朱長歧，周 斌，劉海峰

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071；3.中建三局總承包公司，湖北 武漢 430064）

1 引言

1968年在阿拉伯灣海洋平臺(tái)施工中，樁基穿過膠結(jié)鈣質(zhì)土層時(shí)發(fā)生了自由下落7.5 m 的事故[1]。1982年位于澳大利亞西北大陸架，意外地出現(xiàn)了打樁阻力過低的現(xiàn)象，當(dāng)時(shí)1.8 m 直徑的基樁在自重作用下自由下落達(dá)60 m，這就預(yù)示著樁身摩阻力可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)要求[2]。事故的出現(xiàn)與處理促進(jìn)了人們對(duì)鈣質(zhì)土尤其是天然膠結(jié)鈣質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)的深入研究。

研究發(fā)現(xiàn)，這些大陸架上的沉積物多為生物碎屑沉積，具有高孔隙比、顆粒易破碎且膠結(jié)不均勻等特征。膠結(jié)是由于碳酸鹽的析出及碳酸鹽質(zhì)晶體生長引起的，具有極其無序的特征，使得在較小的范圍內(nèi)土的強(qiáng)度、密度和膠結(jié)度都會(huì)呈現(xiàn)出明顯的各向異性，常常出現(xiàn)強(qiáng)膠結(jié)層中包裹完全松散層的現(xiàn)象。

自1980年中后期開始，已有多位學(xué)者相繼開展了天然膠結(jié)鈣質(zhì)土力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)研究工作[3－6]，這些研究工作均強(qiáng)調(diào)了膠結(jié)度的重要性以及密度和膠結(jié)度極大的空間各向異性[7]。同時(shí)，天然膠結(jié)鈣質(zhì)土的結(jié)構(gòu)性敏感，取樣時(shí)極有可能遭到破壞，再加之海上獲取原狀試樣以及進(jìn)行原位測(cè)試的成本巨大等原因，都給全面進(jìn)行天然膠結(jié)鈣質(zhì)土的性狀研究帶來了困難。因此，人們開始關(guān)注采用合適的人工膠結(jié)劑制備膠結(jié)試樣來開展對(duì)人工膠結(jié)鈣質(zhì)土的物理力學(xué)性質(zhì)的研究。最常采用的膠結(jié)劑就是水泥[8]或石膏[9]等通用膠結(jié)材料，通過改變膠結(jié)劑的加入量來調(diào)整膠結(jié)強(qiáng)度。但研究表明，這種細(xì)顆粒狀膠結(jié)劑的加入會(huì)改變土的級(jí)配和礦物組成，進(jìn)而影響土的密度及其應(yīng)力-應(yīng)變行為。同時(shí)，此種試樣制備方法的另外一個(gè)問題是，要使試樣達(dá)到天然結(jié)構(gòu)性土的密度和強(qiáng)度，通常的做法是要將混合物在很高的壓力下壓密，而高壓會(huì)引起顆粒的破碎進(jìn)而影響其后續(xù)的響應(yīng)，導(dǎo)致人工制備試樣的力學(xué)行為與天然原狀試樣間存在較大的差異。

為了制備出更加相似的人工膠結(jié)試樣，Ismail等[10]開發(fā)出了一項(xiàng)被稱為CIPS 的膠結(jié)試樣制備技術(shù)，通過在土粒上沉淀一層方解石使土粒間相互膠結(jié)，從而制備出膠結(jié)試樣。其優(yōu)點(diǎn)是膠結(jié)劑的化學(xué)成分與天然膠結(jié)鈣質(zhì)土相同，同時(shí)可以制備出大孔隙比、高強(qiáng)度試樣，使得膠結(jié)鈣質(zhì)土的研究向前推進(jìn)了一大步。

我國的南海島礁上廣泛地分布著天然膠結(jié)鈣質(zhì)土[11－16]，隨著我國國防建設(shè)及海洋資源開發(fā)進(jìn)程的加快，開展南海天然膠結(jié)鈣質(zhì)土的巖土工程特性研究迫在眉睫，因此，對(duì)膠結(jié)鈣質(zhì)土的室內(nèi)研究進(jìn)展進(jìn)行必要的總結(jié)歸納，必將對(duì)我國此領(lǐng)域的研究工作的開展具有指導(dǎo)和借鑒意義。

2 天然膠結(jié)鈣質(zhì)土

鈣質(zhì)土即是以碳酸鹽礦物（主要為碳酸鈣）為主要成分的土類，鈣質(zhì)土含有大量的海洋植物與動(dòng)物遺骸，其分布范圍覆蓋了大陸架的50%、深海平原的一半以上以及陸坡及其上升區(qū)的一部分，就全球而言，有超過55%的海床為鈣質(zhì)土所覆蓋。其中有膠結(jié)的鈣質(zhì)土層呈不規(guī)則狀分布于其中。

我國目前發(fā)現(xiàn)的天然膠結(jié)鈣質(zhì)土（南海海灘巖），是指形成于熱帶、亞熱帶珊瑚島礁砂質(zhì)海灘的潮間帶內(nèi)、由碳酸鹽（主要是碳酸鈣）膠結(jié)海灘鈣質(zhì)沉積物而成的一種海岸帶碳酸鹽膠結(jié)巖；是一種低溫，低壓膠結(jié)而成的巖類，從巖石學(xué)及工程分類角度上說是許多種碳酸鹽膠結(jié)巖類的一種[17－19]，其砂屑顆粒大小從砂至礫或更大，分選差，顆粒扁長，顆粒越小磨圓越好。生物組分主要為紅藻、珊瑚、綠藻，珊瑚藻、有孔蟲及少量棘皮等；顆粒礦物組成以文石、方解石為主，占到90%以上。

