珊瑚砂力学性能研究综述

粒强度低、孔隙多、形状不规则，在棱角处易发生断裂，破碎自身或破碎释放的孔隙与更细小的颗粒中和，加剧珊瑚 砂的压缩性，多种因素相互作用，共同决定珊瑚砂特殊的力学性能。［关键词］珊瑚砂；颗粒形态；力学性能；破碎性；压缩性［中图分类号］TU43

［文献标识码］A ［文章编号］1002-8498(2019)21-0091-03Research Summary on Mechanical Properties of Coral Sand

CHENG Xiaoying, QIN Jianmin(Center for Research and Development of Civil Engineering Technology, Dalian University,Dalian , Liaoning 116622, China)Abstract: The physical properties of coral sand are far more complicated than that of normal terrigenous

sand. The recent advances are summarized in the fields of particle morphology, particle breakage and compressibility. Based on the mesoscopic structure of coral sand , the reasons of the particular mechanical

properties are revealed. The low strength , porosity , irregular particle shape , and easy to break at edges

and corners, all these above factors will aggravate the compressibility of coral sand. The interaction of the factors determine the particular mechanical properties of coral sand.Key words: coral sand ； particle morphology ； mechanical properties ； particle breakage ； compressibility0引言路”倡议的推进，加强了对南海的开发，又因从内陆

海洋中的珊瑚体残骸经长期地质作用形成珊 瑚砂，珊瑚砂碳酸钙含量高达90%以上，故又称为

运送建筑材料不仅费用高，且影响施工进度，为此，

对珊瑚砂力学性能研究成果进行总结，为施工提供 依据。1 珊瑚砂物理力学性能1.1颗粒形态钙质砂。亚热带和热带大陆与海岸线一带是珊瑚 砂的主要分布地，包括我国南海区域。因形成过程

中未经长途搬运，珊瑚砂保留了生物原有纹路，颗 粒表面具有多孔性，颗粒形状不规则，易破碎，压缩 性大，与普通陆源砂性质相差较大。到目前为止，

珊瑚砂颗粒以造礁珊瑚碎屑为主，颗粒大小不

一，且保留了生物原有纹路，磨圆度与内陆砂相差 很大，形状极其不规则.加之硬度较低，使珊瑚砂颗

因对珊瑚砂性能认识不足，使得工程事故时有发

生，因此进一步研究珊瑚砂力学性能尤为重要。我国对珊瑚砂的研究始于20世纪70年代中后

粒在棱角处更易破碎。主要应用电镜扫描技术对珊瑚砂颗粒形态进 行研究，其中扫描电子显微镜测试技术可直接获得

期，期间中国科学院首次组织科学考察队钻探“南 永一井”，到20世纪80年代中后期才开始对珊瑚砂

颗粒的微观结构信息和颗粒单元微观结构的定向

进行全面研究，20世纪90年代初建造珊瑚砂构筑 物，为珊瑚砂的研究奠定基础。随着我国“一带•*国家自然科学基金（U1839202）性，然后对获得的照片进行处理，统计珊瑚砂颗粒 形状的类型，借助颗粒形状因子（长宽比、球形度、 凹凸度）判断珊瑚砂颗粒形状和不规则程度。张小燕等.开展珊瑚砂高压一维蠕变试验，用

［作者简介］程晓颖，硕士研究生，E-mail:2247073672@ qq.com［通讯作者］秦建敏，博士，副教授,E-mail: qinjianmin@ dlu.edu.cn. ［收稿日期］2019-06-20

