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计算机与岩土工程 90 (2017) 14–26

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计算机与岩土工程

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研究论文

均匀化框架下砂-海粘土混合料压缩特性的实验与理论研究

X.S. Shi uArr;, Jianhua Yin

香港理工大学土木与环境工程系，香港九龙红磡

a r t i c l e i n f o

文章历史：

2017年3月15日接收

修改后于2017年5月15日接收

接受日期为2017年5月11日

2017年5月26日在线可查

关键词：

海洋粘土

砂粘土混合物压缩

均化切线刚度

摘 要

本文从实验和理论两方面对砂-海粘土混合料的压缩特性进行研究。实验数据表明，砂-粘土混合料的正常压缩线既取决于砂粒含量又取决于粘土基质的初始含水量。当砂粒质量分数为20%时，粘土基质r0 c 的局部应力近似于砂粒-粘土混合物r0 的整体应力。应力比r0 c/r0 随总应力的增加而显著下降，当砂体占总应力的60%时，这可能是由于相邻砂体之间形成粘土桥。在均质化框架内建立了压缩模型。首先，提出一个均匀化方程，给出了整体刚度E与粘粒矩阵Ec之间的关系。然后考虑结构参数对粘土基体体积分数的敏感性，引入模型参数n。最后，利用切线刚度建立了一个包含三个模型参数的简单压缩模型。实验数据与模拟结果的对比表明，该模型能较好的反映室内砂-海粘土混合料的压缩曲线。

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1. 介绍

天然土壤通常是由粗颗粒和填充颗粒间空间的细颗粒组成的复合材料 [49,7,35,47].人类活动也产生了类似的复合土，例如土地复垦( [23,24,44], 软土改良工程 [42], 和内陆废物处理设施 [13].这些土壤的压缩性一直是人们关注的问题。为此，本文对砂-海粘土混合料的压缩行为进行了研究，以更好地理解控制整体压缩行为的机理，并提出了二元砂-海粘土混合料的简单模型。

砂土粘土混合料的压缩性能以前有许多学者做过详细的研究。其中大部分研究集中在细材料对整体压缩性能的影响上。Yin[49]对香 慧海洋沉积物进行了一系列的oedometer测试，得到了压缩指数、塑性指数与粘土含里之间的相关性。深尾等人[11] Graham等人[13]、Martins等人[291]、Elkad等人10也做了类似的工作。并对其进行了进一步的研究

*通讯作者.

电邮地址: xsshi@polyu.edu.hk (X.S. Shi), cejhyin@polyu.edu.hk (J. Yin).

砂与不同粘土组分相互作用 [37,25,26,1,7,33,34,6]. 假定当细粒物质体积分数接近定值时（即过度细粒含量），该值随粗粒夹杂物的形状、粒度分布而变化，混合物的行为与软粘土基体相同。一些研究人员指出， 骨的形成也受到应力水平[35]的影响，因为颗粒间物质的体积随着应力的增加而减小。

在以往的大多数文献中，假定粘土基体的法向压编线（NCL）是唯一的。因此只研究了质量分数的影响。 Yn的工作中 [49]，试样的总体初始含水量（不同质量分数砂的砂-粘土合物）接近相应的液体极限。在这种情况下，混合物中粘土基质的初始含水量可能不相同。最近的研究表明，粘土的NCL并不是唯一的， 它爱初始合水量的影响 [5,19,28,39,45,50,21,51,52]. 因此不同粘土基质初始含水量的砂-粘土混台物的压缩曲线是不可比较的。

研究了不同含砂率不同初始含水率的砂-粘土混合料。然后，在均勾化框架内提出了一个简单的压缩模型，并通过实验结果进行了验证。

http://dx.doi.org/10.1016/j.compgeo.2017.05.015 0266-352X/copy; 2017 爱思唯尔有限公司版权所有