其膠結(jié)物通常也為高鎂方解石和文石[20]。膠結(jié)類型多為接觸式及鑲嵌式膠結(jié)；孔隙類型主要為粒間孔、溶蝕孔、生物體腔孔和少量粒內(nèi)溶孔、鑄?？?，孔隙連通性較好。

據(jù)報(bào)道，印度洋某地海灘巖的膠結(jié)速度極快，可以在10～15年內(nèi)膠結(jié)成巖[21]。我國的天然膠結(jié)鈣質(zhì)土均為全新世產(chǎn)物，形成年齡為1 660～15 980 BP。塊體密度為1.33～2.17 g/cm3；顆粒密度為2.71～2.75 g/cm3；滲透系數(shù)為4.62×10-3～5.41×10-3cm/s[16]，澳大利亞NRA 平臺(tái)場(chǎng)地獲取的天然膠結(jié)鈣質(zhì)土滲透系數(shù)為 10-6～ 10-4cm/s，前者的滲透系數(shù)是后者的50 倍以上，這也反映出天然膠結(jié)鈣質(zhì)土區(qū)域上的差異性。

3 天然膠結(jié)鈣質(zhì)土的室內(nèi)試驗(yàn)研究

3.1 試樣制備及試驗(yàn)方法

由于試樣結(jié)構(gòu)極易受到擾動(dòng)以及受到海上取樣成本高昂等客觀因素的影響，天然膠結(jié)鈣質(zhì)土的室內(nèi)試驗(yàn)研究工作不很普遍，主要系澳大利亞、美國、意大利及伊朗等國的學(xué)者開展了相關(guān)的研究工作，我國也于近期開始了此項(xiàng)研究。試樣主要取自于澳大利亞西北大陸架的NRA 平臺(tái)場(chǎng)區(qū)、阿拉伯灣、意大利的巴里島以及我國的南海島礁等地，按著相關(guān)的工程分類法該天然膠結(jié)鈣質(zhì)土均定名為生物砂（礫）屑灰?guī)r。

已經(jīng)開展的試驗(yàn)研究手段主要有各向等壓固結(jié)試驗(yàn)、常規(guī)排水及不排水三軸試驗(yàn)、循環(huán)加載三軸試驗(yàn)、應(yīng)力路徑試驗(yàn)以及抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)等。三軸試驗(yàn)主要采用Bishop&Henkel 位移控制式三軸儀，圍壓采用伺服控制可以維持5 MPa，采用鋼制壓力室，可以對(duì)試樣失穩(wěn)段的應(yīng)力-應(yīng)變行為開展研究[22－23]。也有的三軸試驗(yàn)采用Wykeham Farrance 高壓土三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，垂向加載范圍250～2 000 kN，最大圍壓15～35 MPa[6,24]。為了減小外部軸向測(cè)量數(shù)據(jù)受系統(tǒng)誤差的影響[25]，也有的三軸試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)的Bishop&Wesley 應(yīng)力路徑壓力室，該壓力室裝備有測(cè)斜儀，使得剛度測(cè)試值更為可靠。

由于試樣結(jié)構(gòu)在空間上的各向異性，為了盡量減小數(shù)據(jù)的離散性，在進(jìn)行三軸試樣粗加工時(shí)，可將試樣端部切掉的部分加工成密度及抗拉強(qiáng)度試樣。成型后的三軸試樣采用細(xì)砂紙打磨修整，盡量減少膠結(jié)結(jié)構(gòu)的破壞程度，由于試樣表面仍相對(duì)的粗糙，為了防止橡膠膜被刺穿，常用的措施是在試樣的側(cè)面涂上乳膠，多數(shù)情況下采用2 層以上的橡皮膜包裹試樣；或采用土工織物及其他的軟質(zhì)橡膠片包裹試樣，并將包裹物縱向切開，減小其對(duì)試樣剛度及強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)前還要對(duì)橡皮膜的影響進(jìn)行率定。

關(guān)于試樣的飽和方法也有2 種截然不同的觀點(diǎn)，一種認(rèn)為，采用真空飽和法，因?yàn)楫?dāng)氣體自試樣逸出時(shí)膨脹的氣泡會(huì)將細(xì)粒物質(zhì)從試樣中帶出，建議采用給試樣兩端加負(fù)壓的方法進(jìn)行試樣飽和，液體選用天然海水或?qū)ｉT配制的鹽水；另一種則認(rèn)為，采用Bressani 等[26]提出的干法真空飽和技術(shù)，首先對(duì)干燥試樣抽真空幾分鐘，然后讓水從試樣底部浸透試樣，并在水中保持真空12 h，采用此方法飽和的試樣能使孔隙水壓力系數(shù)B 值大于0.98，相比其他方法可以獲得更高的B 值。

3.2 各向等壓固結(jié)特性

門檻值后會(huì)產(chǎn)生較大的體變，壓縮曲線的斜率均趨于λ=0.18～0.24，該值與顆粒破碎特性和相對(duì)較高的孔隙比有關(guān)。門檻值前后的相對(duì)壓縮性 λ/k值為30 左右。

