本文是一篇土木工程论文，本文研究了级配对钙质砂压缩和破碎特性影响。D50越大，压缩性越强，Cu对钙质砂压缩特性影响较小。D50越大，破碎程度越大，破碎后引起的粒组质量转移量也越多；Cu越大，破碎程度越小，破碎后引起的粒组质量转移量也越少。施加应力小于1.6 MPa时，应力水平对不同Cu试样影响更大。
第1章绪论
1.1选题依据及研究意义
作为“一带一路”沿线国家之一的马尔代夫，处于国际航道的核心位置，地理位置优越，又由于其海洋资源较为丰富，所以马尔代夫的旅游业成为该国家的核心经济支柱，但是马尔代夫作为一个岛屿国家，岛屿面积比较小，首都马累面积仅1.8平方公里，却居住着15万人口，成为世界上人口密度最大的首都，为了缓解马尔代夫土地资源不足的情况，开发建设海上人工岛具有重要意义。
马尔代夫地形以环礁岛为特征，环礁岛内外水深都较大，坡度陡，传统填筑式人工填岛建设需巨量的土石材料，施工难度大，经济效益差，难以实施。建设浮式人工岛，可有效避免以上制约因素。为此，马尔代夫规划在马累西北芭环礁建设海上浮式人工岛。
本文以规划的马尔代夫浮式人工岛建设为工程背景，开展研究。规划的海上浮式人工岛遭受风浪流作用，需要可靠的锚固系统将其安全、经济、可靠地锚固在海床上。芭环礁内为钙质砂海床，无论采用重力式锚固基础，还是灌注桩锚固基础，都需要理解在基础作用下钙质砂海床地基的力学响应。马尔代夫钙质砂为散粒状，沉积环境比较特殊，主要为贝壳、造礁珊瑚等破碎后经搬运、沉积形成，颗粒强度低，在基础作用下容易破碎，从而影响钙质砂的变形和强度特性，进而影响锚固基础的安全。为此，本文通过试验研究马尔代夫钙质砂的物理力学及破碎特性，从而为海上浮式人工岛锚固基础设计提供指导。
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1.2国内外研究现状
1.2.1钙质砂
钙质砂通常是指海洋生物(珊瑚、海藻、贝壳等)成因的富含碳酸钙或其它难溶碳酸盐类物质的特殊岩土介质。文献记载中人类首次接触到钙质砂地层发生在上世纪六十年代中期的阿拉伯湾，发现了砂屑灰岩和贝壳碎屑地层。此后，在澳大利亚发现桩基打入基础的贯入度很大，研究员通过拉拔试验对此现象进行研究，发现其抗拔力偏低，负责该工程的工程师通过将其余的桩改为压浆桩的方法试图解决问题，但因为不了解钙质砂的力学特性，因此导致工程开展不利[1-4]。
随后的几十年里，各个国家为了开采石油资源，提高经济的发展，相继在钙质砂海域进行海洋工程的建设，随之而来的是关于钙质砂这种材料的不熟悉性所带来的各种工程问题。例如北兰石油平台，在澳大利亚石油工程中采用了较大的桩基，尽管直径已经达到1.83m，具备了较大的抗拉抗拔能力以及桩基承载力能力，但是仍旧未能满足设计要求，在之后的建设过程中耗费大量的资金来采取了一些加固措施，但仍旧弥补不了地基产生不均匀沉降这一问题。由于钙质砂对当时人们来说是一种全新未知的领域，人们对钙质砂还不够了解，所以造成了在伊朗、印度、墨西哥等国的海洋石油平台建造过程中产生了一系列的工程问题，造成重大的财产损失和人员伤亡，由此引起了人们对钙质砂这种特殊性的海洋岩土进行研究[5-12]。
在上世纪80年代，国际上因为北兰石油平台的事故开始了钙质砂的研究，其中主要是分为两种路线进行研究：一种是以澳大利亚的悉尼大学为首的工程实用派，从实地取样以及室内试验的方式探究一种可以在工程实际中采用的指标方法；另一种是通过与其他的常见陆源砂进行对比分析，从理论分析出发来研究钙质砂，为后来者的研究奠定了基础。随后1988年，为进一步推进钙质砂发展，在澳大利亚Perth举办了钙质沉积工程会议，共享了钙质砂的结构、级配特征、化学成分、压缩破碎性等方面的研宄成果，对钙质砂的发展起到重大的推进作用[13-15]。
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第2章钙质砂物理特性试验
2.1颗粒及级配
2.1.1试验颗粒分析
试验方法参见《土工试验规程(GB/T 50123—2019)》[55]及《岩土工程勘察规范(GB 50021—2015)》[56]。采用筛分法进行试验，利用工程标准筛来分离砂土中与筛径相应的粒组，之后用电子秤对每一个粒组进行称重，对每个粒组的百分比含量进行计算，可得到级配曲线。
本次试验所用标准筛为20mm、10mm、5mm、2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.075mm，试验用称量天平精确到0.01g。
对每种土样开展筛分实验，由试验获得马尔代夫钙质砂粒组情况如表2-1所示。图2-3为筛分后不同粒径组的马尔代夫土样。三种砂级配曲线如图2-4所示。
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2.2矿物成分
钙质砂的矿物成分与它的沉积环境有关，CaCO3含量高。图2-5为世界范围内各个地域的钙质砂CaCO3含量情况。从图2-5可以看出，钙质砂CaCO3含量一般大于80%，印度洋海域相对其它地区碳酸钙含量偏低，在80%~85%之间。
下面测试马尔代夫和中国南海钙质砂的矿物成分，为其物理力学特性研究提供基础。土样矿物成份分析采用的试验设备为S4 Pioneer X射线荧光光谱仪。该设备的原理是从该设备发射X射线光子，或者是需要测量样品中的原子，发射出的光子或者原子遇到待测样品中相应的化学成分将会产生荧光，以此来测量试样的矿物成分。