1. 砂粘土混台物的体积组和定义砂-粘土混合物的体积群
   1. 砂-粘土混合物的体积群

首先应澄清砂-粘土基质的体积组。然后给出了均质变量的定义。砂-粘土混合物由粘土基质（这里的粘土包括粘土矿物和粉砂和砂粒固体组）（图一）。 砂土的刚度远大于粘土基体，砂-粘土混合料中的水只与粘土基体有关。在这种情况下，粘土基体的体积分数随着应力水平的增加而减小。

本研究所用的海相粘土含有粉砂和粘土矿物。因此，与粗砂混合后产生的混合物由砂、泥浆和粘土矿物组成（见图一）。一个代表性体积单元 (REV)分为三组：砂粘土混合物中的空洞矩阵 V_v, 包括 inter-aggregate 毛孔 intra-aggregate毛孔[32]由粉砂和粘土颗粒组成的粘土基质Vsc中固体所占的体积，以及砂粒Vss的体积

定义了两种孔隙度等级粘土基质nc孔隙度和总孔隙度n（砂-粘土混合体孔隙度)。它们被定义为

（1）

相应的将粘土基体 e_c 的孔隙率和整体孔隙率e定义为

（2）

从上述定义中，局部孔隙率 n_c 与对应的整体值用粘土基体体积分数表示：

（3）

（4）

（5）

当的总量是粘土矩阵。由式（3）可得，式（3）用总孔隙度和粘土基体孔隙度表示为

（6）

如上所述，是一个应力变量。式（5）将在后面随着应力水平的增加跟新粘土基体的体积分数。n和nc都与相应的孔隙率有关：

（7）

在模型预测中，孔隙率可由电流应变和初始孔隙率得到：

（8）

和对应的初始孔隙率，和代表粘土当前垂直应力及其相应的总应力。分别的他们的定义在下面叙述。

2.2 应力和应变的定义

由于局部应力场和应变场在微观尺度上并不均匀[48,25]，刚性砂粒的存在增加了砂粘土混合料的刚度。复合材料的平均应力比基体高，而应变比基体小。应力(应变场的求解是一个棘手的问题，可以通过考虑各阶段的体积平均应力和应变来简化。给定一个有代表性的体积（图1),整体应力和应变可以定义为局部应力和局部应变除以总代表体积的平均值：

（8）

类似的，各组分（砂粒和软粘土基质）的体积平均应力和应变可在相应体积上定义为：

（9）

其中和分别为粘土基体和砂土中的平均体积应力(应变）。结合方程式（8）（9），考虑体积群的定义，得到整体体积平均应力（应变）与各组成部分之间的关系：

（10a)

(10b)

根据应力、应变、孔隙率和孔隙度等变量的定义，可以在均匀化框架下对实验数据进行分析。

3.材料及测试程序

本研究使用的材料是来自香巷的海相粘土和粗砂。材料的基本物理性能(按英国标准137712)见表1。为了研究砂-粘土混合料的粒间结构效应，本研究只使用了粒度在1.0 mm至2.0 mm之间基本均匀的砂粒。砂粒形状由次角向角变化，最大空隙率()为0.945，最小空隙率)为0.601，与Hostun RF砂[38]和Toyoura砂[12]相似 。

首先将原始粘土与水混合，然后用0.063 mm的网眼筛除天然海洋土壤中的粗粒。在这种情况下，砂-粘土混合物中的所有粗颗粒都来自粗砂材料。由于粘土矿泥初始含水里高，土壤暴露在空气中一段时间。当含水里降低到液体极限时，样品被倒入四个单独的容器中。然后，加入水以达到预其的效果假设砂粒是不可压缩的，因此不考虑相应的应变。

图一所示，砂-粘土混合物中体积划分

表一

测试材料的基本物理性能。

含水量1.09，1.19 13, 1.60。 在生产砂粘土混合料时，根据粘土基质w的初始含水量及其在混合料中的预期比例计算出砂包裹体的质量：

（11）

其中为砂粘土混合料中粘土基质的干质量分数(本研究考虑了4种不同的干质量分数10

资料编号：[3694]