各向等壓條件下門檻值的大小與試樣干重度（γd）間為近似的線性關(guān)系，干密度越大，門檻值越高（在其他應(yīng)力狀態(tài)下，如一維固結(jié)或K0固結(jié)條件下該關(guān)系不一定成立）。非各向等壓固結(jié)條件（如=0.3 及0.4）下，門檻值為1～2 MPa，與干重度間不存在明確的相關(guān)關(guān)系[6]。門檻值的大小與膠結(jié)結(jié)構(gòu)的破壞特征及顆粒本身的破碎有關(guān)[27]。

Lagioia 等[22]認(rèn)為，門檻值后顆粒的骨架結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生崩解并伴隨著粒間膠結(jié)的破壞，會(huì)表現(xiàn)出各向等壓下的軟化現(xiàn)象（應(yīng)力衰減），經(jīng)過一段時(shí)間后，材料將再次獲得剛度，雖然沒有初始剛度那樣大，其行為與原狀土類似。但也有試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，某些膠結(jié)強(qiáng)度較高的天然膠結(jié)鈣質(zhì)土的門檻值并不位于松散鈣質(zhì)土的正常壓縮直線上，且與人工膠結(jié)鈣質(zhì)土的正常壓縮線也不再重合。

根據(jù)Yamamuro 等[28]的研究成果，等向壓縮過程中的顆粒破碎現(xiàn)象可以由壓縮曲線的下彎段來識(shí)別。目前，還沒有其他公認(rèn)的方法能從等向壓縮曲線上鑒別出顆粒破碎現(xiàn)象。同時(shí)，膠結(jié)劑含量及密度對(duì)各向等壓過程中的顆粒破碎的影響也還尚未得到徹底的研究。因此，對(duì)門檻值的力學(xué)機(jī)制的研究工作尚待深化。

3.3 三軸剪切特性

三軸壓縮條件下，天然膠結(jié)鈣質(zhì)土的最顯著的特點(diǎn)是存在一個(gè)恒定壓力下的結(jié)構(gòu)破壞階段，結(jié)構(gòu)破壞段的起始點(diǎn)有明確的定義，這樣使得對(duì)材料的行為的描述變得相對(duì)簡(jiǎn)單。一般說來，可以將應(yīng)力-應(yīng)變行為分為3個(gè)階段[22]，如圖1 所示。

圖1 三軸剪切試驗(yàn)（=900 kPa）Fig.1 Triaxial test(=900 kPa)

（1）初始完全可逆的彈性階段（類似于巖石等材料[28]）；

（2）結(jié)構(gòu)破壞階段，此階段應(yīng)力保持恒定不變（由巖石向土性材料的過渡）；

（3）硬化或軟化階段，在p-q′平面內(nèi)其結(jié)束點(diǎn)位于線性的極限狀態(tài)軌跡上（恒壓下，由于顆粒破碎的原因，體應(yīng)變隨著軸向應(yīng)變而增加）（類似于土性材料）；

屈服后，進(jìn)入第2 階段，偏應(yīng)力維持不變，但軸向應(yīng)變穩(wěn)定增加。在有伺服控制的條件下，（q=-軸向應(yīng)變（εa）平面內(nèi)應(yīng)力-應(yīng)變曲線會(huì)形成一個(gè)明顯的鋸齒狀臺(tái)階，這一特征想必與膠結(jié)破碎有關(guān)。

在經(jīng)過相對(duì)大的一段應(yīng)變之后進(jìn)入第3 階段，材料產(chǎn)生應(yīng)變硬化或軟化，應(yīng)變量要達(dá)到很大值時(shí)偏應(yīng)力才會(huì)達(dá)到最大值。

整個(gè)過程中不論結(jié)構(gòu)破壞與否，體應(yīng)變始終處于壓縮過程中（甚至于軸向應(yīng)變量達(dá)到35%以上時(shí)還是如此），且直到第3 階段開始，體應(yīng)變-軸向應(yīng)變間都呈線性關(guān)系。這可能是由于鈣質(zhì)土顆粒一直處于破碎狀態(tài)的原因，所以天然膠結(jié)鈣質(zhì)土的應(yīng)力-應(yīng)變行為不可能達(dá)到常規(guī)土力學(xué)意義上的臨界狀態(tài)。

圍壓會(huì)對(duì)天然膠結(jié)鈣質(zhì)土應(yīng)力-應(yīng)變行為產(chǎn)生顯著的影響。研究發(fā)現(xiàn)[22]，當(dāng)圍壓小于400 kPa 時(shí)，結(jié)構(gòu)破壞的門檻值與峰值相對(duì)應(yīng)。圍壓越低，峰值越明顯。同時(shí)峰值后，圍壓越低，剪脹（低壓縮性）越明顯。峰值總是與破裂面（剪切帶）的形成相對(duì)應(yīng)。

壓縮量也隨有效圍壓而增加，但壓縮速率逐漸減小。同時(shí)材料達(dá)到硬化時(shí)的孔隙比基本上是相似的，與圍壓及初始孔隙比的大小無關(guān)，因此，可以認(rèn)為，材料出現(xiàn)硬化行為時(shí)鈣質(zhì)土顆粒彼此呈接觸狀態(tài)。

圍壓大于各向等壓門檻值時(shí)，剪切一開始就伴隨著硬化的產(chǎn)生。其初始剛度相比低圍壓狀態(tài)要小很多，體應(yīng)變隨著偏應(yīng)力而增加，甚至偏應(yīng)力達(dá)到最大值后也是這樣，這可能標(biāo)志著鈣質(zhì)土顆粒處于持續(xù)的破碎過程中。

