摘 要

钙质砂是广泛存在于热带海洋环境中的一种特殊岩土介质，具有颗粒易破碎、内部孔隙发育、砂粒形状不规则、结构性较强的特点，使得钙质砂在物理力学方面不同于其他岩石介质，尤其在渗透性质上存在较大区别。

钙质砂的渗透性与其颗粒粒径大小相关程度较高，通过渗透性试验研究了不同粒径钙质砂的颗粒组成对渗透性造成的影响。分析试验所得数据后，确定了不同粒径对钙质砂渗透性造成影响的相对重要度。实验结果表明，小粒径范围的颗粒在决定钙质砂的渗透性中，起到重要的作用，且粒径越小，相对重要度越大。粒径小于1mm的颗粒对钙质砂的渗透性起到决定性作用，其中0.5-1mm、0.25-0.5mm、0.1-0.25mm三种粒径范围的钙质砂，对试样渗透性造成影响的相关重要度分别为20.74%；23.56%；34.69%，共占整体的78.99%。

通过对渗透实验设备的改进，为钙质砂的渗透实验提供更精确的数据和高流速状态下的非线性关系。

关键词：钙质砂；渗透试验；颗粒粒径；相对重要度

Abstract

Calcareous sand is a special geotechnical medium widely distributed in tropical marine environment. It has the characteristics of easy particle breakage, pore development, irregular external shape and strong structure, which makes calcareous sand different in physical mechanics. There is a big difference in the properties of the medium, especially in terms of permeability.

The permeability of calcareous sand is highly correlated with the particle size. The permeability of the calcareous sand with different particle sizes is studied by permeability test. After analyzing the data obtained from the test, the relative importance of different particle sizes to the permeability of calcareous sand was determined. The experimental results show that the particles in the small particle size range play an important role in determining the permeability of calcareous sand, and the smaller the particle size, the greater the relative importance. Particles with a particle size of less than 1 mm play a decisive role in the permeability of calcareous sand. Among them, calcareous sands of 0.5-1 mm, 0.25-0.5 mm, and 0.1-0.25 mm have an influence on the permeability of the sample. The relevant importance was 20.74%; 23.56%; 34.69%, accounting for 78.99% of the total.

Through the improvement of the permeation experimental equipment, the permeation experiment of calcareous sand provides more accurate data and nonlinear relationship under high flow rate conditions.

Key Words：Calcareous sand；Penetration test；Particle size；Relative importance

目 录

第1章 研究背景及意义 1

1.1 国内外研究现状 1

1.2 研究意义 2

第2章 钙质砂渗透试验 4

2.1 试验材料及试样制备 4

2.2 试验设备 4

2.2.1 试验设备的组成 4

2.2.2 试验装置的设计 6

2.2.3 测量设备的原理及校准 7

2.3 试验步骤 8

2.3.1 试验设备的安装及调试 8

2.3.2 试验过程 10

2.4 试验方案 11

2.4.1 单一粒径试样渗透试验 11

2.4.2 掺配试样渗透试验 11

2.4.3 分层试样渗透试验 11

第3章 试验结果处理及分析 13

3.1 单一粒径对比分析 14

3.1.1 同种粒径不同干密度对比 14

3.1.2 相同干密度不同粒径对比 21

3.2 相邻粒径掺配对比分析 23

3.3 粒径分层对比分析 25

第4章 试验设备的改进 27

第5章 结论与展望 28

5.1结论 28

5.2展望 28

参考文献 29

致 谢 30

第1章 研究背景及意义

1.1 国内外研究现状

国内对钙质砂渗透性的研究文献并不多，束龙仓等人对一定量的钙质砂进行试验，对其渗透系数、给水度等参数进行了测试。通过试验发现钙质砂具有良好的渗透性，试验采用的钙质砂的渗透系数近似于粗粒土，与石英砂相比，钙质砂的给水性更好，渗透系数更大^[1]。

任玉宾等人对不同变量的钙质砂进行了多组渗透试验，通过试验结果分析了钙质砂颗粒的粒径、不均匀系数等因素对其初始的渗透性的影响，发现随着钙质砂粒径的增大，其初始渗透系数变大。其他条件相同时，钙质砂的初始渗透系数与其不均匀系数和曲率系数呈正相关，并且有着良好的线性关系。此外，试验后还利用CFD-DEM流固耦合数值的方法对大粒径砂土的渗流过程进行了数值模拟^[2]。

毛迪凡采用模拟实验与理论分析相结合的方法，对渗流过程中，较为典型的孔隙介质承受阻力的变化规律进行了研究；在得到的试验数据基础上，分析了目前常用的渗流基本方程的基本特点、拟合精度以及存在的一些问题；并选用由Forchheimer方程改进得到的Ergun公式为研究基础，对其进行进一步的改进，提出了改进型Ergun公式的表达式；最后分别从动力学规律、流动机理等方面对改进后的Ergun方程进行分析和研究^[3]。

钱琨等人在室内开展了常水头渗透试验，研究了吹填钙质砂渗透性与其孔隙比以及级配之间的相互关系，开展了相同级配钙质砂在不同孔隙比下的渗透性试验，研究了不均匀系数和曲率系数对钙质砂渗透系数的影响规律。试验结果表明，钙质砂的渗透系数和10e（e为孔隙比）有很好的线性关系，并且与不均匀系数、曲率系数和颗粒粒径都有很好的相关性；通过对室内试验结果考虑多因素的分析，建立了钙质砂渗透系数计算模型，该模型公式可为岛礁吹填土层的渗透性评估和新填岛礁地下淡水的形成分析提供参考^[4]。