技术领域
[0001] 本
发明涉及一种剪切强度确定方法，更具体的说，是涉及一种高
应力下钙质砂的剪切强度确定方法。
背景技术
[0002] 钙质砂作为一种具有高孔隙比，易
破碎性的特殊海洋土质，对其强度是有一定的影响的。在我国南海海域分布着大量的钙质砂，随着近十年来对海上石油、
天然气资源的勘探和开采以及岛礁旅游业的开发，岛礁和海上现代化工程数量正日益增多，规模也将更大，因此对作为地基的钙质砂的剪切强度特性研究就显得十分重要，其中对于钙质砂抗剪强度与剪胀之间的关系分析又是重中之重。
[0003] 目前常用的
砂土抗剪强度与剪胀之间的关系表达式系Bolton于1986提出的：
[0004]
[0005] 其中， 表示最大内摩擦
角， 表示临界内摩擦角，ψmax表示最大剪胀角ψmax。其中 是土体的本质属性，ψmax取决于砂样的相对密实度与上覆压力。
[0006] 然而，由于钙质砂颗粒脆质易碎，因此在高竖向应力作用下，其剪切过程将导致相当数量的颗粒破碎。过往研究成果表明，颗粒破碎会影响土的抗剪强度。但是，目前对于这种关系尚没有明确的说明。故而，建立一种新的能够综合考虑钙质砂强度、剪胀以及颗粒破碎之间关系的表达式，对于确定钙质砂的剪切强度以及在此
基础上的地基基础设计至关重要。
发明内容
[0007] 本发明的目的是为了克服
现有技术中的不足，提出一种高应力下钙质砂的剪切强度确定方法，为钙质砂强度的确定提供一种思路，同时采用该方法确定的剪切强度关系与实际情况更加相符。
[0008] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
[0009] 本发明高应力下钙质砂的剪切强度确定方法，包括以下步骤：
[0010] 1)分别对不同相对密实度的
石英砂进行1500KPa、3000KPa、5000KPa下的常应力单剪试验；其中装样时采用分层装填法，共分3层，每层高度相同、
质量相同；
[0011] 2)试验过程中当剪切力大小趋于稳定值时，认为被测石英砂土样已经破坏，若无上述情况发生，则当剪切位移达到20％时停止试验；
[0012] 3)根据试验过程中的剪应力-剪应变关系曲线，由库伦公式计算出上述石英砂在对应相对密实度以及常应力下的最大内摩擦角
[0013] 4)再根据试验过程中的竖向位移变化量dv和
水平位移变化量du，由公式ψ＝arctan-(dv/du)计算出上述石英砂在对应相对密实度以及常应力下的最大剪胀角ψmax,q；
[0014] 5)取上述石英砂在对应相对密实度以及常应力下的最大剪胀角ψmax,q为横纵标，最大内摩擦角 为纵坐标，绘制出一系列数据散点，对散点进行线性拟合，所得到的直线截距即为该石英砂的临界内摩擦角
[0015] 6)按照Bolton的方法确定上述石英砂最大内摩擦角 临界内摩擦角 和最大剪胀角ψmax,q的关系式 中的参数b值；
[0016] 7)取与上述石英砂颗粒级配相同的钙质砂，分别对不同相对密实度钙质砂进行1500KPa、3000KPa、5000KPa下的常应力单剪试验；其中装样时采用分层装填法，共分3层，每层高度相同、质量相同；
[0017] 8)试验过程中当剪切力大小趋于稳定值时，认为被测钙质砂土样已经破坏，若无上述情况发生，则当剪切位移达到20％时停止试验；各组试验后对钙质砂土样进行筛分，根据剪切前后颗粒级配曲线的变化，运用Hardin法(或Marsal法)对试样的破碎率进行量化，得到破碎率BrH(或BrM)；
[0018] 9)根据试验过程中的剪应力-剪应变关系曲线，由库伦公式计算出上述钙质砂在对应相对密实度以及常应力下的最大内摩擦角
[0019] 10)再根据试验过程中的竖向位移变化量dv和水平位移变化量du，由公式ψ＝arctan-(dv/du)计算出上述钙质砂在对应相对密实度以及常应力下的最大剪胀角ψmax,c；
[0020] 11)取上述钙质砂在对应相对密实度以及常应力下的最大剪胀角ψmax,c为横纵标，最大内摩擦角 为纵坐标，绘制出一系列数据散点，对散点进行线性拟合，所得到的直线截距即为该钙质砂的临界内摩擦角
[0021] 12)根据上述钙质砂最大内摩擦角 最大剪胀角ψmax,c、临界内摩擦角 在步骤6)中确定的关系式基础上引入破碎分量f(BrH)(或f(BrM))，即(或 )；基于步骤8)至11)中得到的 ψmax,c、 以及BrH
(或BrM)的数值，得：
[0022]
[0023] 或