研究發(fā)現(xiàn)，不排水三軸試驗(yàn)的結(jié)果與排水條件下的試驗(yàn)結(jié)果相似，但彈性區(qū)的邊界不像排水試驗(yàn)?zāi)菢右子诖_定。但隨著側(cè)限應(yīng)力的增加，不排水試驗(yàn)中應(yīng)變會(huì)出現(xiàn)由軟化到硬化的轉(zhuǎn)變。

不排水試驗(yàn)不像排水試驗(yàn)?zāi)菢忧?yīng)力隨剪切模量增加，其屈服應(yīng)力與剪切模量不相關(guān)。且屈服后，試樣形成明顯的劈裂面，偏應(yīng)力明顯減小，同時(shí)應(yīng)力比也減小。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的應(yīng)力始終未達(dá)到最大值，因而也就無法確定出極限狀態(tài)。

應(yīng)力路徑試驗(yàn)結(jié)果顯示，初始階段的剪切行為似乎與應(yīng)力路徑無關(guān)。但其體應(yīng)變行為卻受到應(yīng)力路徑的影響，即使在初始各向等壓階段，其影響也難以與密度及抗拉強(qiáng)度間建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系，Airey[7]認(rèn)為，試驗(yàn)結(jié)果系試樣的均一性、擾動(dòng)程度及蠕變等因素影響的綜合體現(xiàn)。

4 人工膠結(jié)鈣質(zhì)土試樣制備

由于很難獲得足夠量的天然膠結(jié)鈣質(zhì)土平行試樣來進(jìn)行單一參數(shù)的影響研究，因此，人們將注意力轉(zhuǎn)移到人工膠結(jié)鈣質(zhì)土試樣的制備上。大量膠結(jié)巖土材料的試驗(yàn)證明[29]，控制材料力學(xué)響應(yīng)最重要的因素是密度和膠結(jié)強(qiáng)度。因此，礦物組成、密度及膠結(jié)度與天然膠結(jié)鈣質(zhì)土極其相似的人工樣品應(yīng)具有相似的力學(xué)性質(zhì)。最常采用的膠結(jié)劑就是水泥[8]或石膏[9]等通用膠結(jié)材料，通過改變膠結(jié)劑的加入量來調(diào)整膠結(jié)強(qiáng)度。但研究證明，這些細(xì)顆粒膠結(jié)劑地加入會(huì)改變土的級(jí)配和礦物組成，從而影響土的密度。部分研究者采用盡量減小改變級(jí)配的方法來降低對(duì)土的性質(zhì)的影響[9,29]，但至目前，還沒有一個(gè)簡(jiǎn)單的方法判斷膠結(jié)性狀對(duì)土性的專門影響。石膏和其他顆粒膠結(jié)劑的另外一個(gè)問題是，要使試樣達(dá)到天然膠結(jié)土的強(qiáng)度，試樣必須經(jīng)過高壓壓密，然而高壓下顆粒的破碎又會(huì)影響級(jí)配和土的后續(xù)響應(yīng)。同時(shí)高壓下無法制備出孔隙和膠結(jié)結(jié)構(gòu)與天然膠結(jié)鈣質(zhì)土（大孔隙比、高強(qiáng)度等）相似的人工膠結(jié)試樣[29]。

Ismail 等[30]最近開發(fā)出一項(xiàng)稱為CIPS 的新型專利技術(shù)，這種方法是采用沖刷CIPS 液體的方法在土粒上沉淀一層方解石，從而使土粒相互膠結(jié)，連續(xù)沖刷CIPS 溶液使膠結(jié)逐漸增強(qiáng)，直至制備出符合要求的試樣。該方法模擬了地質(zhì)沉積過程，用時(shí)只需幾分鐘或幾小時(shí)。這種技術(shù)對(duì)鈣質(zhì)土膠結(jié)試樣的制備尤其有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槟z結(jié)劑的礦物成分與天然原狀土相同，同時(shí)無需高壓就能制備出高孔隙比及高強(qiáng)度的試樣。每次沖洗膠結(jié)劑的用量依土樣類型而定，例如，對(duì)于純凈石英砂，一次CIPS 的沖洗會(huì)使土的密度增加大約0.5%，對(duì)于均質(zhì)鈣質(zhì)砂增大約3%，對(duì)于粉砂（取自澳大利亞西北部的古德溫附近的近海）增長可達(dá)8%。這些差異系土的比表面積不同地反映。

CIPS 方法中會(huì)加入兩種試劑，試劑混合后會(huì)在顆粒表面生成以方解石形式存在的CaCO3。這一方法實(shí)際上已被開發(fā)成（并且將可進(jìn)一步開發(fā)成）一種環(huán)境友好的灌漿方法，CIPS 方法的優(yōu)點(diǎn)還在于連續(xù)地沖洗下試樣的滲透性會(huì)保持緩慢的降低，這樣就可以進(jìn)行多次的液體沖刷。

通過開展與天然膠結(jié)鈣質(zhì)土、石膏及水泥膠結(jié)鈣質(zhì)土的對(duì)比試驗(yàn)研究[10,31－34]發(fā)現(xiàn)，CIPS 方法制備的試樣可以較好地模擬天然膠結(jié)鈣質(zhì)土的物理力學(xué)行為。Ismail 等[30]的初步研究結(jié)果表明，在給定的密度和強(qiáng)度下，CIPS 制備的膠結(jié)試樣能夠更充分地展現(xiàn)出天然材料的脆性。