QICPIC仪器对颗粒进行拍摄，并将珊瑚砂颗粒形状

用形状因子表征.结果显示珊瑚砂颗粒多角状、纺

92施工技术第48卷锤状，形状极不规则。任玉宾等⑵在探究珊瑚砂渗透性影响因素时，

用圆度和球度描述颗粒形状，并用二者的比值表示 颗粒整体形状和起伏程度（即颗粒外轮廓凹凸不平

的程度），研究结果表明珊瑚砂颗粒形状极不规则， 且含有片状和枝状颗粒。1.2内孔隙孔隙率大是珊瑚砂重要的特征之一，内孔隙的

大小和形状直接影响珊瑚砂颗粒破碎的特征和方 式，进而影响珊瑚砂的力学性能。在研究珊瑚砂孔隙方面，着重探究孔隙的形状

特征。关于珊瑚砂孔隙的测定，陈海洋⑶进行重点 阐述，扫描飞秒切割后的珊瑚砂，观察断面图像，并 用面孔隙度和面空隙比表征珊瑚砂内孔隙的大小，

研究结果表明，试验用珊瑚砂面孔隙度为0. 66% ~ 1.07%,面孔隙比为0. 67% ~ 1. 08% ；珊瑚砂小孔隙 数量较多，但大孔隙对孔隙总面积的贡献大。朱长 歧等⑷用相同方法对珊瑚砂进行飞秒切割，研究珊 瑚砂内孔隙分布，试验结果与陈海洋的研究结果基

本一致，证明该试验具有可重复操作性。珊瑚砂孔隙率大，富含内孔隙。大量试验数据 显示，珊瑚砂内孔隙形状各异，孔隙度极高，与颗粒

易破碎性共同影响其压缩性。1.3颗粒的破碎颗粒在外力作用下的损伤指土颗粒的破碎，颗

粒级配随着破碎而变化，进而影响其强度，并对工 程安全造成严重威胁。E.Guyon等⑸最早提出将土 颗粒破碎分为破裂、破碎和研磨3类。大量试验表明珊瑚砂颗粒破碎明显存在于压 缩和剪切过程中，而内孔隙的存在对颗粒破碎和压

缩性起到催化剂的作用。研究材料破碎的首要问题是在试验中如何度 量颗粒破碎程度。K.L.Lee等将质量累积15%的

粒径作为描述颗粒破碎的特征粒径，中国水科院选 用质量累积60%的粒径表示特征粒径，衡量颗粒破 碎。但以上度量方法只是片面地反映颗粒破碎，为 此，B.O.Hardin⑺提出相对破碎率的概念，较好地克