取马尔代夫钙质砂试样2个，编号分别为M1和M2，中国南海钙质砂试样3个，编号分别为S1、S2和S3。对M1、M2、S1、S2和S3这5个砂样开展测试，试验结果如表2-3~表2-7所示，5个砂样主要矿物成分对比如表2-8所示。
国际上将碳酸盐含量超过50%的海洋土称为钙质砂。从表2-8可以看出，中国南海钙质砂和马尔代夫钙质砂的CaCO3含量分别为94.64%和94.41%，这两种土的CaCO3含量都很高，属于钙质砂。中国南海钙质砂和马尔代夫钙质砂CaCO3含量相差很小。
从主要矿物成分看，马尔代夫钙质砂SiO2均值1.49%，MgO均值1.28%，Fe2O3均值0.34%，Al2O3均值0.41%，中国南海钙质砂SiO2均值2.25%，MgO均值0.85%，Fe2O3均值0.37，Al2O3均值0.33%，两者相差分别为-0.76%，0.43%，-0.03%，0.08%，各主要矿物成分相差不大。另外，各主要矿物成分与CaCO3含量相比，含量很小，从矿物成分角度可以推测中国南海钙质砂和马尔代夫钙质砂的物理力学特性相近。
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第3章单一粒组钙质砂一维压缩试验......................................29
3.1试验.................................................29
3.1.1试验土样............................................29
3.1.2试验装置........................................31
第4章级配对钙质砂压缩和破碎特性试验研究..................................45
4.1试验材料与方法...........................45
4.1.1试验土样...........................45
4.1.2试验装置.............................................47
第5章钙质砂三轴剪切试验...............................59
5.1试验介绍.......................................59
5.1.1试验土样的制备.....................59
5.1.2试验装置.....................................61
第5章钙质砂三轴剪切试验
5.1试验介绍
5.1.1试验土样的制备
由前述试验已经对砂样粒组进行颗粒筛分，本试验中采用的原始砂样粒径范围为1~2 mm，故挑选级配为1~2 mm的筛分后的天然试样作为试验的原始砂。
为了进一步比较破碎程度对剪切强度的影响，制备了破碎程度不同的破碎砂，将原始砂放入压力室在万能试验机上进行了一维压缩试验，设置压缩试验的终止应力分别为1 MPa、8 MPa、25 MPa且到达该应力后试样保载20 min，保证试样达到一个充分的破碎程度。
由于一维压缩试样体积：59962.068 mm3（直径61.8 mm、高20 mm）；三轴试样体积：96009.268 mm3（直径39.1 mm、高80 mm），所以我们至少需要做2次一维压缩试验来制备1个破碎砂样。对制备完成的3种破碎砂进行筛分，可以得到破碎砂的颗粒级配曲线，与原始砂对比如下图5-2所示，测量破碎砂的相对破碎率如下表5-2所示：分别为0.02、0.21、0.58。
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结论与展望
结论
本文基于马尔代夫海上浮式人工岛建设为依托，对当地的海床材料钙质砂进行了研究，分析了钙质砂的物理特性、压缩特性、剪切特性、破碎特性，对后续工程的开展提供参考。得出以下结论：
(1)马尔代夫钙质砂和中国南海的钙质砂为级配不良土，性质相类似，马尔代夫钙质砂的Cu=4.91、Cc=0.61，南海钙质砂Cu=3.46、Cc=1.34；中国南海钙质砂和马尔代夫钙质砂的CaCO3含量分别为94.64%和94.41%，属于钙质砂；钙质砂颗粒表面多孔隙，多菱角，质地易脆容易破碎；马尔代夫钙质砂的最大孔隙比和最小孔隙比分别为1.07、0.777，小于南海钙质砂的孔隙比。
(2)对单一粒组钙质砂的压缩破碎特性进行试验研究。结果表明，粗颗粒相较细颗粒来说压缩性更强，且随着粒径增大，破碎应力逐渐减小，3.35 mm~2 mm和2mm~1 mm这两种粒径试样强度差异较其它粒组更大；1~0.5 mm和0.5~0.25 mm之间破碎应力的差值最小，表示这两种单一粒组的强度差别较小。单一粒组试样在0~0.8MPa内的单位应力破碎增量最大，在12.8~25.6MPa内的单位应力破碎增量最小。粒径越大，相对破碎率也在增大，增长速率由稳定到急剧增大。单一粒组试样破碎后，破碎的颗粒会向更低级的粒组迁移，且试样破碎后颗粒迁移量落在最近低一级的粒组较多。
(3)研究了级配对钙质砂压缩和破碎特性影响。D50越大，压缩性越强，Cu对钙质砂压缩特性影响较小。D50越大，破碎程度越大，破碎后引起的粒组质量转移量也越多；Cu越大，破碎程度越小，破碎后引起的粒组质量转移量也越少。施加应力小于1.6 MPa时，应力水平对不同Cu试样影响更大。D50相比于Cu来说，对试样的压缩性影响更显著，在工程设计过程中，我们更应该考虑D50对土体变形的影响，当D50、Cu较小，Cu对破碎的影响较为显著；当D50、Cu较大，D50对破碎的影响较为显著。
参考文献(略)