4.1 密度、膠結(jié)度及圍壓對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變行為的影響

對(duì)干重度為13～19 kN/m3、膠結(jié)劑含量為0～20%的不同組合條件下的人工膠結(jié)試樣的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)[34－36]，當(dāng)干重度和圍壓一定，但圍壓小于各向等壓的屈服壓力時(shí)，膠結(jié)劑含量的增加會(huì)引起峰值強(qiáng)度和剛度的顯著增長，但剪脹量的增長較小，達(dá)到破壞對(duì)應(yīng)的應(yīng)變量有所減小。而當(dāng)膠結(jié)劑含量一定時(shí)，強(qiáng)度的增加率隨著圍壓和密度的增加而減小。

當(dāng)圍壓大于各向等壓屈服壓力時(shí)，膠結(jié)產(chǎn)生破壞，試樣的應(yīng)力-應(yīng)變行為相似且峰值強(qiáng)度幾乎相等。膠結(jié)度對(duì)體積變形和孔隙水壓力的影響較小。然而，受膠結(jié)性狀的影響，膠結(jié)樣的峰值剪脹率和峰值強(qiáng)度不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，這一點(diǎn)已得到研究證實(shí)[37－38]。

當(dāng)膠結(jié)度和圍壓不變時(shí)，密度的增加會(huì)引起峰值強(qiáng)度的顯著增加，從剪縮到顯著的剪脹再到應(yīng)變軟化，這一演變規(guī)律與表觀超固結(jié)比隨密度增加的規(guī)律是一致的。隨著密度的增加產(chǎn)生剪脹的應(yīng)力范圍變大，不同密度試樣從剪脹到剪縮的表觀超固結(jié)比值幾乎相等，同時(shí)膠結(jié)度對(duì)強(qiáng)度和剛度的影響隨密度增加而減小。

對(duì)松散的可壓縮性土而言，其常規(guī)的力學(xué)行為可以采用臨界狀態(tài)理論加以解釋。然而，在低圍壓（即高表觀超固結(jié)比）下，膠結(jié)土的膠結(jié)效應(yīng)相對(duì)顯著，此時(shí)的力學(xué)行為顯然不能用臨界狀態(tài)理論來解釋[39]。

4.2 密度及膠結(jié)度對(duì)屈服的影響

對(duì)膠結(jié)土而言，在應(yīng)力空間中應(yīng)該有一個(gè)區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域里土只會(huì)發(fā)生彈性變形，區(qū)域邊界的大小由屈服軌跡所決定。屈服軌跡隨膠結(jié)度和密度增大而向外擴(kuò)展[35]。人工膠結(jié)劑的添加會(huì)提高有效前期固結(jié)壓力（各向等壓屈服應(yīng)力）并使正常壓縮線右移，即使在加入膠結(jié)劑但無膠結(jié)的情況下，正常壓縮線的右移也會(huì)使屈服軌跡向外擴(kuò)大。為了能夠更加清晰地揭示膠結(jié)的作用，將屈服軌跡按表觀前期固結(jié)壓力進(jìn)行歸一化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，膠結(jié)劑的添加對(duì)屈服軌跡的形狀和大小均有重大影響。部分研究者認(rèn)為，可能是由于粒狀膠結(jié)劑材料的添加改變了試樣級(jí)配的結(jié)果，但也有試驗(yàn)表明，添加細(xì)顆粒前、后的屈服軌跡是相似的。不同密度的屈服軌跡采用表觀前期固結(jié)壓力′歸一化后發(fā)現(xiàn)，膠結(jié)樣的屈服軌跡的形狀隨密度而變化。

然而，膠結(jié)劑含量的增加對(duì)其力學(xué)性質(zhì)的影響具有不確定性。例如，當(dāng)干重度為16 kN/m3時(shí)，添加20%膠結(jié)劑后會(huì)使前期固結(jié)壓力增加60%，而干重度為13 kN/m3時(shí)同樣添加20%膠結(jié)劑后前期固結(jié)壓力只增加30%。還比如，單軸壓縮和拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其強(qiáng)度隨膠結(jié)劑含量和密度的增加而增加，然而，其強(qiáng)度和剛度增量與表觀前期固結(jié)壓力的變化不成比例，因此，為了達(dá)到提高強(qiáng)度的目的，隨著密度的增加可以適當(dāng)減少膠結(jié)劑的添加量。Huang等[40]對(duì)膠結(jié)試樣開展的顯微結(jié)構(gòu)研究也發(fā)現(xiàn)，密度越大，粒間接觸越多，而膠結(jié)劑顆粒就越多地充填于大顆粒間的孔隙中，試驗(yàn)表明，此種膠結(jié)方式相比粒間膠結(jié)其強(qiáng)度要低。這樣可以解釋密度會(huì)引起屈服軌跡形狀的改變?cè)囼?yàn)結(jié)果，因?yàn)榍?yīng)力與膠結(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度直接相關(guān)。

對(duì)天然膠結(jié)鈣質(zhì)土而言，由于密度或膠結(jié)度相同的平行試樣數(shù)量不足，使得試驗(yàn)結(jié)果的離散性偏大。干密度為14 kN/m3、抗拉強(qiáng)度為200 kPa（膠結(jié)程度）取自澳大利亞的天然膠結(jié)鈣質(zhì)土的試驗(yàn)結(jié)果顯示[37]，其屈服軌跡與干重度為13 kN/m3，膠結(jié)劑含量為20%的人工膠結(jié)鈣質(zhì)土相類似，說明了天然膠結(jié)鈣質(zhì)土與人工膠結(jié)鈣質(zhì)土具有足夠的相似性。