服只考虑单一粒径或含量的问题。压缩试验和剪切试验常用于研究珊瑚砂颗粒 破碎，从试验结果中可探究其力学性能，主要考虑

应力水平、含砂量、粒径和级配的影响。秦月等⑻通过超载和常规加载对不同含砂量 的珊瑚砂进行固结试验，为探讨含砂量对颗粒破碎

的影响，采用颗粒相对破碎率进行分析，研究结果

表明随着含砂量的增加，颗粒破碎先减少后增加， 并在含砂量为60%-70%时达到最低。此外，还得

出加载梯度和水含量在珊瑚砂颗粒破碎中起正相 关作用的结论，并指出0. 25mm是需要关注的粒径 之一。蒋礼\"选用相对破碎率衡量珊瑚砂破碎的大

小,并引入极限破碎率的概念。使用高精度环剪仪

进行试验，得出粒径越大相对破碎率越大、级配越

差相对破碎率越大的结论，研究结果表明应力水平 对颗粒破碎具有正相关的影响。纪文栋等［0在探究珊瑚砂颗粒破碎影响因素

时考虑加载方式和应力水平，并提出又一描述颗粒 破碎的指标：颗粒破碎增长率。为保证试验的可靠

性，采用4种试验方法，并对样品的干密度和含水率 进行控制，验证颗粒间运动和接触力对珊瑚砂破碎

的重要影响，二者缺一将使破碎率明显降低。研究

发现0. 25mm是珊瑚砂颗粒含量变化的阈值，这与

秦月等的试验结论一致，证明珊瑚砂粒径为

0. 25mm时具有重要研究价值。张小燕等⑴探究珊瑚砂的蠕变破碎，通过对试

验前后颗粒形状因子的对比，说明珊瑚砂颗粒破碎 具有明显的自相似性和无尺度性，呈现分形分布的 特征。用相对破碎率表示分形破碎的现象，由试验

数据可知珊瑚砂分形维数在一维压缩下约为2.5,

即蠕变破碎在高压力下只占一小部分，破碎释放的

孔隙与更小颗粒中和是发生蠕变的主要原因。以上研究成果主要探究颗粒破碎的影响因素， 此外，对于颗粒破碎程度和强度间的关系也进行了

很多研究，提出颗粒破碎与塑性功、应力比等的经 验公式。关于珊瑚砂应力-应变本构模型的研究成 果也较多。张弼文［山将激光散射法和筛析法得到的数据 拟合成级配曲线，得出随着荷载的增加和粒径的增 大颗粒破碎越剧烈的结论，并将试验得出的破碎率

与压力值进行处理，拟合出经验公式。1.4压缩性土受压时体积减小的特性是土的可压缩性，颗 粒间的摩擦是影响土压缩性的最重要因素。而对

于珊瑚砂而言，易破碎性被认为是决定其高压缩性 的主要原因。在压缩过程中，珊瑚砂颗粒重排列，

体积变小；在破碎过程中，破碎释放的内孔隙和更 细小颗粒中和，加剧了体积收缩。我国学者对珊瑚砂的压缩性开展诸多研究，如

对钙质砂进行单轴和三轴压缩试验，研究结果表明

滞回周期内压缩曲线不明显，说明珊瑚砂的压缩会 产生不可逆的塑性变形；对南海珊瑚砂进行测定，

分析一维和三维压缩曲线后，得出珊瑚砂压缩性随 着孔隙比的增加而增大的结论。2019 No.21程晓颖等：珊瑚砂力学性能研究综述93张弼文⑴通过设定关于珊瑚砂不同粒径和不 同孔隙比的压缩试验，证明压力越大，初始孔隙比 对珊瑚砂体积压缩的影响越小；在试验中验证珊瑚

3)珊瑚砂压缩性除表现在颗粒重排列和压密 外，颗粒破碎也是一个重要因素。颗粒破碎后，更 小的颗粒填充到孔隙中，使得珊瑚砂的压缩性更大。砂产生了不可恢复的压缩变形；得出珊瑚砂卸荷时 的膨胀线斜率比黏性土小，且粒径对膨胀线斜率的

因此，珊瑚砂颗粒形状的不规则性使颗粒接触

点应力偏高，易破碎；多孔性为破碎后的更小颗粒 提供空间，又为珊瑚砂的压缩提供可能。几种性质 共同作用造就珊瑚砂特殊的力学性能，使其具有重

影响极小的结论。在初始孔隙比相同、粒径不同的 曲线中，随着压力的增加，粒径大的颗粒压缩性相

对大。张弼文解释说，气体排出和颗粒重排在加载 要的研究价值。参考文献：[1 ]张小燕，蔡燕燕，王振波，等.珊瑚砂高压力下一维蠕变分形

破碎及颗粒形状分析[J].岩土力学,2018,39(5) J573-158O.初期是影响珊瑚砂压缩性的主要因素，后期加载时 的影响因素则主要为颗粒破碎。珊瑚砂颗粒间最主要的接触是点接触，良好级 配和密实性使土的点接触增多，作用在单个接触处

[2 ]任玉宾，王胤，杨庆.颗粒级配与形状对钙质砂渗透性的影响

[J].岩土力学,2018,39(2) :491-497.的应力减小，所以级配和密实度也是影响颗粒压缩 性的重要因素，但在压缩后期颗粒破碎对压缩性起 决定性作用。[3 ]陈海洋.钙质砂的内孔隙研究[D].武汉：中国科学院研究生

院(武汉岩土力学研究所)，2005.[4 ]朱长歧，陈海洋，孟庆山，等•钙质砂颗粒内孔隙的结构特征

分析[J].岩土力学,2014,35(7):1831-1836.2结语珊瑚砂是一种富含碳酸钙的颗粒材料，其性质与

[5 ] GUYON E, TROADEC J P. Du sac de billes au tas de sable[ J ].