[0024]
[0025] 公式(2)、(3)即可用于钙质砂的剪切强度分析。
[0026] 与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
[0027] (1)本发明方法简单明确，易于操作，所涉及参数都容易确定且可靠，这使得结果更加精确、合理。
[0028] (2)本发明将受剪前后的破碎以及剪切强度中的破碎分量进行量化，与实际工程更加契合，能有效地为实际工程计算提供理论依据，更加符合钙质砂的剪切特性，更加适用于工程建设环境复杂多变的海洋工程。
[0029] (3)鉴于钙质砂剪切强度特性在工程设计中的重要作用，本发明的合理、可靠性将为海洋工程设计、施工提供更加安全的参数，从而降低相关工程事故的
风险，节省人力、物力。
[0030] (4)本发明将为其他参数的合理获取提供宝贵的借鉴意义。
[0031] 综上所述，本发明针对于高应力作用下钙质砂的剪切强度特性，将受剪前后的破碎以及剪切强度中的破碎分量进行量化考虑到复杂多变的海洋工程环境，提出了一种新的确定高应力作用下钙质土的剪切强度特性即在常应力条件下先对石英砂进行单剪试验，确定了石英砂的剪切强度公式，在这个公式基础上对钙质砂增加破碎分量，拟合破碎分量与破碎率的关系，进而确定钙质砂的剪切强度公式，从而提出一种新的剪切强度特性分析方法。较之前的预测方法思路更加新颖，且将破碎分量进行量化，更符合实际工程。因此，更加适用于海洋工程施工、设计需要。
附图说明
[0032] 图1是剪应力/初始正应力-剪应变关系曲线图；
[0033] (a)上覆应力1500KPa，(b)上覆应力3000KPa，(c)上覆应力5000KPa；
[0034] 图2是剪胀角-剪应变关系曲线图；
[0035] (a)Dr＝0.4，(b)Dr＝0.7；
[0036] 图3是石英砂最大剪胀角-(最大摩擦角-临界摩擦角)关系曲线图；
[0037] 图4是钙质砂破碎率-(最大摩擦角-临界摩擦角-0.83*最大剪胀角)关系曲线图；(a)Hardin法，(b)Marsal法。
具体实施方式
[0038] 为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下
实施例，并配合附图详细说明如下。
[0039] 本发明高应力下钙质砂的剪切强度确定方法，包括以下步骤：
[0040] 1)分别对不同相对密实度的石英砂进行1500KPa、3000KPa、5000KPa下的常应力单剪试验。其中装样时采用分层装填法，共分3层，每层高度相同、质量相同。
[0041] 2)试验过程中当剪切力大小趋于稳定值时，认为被测石英砂土样已经破坏，若无上述情况发生，则当剪切位移达到20％时停止试验。
[0042] 3)根据试验过程中的剪应力-剪应变关系曲线，由库伦公式计算出上述石英砂在对应相对密实度以及常应力下的最大内摩擦角
[0043] 4)再根据试验过程中的竖向位移变化量dv和水平位移变化量du，由公式ψ＝arctan-(dv/du)计算出上述石英砂在对应相对密实度以及常应力下的最大剪胀角ψmax,q。
[0044] 5)取上述石英砂在对应相对密实度以及常应力下的最大剪胀角ψmax,q为横纵标，最大内摩擦角 为纵坐标，绘制出一系列数据散点，对散点进行线性拟合，所得到的直线截距即为该石英砂的临界内摩擦角
[0045] 6)按照Bolton的方法确定上述石英砂最大内摩擦角 临界内摩擦角 和最大剪胀角ψmax,q的关系式 中的参数b值。
[0046] 7)取与上述石英砂颗粒级配相同的钙质砂，分别对不同相对密实度钙质砂进行1500KPa、3000KPa、5000KPa下的常应力单剪试验。其中装样时采用分层装填法，共分3层，每层高度相同、质量相同。
[0047] 8)试验过程中当剪切力大小趋于稳定值时，认为被测钙质砂土样已经破坏，若无上述情况发生，则当剪切位移达到20％时停止试验；各组试验后对钙质砂土样进行筛分，根据剪切前后颗粒级配曲线的变化，运用Hardin法(或Marsal法)对试样的破碎率进行量化，得到破碎率BrH(或BrM)；
[0048] 9)根据试验过程中的剪应力-剪应变关系曲线，由库伦公式计算出上述钙质砂在对应相对密实度以及常应力下的最大内摩擦角
[0049] 10)再根据试验过程中的竖向位移变化量dv和水平位移变化量du，由公式ψ＝arctan-(dv/du)计算出上述钙质砂在对应相对密实度以及常应力下的最大剪胀角ψmax,c。