對(duì)于一些天然膠結(jié)鈣質(zhì)土的研究還發(fā)現(xiàn)，其屈服軌跡受結(jié)構(gòu)面或?qū)用媾c主應(yīng)力方向間夾角的大小所控制。對(duì)取自Marsala 的天然膠結(jié)鈣質(zhì)土試驗(yàn)結(jié)果顯示，主應(yīng)力方向垂直或平行于層面時(shí)，其屈服軌跡的形狀與大小截然不同[41]。

4.3 破壞狀態(tài)

對(duì)人工膠結(jié)鈣質(zhì)土試樣的研究發(fā)現(xiàn)[31]，干重度為13 kN/m3、膠結(jié)劑含量從0 到20%時(shí)，其極限破壞軌跡呈雙線段狀，高圍壓時(shí)c′=0，φ′=39.5°；低圍壓時(shí)φ′=28°，c′值隨膠結(jié)度和干密度增加而增加。

天然膠結(jié)鈣質(zhì)土試樣由于在膠結(jié)度和密度上的均一性較差，其極限破壞軌跡不存在上述規(guī)律。天然樣的全部研究成果顯示，其極限破壞軌跡接近殘余應(yīng)力比，此時(shí)c′=0，內(nèi)摩擦角介于φ′=39°[9]和φ′=45°[6－7]之間。

對(duì)人工膠結(jié)鈣質(zhì)土試樣的試驗(yàn)證明，其臨界狀態(tài)線在υ- p′空間內(nèi)為一直線[9,40]且該直線與各向等壓直線相平行。而天然膠結(jié)鈣質(zhì)土的臨界狀態(tài)線在高應(yīng)力下與正常固結(jié)線趨于分離[6－7]。

為了定量評(píng)價(jià)密度和膠結(jié)度對(duì)極限摩擦角的影響，可以將極限摩擦角表示為[42]

式中：Ir為剪脹指數(shù)，與相對(duì)密度和有效應(yīng)力水平有關(guān)：

4.4 小變形特征

在土的應(yīng)力空間內(nèi)，屈服軌跡將彈性區(qū)和彈塑性區(qū)分開。然而，研究表明，即使在屈服軌跡之內(nèi)許多土也能表現(xiàn)出明顯的非彈性特性，而膠結(jié)土應(yīng)該呈現(xiàn)出更大范圍的線彈性特征。但迄今為止，關(guān)于此問題的試驗(yàn)研究成果極少，其結(jié)果似乎也顯示出與簡(jiǎn)單彈塑性模型的矛盾。

在靜態(tài)試驗(yàn)條件下，人工膠結(jié)鈣質(zhì)土[9,35]和天然膠結(jié)鈣質(zhì)土[7,9,43]表現(xiàn)出近似線性的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。天然膠結(jié)鈣質(zhì)土的屈服軌跡內(nèi)存在一個(gè)小的彈性范圍[7]，由于試驗(yàn)中未對(duì)應(yīng)變進(jìn)行足夠精確的測(cè)量，所以不能確定其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的線性與否。然而，其他膠結(jié)材料的靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明，材料的非線性特性在變形的初期就表現(xiàn)的十分明顯[44]，人工膠結(jié)鈣質(zhì)土在進(jìn)行循環(huán)加載試驗(yàn)時(shí)也得出了同樣的結(jié)論[35]。即使線彈性特征明顯，一定圍壓下的剪切模量也僅為剪切波速測(cè)得值的1/10，同時(shí)也比循環(huán)加載試驗(yàn)中的測(cè)得值小很多[44]。

事實(shí)上，盡管應(yīng)力狀態(tài)剛好位于靜態(tài)試驗(yàn)的屈服軌跡內(nèi)，但在循環(huán)加載條件下也沒有發(fā)現(xiàn)線彈性區(qū)的存在。不過，對(duì)不同膠結(jié)度、密度和圍壓的人工膠結(jié)鈣質(zhì)土樣進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，其行為與非膠結(jié)土相似，其剪切模量是圍壓、超固結(jié)比和密度的函數(shù)，且隨著膠結(jié)度而增長。當(dāng)時(shí)，膠結(jié)劑含量的微小改變就可以使剪切模量產(chǎn)生顯著的變化，中等膠結(jié)度的天然膠結(jié)鈣質(zhì)土的剪切模量是相似密度的松散土的2.2 倍，而體積模量的變化不受膠結(jié)度的影響，而是與平均有效應(yīng)力呈線性關(guān)系。

在對(duì)意大利Gravina di Puglia 天然膠結(jié)鈣質(zhì)土的小應(yīng)變性狀（應(yīng)變小于0.05%）研究中[43]，通過對(duì)三軸試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行專門改造，試樣的局部應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)采用一個(gè)徑向測(cè)量帶和一套專門研制的測(cè)斜儀，使得量測(cè)應(yīng)變的精度可以達(dá)到0.001%。另外，為了防止樣品在加載過程中傾斜，在樣品頂部涂上石膏使得樣品和加壓板之間的應(yīng)力分布更均勻。研究發(fā)現(xiàn)，Gravina 天然膠結(jié)鈣質(zhì)土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系基本上是線彈性的，然而由于天然膠結(jié)鈣質(zhì)土的平行試樣數(shù)量不足，預(yù)想通過一系列試驗(yàn)確定剛度和圍壓的關(guān)系就變得十分困難。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，天然膠結(jié)鈣質(zhì)土在屈服前的線性響應(yīng)與添加石膏的人工膠結(jié)土的非線性形成鮮明的對(duì)比，這表明人工膠結(jié)土不能重現(xiàn)天然膠結(jié)土屈服前的力學(xué)行為。而人工膠結(jié)土與澳大利亞西北近海的天然鈣質(zhì)砂在循環(huán)加載的響應(yīng)上卻有很多相似之處，這說明無論是人工膠結(jié)樣還是天然膠結(jié)樣，很顯然這一領(lǐng)域還有很多的試驗(yàn)研究工作尚需開展。

