏点的取值方式，得到的结果相同，对其强度指标不会有影响。但是在 CU 剪切试验中，因孔隙水压力的存在，主应力差的峰值和主应力比峰值两种不同的取值标准，会导致其计算的强度值存在差别，因为在不排水试验中存在孔压，本次试验结果中有效应力比的峰值通常出现在偏应力峰值的之前。
珊瑚砂砾在固结不排水试验中，孔压在轴向应变很小时就达到峰值，然后缓慢降低，而剪应力则是快速增加，按照双曲线的路径缓慢上升达到峰值，从上一章应力路径的图中可以看到，达到临界状态线 CSL 时，则表示试样开始发生破坏，当应力路径弯曲或者停滞不前时，证明试样已经完全破坏。
考虑到工程的实用性，分析偏应力峰值、有效应力比峰值、以及孔压峰值三种破坏点的取值方式中哪种更适合珊瑚砂砾。表 5.1 选取 0.075-0.25mm 的珊瑚砂，在固结不排水剪切试验中，不同围压下各个峰值点以及达到临界状态线点对应的轴向应变值，明显看到有效应力比峰值早于偏应力峰值，孔压峰值 在有效应力比峰值前。当试样达到临界状态线时，试样开始发生破坏，随后试样达到临界状态线，并随着临界状态线继续爬升，直到试样完全破坏。如表 5.1 所示，孔压达到峰值不久后，试样就达到了临界状态线，孔压达到峰值对应的轴向应变在 1%左右，还未开始发生破坏，因此对于珊瑚砂砾这种特殊的土体材料，以孔隙水压力峰值作为珊瑚砂砾破坏点取值的方法并不合理，安全储备较大，不经济且不合理，所以不予考虑。
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第六章 结论与展望
6.1 结论
本文以南海某岛礁珊瑚砂为研究对象，进行了室内基本物理试验，获得了珊瑚砂基本物理性质；通过常规三轴固结不排水试验，分别就颗粒尺寸和试样尺寸两个影响因素对珊瑚砂砾的尺寸效应展开了分析讨论，探究尺寸效应对珊瑚砂砾三轴剪切特性的影响；在大量试验数据的基础上，对不同粒径珊瑚砂砾在不同相对密实度、试样尺寸的抗剪强度指标进行系统总结。主要研究结论有：
（1）筛分法测试颗粒级配曲线时适合珊瑚砂的最佳振筛时间为 15~20min；珊瑚砂砾的最小干密度随粒径增大而减小，珊瑚砂砾的最大干密度呈现出先减小后增大的规律，在 0.5-2.0mm 粒径区间内出现谷值。
（2）以四个不同粒径组（0.075-0.25mm、0.25-0.5mm、0.5-2.0mm、2.0-5.0mm）珊瑚砂砾为研究对象，在 50%、70%、90%相对密实度和不同有效围压下，进行三轴固结不排水剪切试验。随着粒径的逐渐增大，应力-应变关系曲线逐渐从应变软化向应变硬化转换，粒径越大，偏应力峰值越低；随着粒径的增大，试样的剪胀性逐渐减弱。
（3）不同粒径的珊瑚砂砾抗剪强度指标不同，似黏聚力在 0.5-2.0mm 粒径区间出现峰值，变化规律呈现出倒“V”型，而内摩擦角 ，则规律相反；临界状态线主应力比 M 值随粒径增大逐渐增大。
（4）开展了相对密实度为 70%的珊瑚砂砾在不同试样尺寸的三轴固结不排水剪切试验。不同试样尺寸大小的珊瑚砂砾其应力-应变曲线关系基本一致，应变硬化和应变软化特征不随试样尺寸变化而发生改变；试样尺寸越大，珊瑚砂砾的剪胀性越明显。
（5）整体而言，随着试样尺寸的增大，内摩擦角变化不明显，而似黏聚力逐渐减小，基于工程安全储备的考虑，大试样所测抗剪强度参数更为准确可靠；试样尺寸的差异对珊瑚砂砾的临界状态线存在影响，对粒径小于 2.0mm 的珊瑚砂，试样越大临界状态线 CSL 的斜率 M 值就越小；试样越小，相对破碎率 越高。
（6）以偏应力峰值作为破坏点计算所得似黏聚力高于以有效应力比峰值作为破坏点的结果，而内摩擦角结果相反。认为可使用有效应比的峰值作为珊瑚砂砾在三轴固结不排水剪切试验中最佳破坏取值点。
参考文献（略）