Editions odile jacob sciences, 1994.[6 ] LEE K L, FARHOOMAND I. Compressibility and crushing of

陆源砂有很多不同。中国南海有丰富的珊瑚砂，且有 使用珊瑚砂进行工程建设的成功案例，使其研究价值 极高。在综述文献的基础上，主要得出以下结论。granular soil in anisotropic triaxial compression : J ] . Canadian geotechnical journal, 1967, 4( 1 ) ,68-86.[7 ] HARDIN B 0. Crushing of soil particles [ J ]. Journal of

1) 对珊瑚砂颗粒形态的研究主要通过扫描电 子显微镜进行观测，可知珊瑚砂颗粒多为角状和纺

锤状，形状极不规则。geotechnical engineering, 1985, 111( 10)： 1177-1192.[8 ]秦月，姚婷，汪稔，等•基于颗粒破碎的钙质沉积物高压固结

变形分析[J] •岩土力学,2014,35( 11):3123-3128.2) 珊瑚砂颗粒形状的不规则性和多孔性使得

其易发生颗粒破碎；低硬度的方解石和文石作为珊

[9 ]蒋礼.南海钙质砂破碎力学特性研究[D]•成都：成都理工大

学,2014.瑚砂的主要矿物成分，使珊瑚砂硬度远低于石英

[10] 纪文栋，张宇亭，裴文斌，等•加载方式和应力水平对珊瑚砂 颗粒破碎影响的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2018,

砂，这也是造成珊瑚砂颗粒易破碎的原因之一。目 前关于珊瑚砂颗粒破碎与塑性功的关系、应力-应变

[11]

37(8) J953-1961.张弼文.侧限条件下钙质砂的颗粒破碎特性研究〔D].武汉：

关系本构模型的研究成果较多。(上接第37页)关键施工环节的把控有利于解决高铁岔区现浇道 床混凝土开裂问题。应根据岔区长寿命现浇混凝

武汉理工大学，2014.同工况、环境条件下的混凝土制备及施工技术。参考文献：[1 ]王兆成.中长期铁路网规划研究[M].北京：中国铁道出版

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国铁道科学,2004(2) ：43-48.2) 高频振捣台架是对高铁岔区道床混凝土机 械化施工的初步探索，推行机械化、专业化、精细化

的施工方法势在必行，建议有关单位组织优化现有

[3 ]罗林.高速铁路轨道必须具有高平顺性[J].中国铁路，2000

(10) :8-11,5.[4 ]朱高明.国内外无祚轨道的研究与应用综述[J].铁道工程学

报,2008(7) ：28-30.施工装备，不断推陈出新，提升整体施工水平。3) “零暴露期”的综合养护技术可有效解决道 床混凝土早期失水过快、产生表面细小龟裂纹等问

题，“喷涂外养护剂+ 土工布长效保湿”的养护方式 适用于大风极端环境下高铁岔区无祚轨道结构的

[5 ] XIE Y , LI H , FENG Z, et al. Concrete crack of ballastless track

structure and its repair] J]. International journal of railway, 2009 (2) ：30-36.[6 ]刘振民，钱振地，张雷.双块式无祚轨道道床板混凝土裂缝的

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裂技术[J].铁道建筑,2014(2) ：101-104.4) 高铁岔区长寿命现浇道床混凝土施工技术 仍需开展大量现场研究工作，进一步优化适用于不[8 ]朱长华，王保江，裘智辉.等.CRTS I型无祚轨道道床板裂缝

成因分析及应对措施[J] •施工技术,2012.41(5) :77-79,88.