對(duì)CIPS 制備的膠結(jié)試樣的小應(yīng)變剛度進(jìn)行的初步研究表明[45－46]，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度 qmax隨膠結(jié)程度而增加，Emax隨膠結(jié)度的增加而減小。剛度與強(qiáng)度之比（Emax/qmax）隨強(qiáng)度的增加快速減小，從qmax=1 MPa 的2 700 降到 qmax=20 MPa 的900。應(yīng)力-應(yīng)變曲線的線性同樣隨膠結(jié)度的增加而增加，這種線性可以用破壞點(diǎn)的割線剛度E 與初始切線剛度 Emax的比值表示。CIPS 溶液沖刷5 次或者5 次以上的膠結(jié)樣，E /Emax不小于0.95，沖洗1 次時(shí)其比值為0.7。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用CIPS 制備的膠結(jié)鈣質(zhì)土試樣來研究天然膠結(jié)鈣質(zhì)土的諸多小應(yīng)變特性是可行的。

4.5 加荷速率的影響

盡管許多研究者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了粒狀材料的力學(xué)行為有明顯的時(shí)間依賴性，含有大量易碎顆粒的鈣質(zhì)土的力學(xué)行為的時(shí)間依賴性將更為明顯，只是此方面的研究工作還相對(duì)薄弱。已有的研究成果表明，在達(dá)到屈服狀態(tài)前、后產(chǎn)生的膠結(jié)漸進(jìn)破壞過程系膠結(jié)土的主要蠕變機(jī)制之一。

對(duì)人工膠結(jié)土的加荷速率和蠕變等特性的研究表明[40]，當(dāng)圍壓小于等壓固結(jié)屈服應(yīng)力時(shí)，蠕變系數(shù)Cα隨圍壓增加而增大，隨后維持不變。松散砂的Cα值相對(duì)較高，且隨石膏含量增加而增大，這說明石膏的添加會(huì)高估天然膠結(jié)鈣質(zhì)土的蠕變和加載速率效應(yīng)。

不排水條件下破壞時(shí)間與偏應(yīng)力的關(guān)系顯示，干重度為13 kN/m3、石膏含量為20%的人工膠結(jié)試樣，在圍壓為300 kPa 大約持續(xù)5 min 后即達(dá)到破壞。在50%峰值強(qiáng)度下也會(huì)發(fā)生不排水蠕變破壞，破壞時(shí)的剪應(yīng)變?yōu)?1%左右，很顯然，此時(shí)的膠結(jié)結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞，即使偏應(yīng)力僅為峰值強(qiáng)度的30%，200 d 的應(yīng)變也會(huì)累積至1%。因此，石膏的添加可能是蠕變量增大的部分原因，但對(duì)天然膠結(jié)鈣質(zhì)土是否具有類似的蠕變規(guī)律及加載速率效應(yīng)值得進(jìn)一步研究。

4.6 循環(huán)加載特性

天然膠結(jié)鈣質(zhì)土[6,24]和人工膠結(jié)鈣質(zhì)土[36,47－48]的不排水循環(huán)加載三軸試驗(yàn)結(jié)果顯示，破壞時(shí)的應(yīng)力遠(yuǎn)低于單調(diào)加載的峰值應(yīng)力，破壞時(shí)的軸向應(yīng)變遠(yuǎn)大于單調(diào)加載峰值應(yīng)變。初始的幾個(gè)加載循環(huán)后，孔隙水壓力急劇增長，然后以穩(wěn)定的較小的速率發(fā)展，直到接近破壞時(shí)孔隙水壓力開始減小，孔隙水壓力減小的同時(shí)伴隨著軸向累積應(yīng)變速率的增加。因此，在低應(yīng)力水平下要想達(dá)到某個(gè)應(yīng)力比，就必須使試樣產(chǎn)生更高的超孔隙水壓力，這種現(xiàn)象在天然膠結(jié)鈣質(zhì)土試驗(yàn)中也有發(fā)現(xiàn)[24]，這就意味著可能存在一個(gè)臨界應(yīng)力比，當(dāng)試樣達(dá)到臨界應(yīng)力比時(shí)膠結(jié)結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生顯著的破壞。人工膠結(jié)鈣質(zhì)土的臨界應(yīng)力比為q /p′=2.56[48]。

研究發(fā)現(xiàn)，加載頻率、應(yīng)力增量、平均應(yīng)力是不排水條件下影響破壞循環(huán)次數(shù)的3個(gè)主要參數(shù)。同時(shí)，排水會(huì)對(duì)該循環(huán)次數(shù)產(chǎn)生重大影響，也會(huì)增加循環(huán)后期試樣的單調(diào)加載強(qiáng)度[47]。這意味著在不排水循環(huán)加載試驗(yàn)中進(jìn)行排水將會(huì)對(duì)膠結(jié)土產(chǎn)生加固的效果，會(huì)使其不排水抗剪強(qiáng)度值提高。