[0050] 11)取上述钙质砂在对应相对密实度以及常应力下的最大剪胀角ψmax,c为横纵标，最大内摩擦角 为纵坐标，绘制出一系列数据散点，对散点进行线性拟合，所得到的直线截距即为该钙质砂的临界内摩擦角
[0051] 12)根据上述钙质砂最大内摩擦角 最大剪胀角ψmax,c、临界内摩擦角 在步骤6)中确定的关系式基础上引入破碎分量f(BrH)(或f(BrM))，即(或 )。基于步骤8)至11)中得到的 ψmax,c、 以及BrH
(或BrM)的数值，可得：
[0052]
[0053] 或
[0054] 公式(2)、(3)即可用于钙质砂的剪切强度分析。
[0055] 实施例：
[0056] 本发明确定高应力下钙质砂的剪切强度方法，包括以下步骤：
[0057] 1)分别对不同相对密实度的石英砂进行1500KPa，3000KPa，5000KPa下的常应力单剪试验。其中装样时采用分层装填法，共分3层，每层高度相同、质量相同；
[0058] 2)试验过程中当剪切力大小趋于稳定值时，认为被测石英砂土样已经破坏，若无上述情况发生，则当剪切位移达到20％时停止试验；
[0059] 3)根据试验过程中的剪应力-剪应变关系曲线，如图1所示，由库伦公式计算出上述石英砂在对应相对密实度以及常应力下的最大内摩擦角
[0060] 4)再根据试验过程中的竖向位移变化量dv和水平位移变化量du，如图2所示，由公式ψ＝arctan-(dv/du)计算出上述石英砂在对应相对密实度以及常应力下的最大剪胀角ψmax,q；
[0061] 5)取上述石英砂在对应相对密实度以及常应力下的最大剪胀角ψmax,q为横纵标，最大内摩擦角 为纵坐标，绘制出一系列数据散点，对散点进行线性拟合，所得到的直线截距即为该石英砂的临界内摩擦角
[0062] 6)按照Bolton的方法，上述石英砂最大内摩擦角 临界内摩擦角 和最大剪胀角ψmax,q满足关系式 如图3所示；
[0063] 7)取与上述石英砂颗粒级配相同的钙质砂，分别对不同相对密实度钙质砂进行1500KPa，3000KPa，5000KPa下的常应力单剪试验。其中装样时采用分层装填法，共分3层，每层高度相同、质量相同；
[0064] 8)试验过程中当剪切力大小趋于稳定值时，认为被测钙质砂土样已经破坏，若无上述情况发生，则当剪切位移达到20％时停止试验。各组试验后对钙质砂土样进行筛分，根据剪切前后颗粒级配曲线的变化，运用Hardin法(或Marsal法)对试样的破碎率进行量化，得到破碎率BrH(或BrM)；
[0065] 9)根据试验过程中的剪应力-剪应变关系曲线，如图1所示，由库伦公式计算出上述钙质砂在对应相对密实度以及常应力下的最大内摩擦角
[0066] 10)再根据试验过程中的竖向位移变化量dv,和水平位移变化量du，如图2所示，由公式ψ＝arctan-(dv/du)计算出上述钙质砂在对应相对密实度以及常应力下的最大剪胀角ψmax,c；
[0067] 11)取上述钙质砂在对应相对密实度以及常应力下的最大剪胀角ψmax,c为横纵标，最大内摩擦角 为纵坐标，绘制出一系列数据散点，对散点进行线性拟合，所得到的直线截距即为该钙质砂的临界内摩擦角
[0068] 12)根据上述钙质砂最大内摩擦角 最大剪胀角ψmax,c，临界内摩擦角 在步骤6)中确定的关系式基础上引入破碎分量f(BrH)(或f(BrM))，即(或 )。基于步骤(8)至11)中得到的 ψmax,c、 以及BrH
与BrM的数值，如图4可示，可得：
[0069]
[0070]
[0071] 本发明针对于高应力下钙质砂的剪切强度分析，考虑到复杂多变的海洋工程环境，提出了一种新的确定高应力下钙质土的剪切强度的方法即在常应力条件下先对石英砂进行单剪试验，确定了石英砂的剪切强度公式，在这个公式基础上对钙质砂增加破碎分量，拟合破碎分量与破碎率的关系，进而确定钙质砂的剪切强度公式，从而提出一种新的剪切强度分析方法。较之前的预测方法思路更加新颖，且将破碎分量进行量化，更符合实际工程。因此，更加适用于海洋工程施工、设计需要。
[0072] 尽管上面对本发明进行了描述，但本发明并不局限于上述，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和
权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