比較人工膠結(jié)鈣質(zhì)土與澳大利亞西北近海的天然膠結(jié)鈣質(zhì)土的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)[24]，在膠結(jié)度和密度相似的情況下，兩者的疲勞曲線是相似的。然而，天然膠結(jié)鈣質(zhì)土的試驗(yàn)數(shù)據(jù)仍有相當(dāng)程度的離散，這可能與選取的單調(diào)加載強(qiáng)度的合理性有關(guān)，同時(shí)，也與兩種試樣的密度、試驗(yàn)方法以及加載頻率的不同有關(guān)。

5 研究熱點(diǎn)及展望

膠結(jié)鈣質(zhì)土是一種軟巖硬土材料，由于其顆粒及膠結(jié)物的化學(xué)成分均為碳酸鈣，使其具有大孔隙、低強(qiáng)度的特征，從而表現(xiàn)出不同于常規(guī)膠結(jié)土或結(jié)構(gòu)性土的巖土工程特性。因此，開展膠結(jié)鈣質(zhì)土的巖土工程性質(zhì)研究，不僅可以豐富巖土力學(xué)理論，對(duì)當(dāng)下我國正要大規(guī)模開展的南海工程建設(shè)也具有指導(dǎo)意義。

通過上述對(duì)膠結(jié)鈣質(zhì)土試驗(yàn)研究成果的歸納與綜述可見，截止目前，對(duì)膠結(jié)鈣質(zhì)土的研究工作主要集中于采用常規(guī)的試驗(yàn)手段開展了天然膠結(jié)鈣質(zhì)土及人工膠結(jié)鈣質(zhì)土的基本力學(xué)性質(zhì)的研究工作，初步弄清了主要的巖土參數(shù)包括密度、圍壓及膠結(jié)度等對(duì)其應(yīng)力-應(yīng)變行為的影響規(guī)律。由于材料本身及其所處海洋環(huán)境的復(fù)雜性，仍有諸多本質(zhì)性的問題有待研究，筆者建議至少應(yīng)從以下幾個(gè)方面開展更深入的工作。

（1）高應(yīng)力下的應(yīng)力-應(yīng)變行為研究。隨著大型海洋結(jié)構(gòu)物的不斷涌現(xiàn)，樁端的最大應(yīng)力值可達(dá)到350 MPa 左右[49]，然截至目前，對(duì)高壓下膠結(jié)鈣質(zhì)土的力學(xué)特性的研究尚不多，同時(shí)對(duì)高壓下的諸多問題尚存在一些分歧，如試驗(yàn)設(shè)備的改進(jìn)方法、試樣制備方法、破壞包線的形狀、臨界狀態(tài)方法的有效性與否、膠結(jié)劑-砂間的膠結(jié)破碎、顆粒破碎及膠結(jié)劑對(duì)其力學(xué)行為的影響等。而對(duì)高應(yīng)力下膠結(jié)鈣質(zhì)土的壓縮及抗剪強(qiáng)度特性的綜合了解又是進(jìn)行海洋深基礎(chǔ)設(shè)計(jì)所必須的。

（2）膠結(jié)鈣質(zhì)土的微細(xì)觀研究。膠結(jié)鈣質(zhì)土的力學(xué)行為直接受其微觀結(jié)構(gòu)的控制，微觀結(jié)構(gòu)即顆粒間的幾何排列方式及顆粒間的作用力[50]。顆粒-膠結(jié)體系在不均勻應(yīng)力及膠結(jié)劑下各組分間的微觀尺度上的相互作用，并伴隨著高壓下顆粒破碎和膠結(jié)破壞的特征以及微觀現(xiàn)象與宏觀行為間的物理聯(lián)系的建立等均未得到深入的研究。這一工作將有助于本構(gòu)模型的改進(jìn)，使得對(duì)工程行為的預(yù)測(cè)更為準(zhǔn)確。

（3）人工膠結(jié)鈣質(zhì)土試樣制備技術(shù)改進(jìn)。由于天然膠結(jié)鈣質(zhì)土具有顯著的空間各向異性，獲得足夠數(shù)量平行試樣十分困難，再加之目前對(duì)其膠結(jié)度等參數(shù)尚無法進(jìn)行定量測(cè)試等，因而制約了開展巖土參數(shù)及加載方式影響其力學(xué)行為的系統(tǒng)研究工作的推進(jìn)。因此，采用人工制備膠結(jié)鈣質(zhì)土試樣就成了必然選擇，然而，人工膠結(jié)試樣與天然試樣的相似性一直是個(gè)值得探討的問題，一方面應(yīng)該繼續(xù)開發(fā)新的模擬天然條件的人工試樣制備技術(shù)；另一方面還要對(duì)常規(guī)的試樣制備方法（如加入水泥、石膏等膠結(jié)劑制備試樣）中膠結(jié)劑的加入對(duì)力學(xué)行為的影響（如蠕變性等）開展更加深入的研究。

（4）天然膠結(jié)鈣質(zhì)土的原位測(cè)試試驗(yàn)研究。由于天然膠結(jié)鈣質(zhì)土的結(jié)構(gòu)性強(qiáng)，極易受到取樣等操作過程的擾動(dòng)，因此，室內(nèi)試驗(yàn)成果的可靠性也一直受到不同程度的質(zhì)疑。因此，建議在現(xiàn)場(chǎng)條件允許的情況下，開展天然膠結(jié)鈣質(zhì)土的原位測(cè)試試驗(yàn)研究，從專用儀器設(shè)備的研制到試驗(yàn)成果的解釋等方面均有大量的工作亟需開展。

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