（岩土工程专业论文）贝壳砂质土工程特性及加固方法研究.pdf

中文摘要 作为世界三大古贝壳堤之一的渤海湾古贝壳堤在国际第四纪地质研究中占有 重要位置。但是由于经济所限和重视不足等原因，渤海湾的贝壳堤资源受到严重 的自然侵害和人为破坏。为抢救濒帷毁坏的海洋文化遗产，天津市决定建立天津 古林古海岸遗迹博物馆，作为天津市科普教育的基地。 博物馆建于贝壳堤上，地下一层为贝壳堤剖面展示区。博物馆建筑过程中要 求最大程度上减小了对展示剖面的扰动，并要求贝壳堤展示剖面与已建博物馆在 建筑风格上和谐统一；展坑剖面垂直不小于3 米，便于充分展示挖掘出的遗迹剖 面，并满足做为教育基地和科学研究的要求。上述要求带来以下四个需要研究的 课题： 第一，组成贝壳堤的贝壳砂是由海生贝壳及其碎片和细砂、粉砂、泥炭、淤 泥质粘土薄层混合而成的组合土，它的岩土力学性能有待深入研究； 第二，如何使贝壳堤展示剖面与已建博物馆在建筑风格上和谐统一，并确保博 物馆主体建筑过程中最大程度上减小对贝壳堤展示剖面的扰动； 第三，贝壳砂具有渗透性大、含水量高、结构性差、易风化、稳定性低等特 点，在这样的土层中构建展示剖面，需要有可靠的加固方法； 第四，天津市是地震多发区，地震设防烈度为7 度，应确保展示剖面在地震 多发区长期安全稳定。 本文以天津古贝壳堤为研究背景，通过理论分析、数值计算、室内试验及现 场试验，得到如下研究成果： 1 对贝壳砂中贝壳的含量进行分析，并测试其岩土工程特性，得到不同含 量的贝壳砂其压缩变形特性和抗剪强度特性，为贝壳堤的稳定分析提供 必需的岩土力学参数。试验并讨论了酸雨和海水侵蚀状态下贝壳砂的耐 久性问题。 2 贝壳堤展示剖面结合室内环境设计、参观流线等因素，做到贝壳堤展示 剖面与已建博物馆在建筑风格上和谐统一。 3 通过对主体结构基础型式的优化研究，确保打桩过程、基础开挖过程均 能保护核心展示区原貌，达到最大程度避免扰动贝壳堤展示剖面的目 的，实践证明优化的基础型式安全可靠。 4 在对贝壳砂土力学性能研究的基础上，分析了贝壳堤展示剖面的受力特 点，对比了不同灌浆材料的优缺点，选定无毒害、抗紫外线的氰凝浆材 作为灌浆基材，通过野外试验确定了灌浆用量和加固作用范围，并试验 加入不同比例的催化剂和稀释剂达到降低成本、提高效率的加固效果。 工程实践证明贝壳堤展坑的加固方法、施工方案可行。 5 利用有限元分析的方法，对展坑的土坡稳定性和地震作用下的稳定性进 行了分析，结果表明，经加固处理后贝壳堤剖面及展坑的整体稳定性得 到了提高，在开挖施工和地震力作用下地基土体的位移及应力明显减 小，满足稳定性要求。 关键词：贝壳堤；贝壳砂；灌浆加固；土坡稳定性；地震分析 a b s t r a c t t h eb o h a ib a ys h e l le m b a n k m e n t ，o n eo ft h et h r e el a r g e s ts h e l le m b a n k m e n t si n t h ew o r l d , i si m p o r t a n ti nt h es t u d yo fq u a t e r n a r yg e o l o g y u n f o r t u n a t e l y , d u et o e c o n o m i cl i m i t a t i o na n di n a d e q u a t er e c o g n i t i o n ，t h eb o h a ib a ys h e l le m b a n k m e n ti s f a c i n gd a m a g eb o t hf r o mn a t u r ea n db yh u m a na c t i v i t i e s t or e s c u et h eo c e a nc u l t u r a l r e l i c s ，a s w e l l 豁p r o v i d eas c i e n c ep o p u l a r i z a t i o nb a s e , t h et i a n j i nm u n i c i p a l g o v e r n m e n td e c i d e dt oe s t a b l i s ht i a n j i na n c i e n tf o r e s ta n dc o a s tm u s e u m t h em u s e u mw i l lb ef o u n d e do nt h es h e l le m b a n k m e n ta n dt h ef i r s tu n d e r g r o u n d f l o o r , 嬲t h ep r o f i l ee x h i b i t i o nd i s t r i c to ft h es h e l le m b a n k m e n t s h o u l db ei nh a r m o n y i na r c h i t e c t u r a ls t y l ew i t ht h ee x i s t i n gm u s e u m sa n ds h o u l da l s om i n i m i z et h e d i s t u r b a n c et ot h er e l i c s t h eh e i g h to ft h ed i s p l a yp i ts h o u l db eg r e a t e rt h a n3 mt o s h o wt h ee x i s t i n gr e l i c sa d e q u a t e l ya n dt os a t i s f ys c i e n c ee d u c a t i o na n dr e s e a r c h t h e a b o v e - m e n t i o n e dr e q u i r e m e n t sp r e s e n tf o u rq u e s t i o n st ob es t u d i e da sf o l l o w i n g ： f i r s t ，t h es h e l ls a n dm a k i n gu pt h es h e l le m b a n k m e n ti st h em i x t u r eo fs h e l la n di t s f i a g m e n t s ，f m es a n d ，s i l ts a n d , p e a ta n ds i l tc l a yf i l m i t sg e o t e c h n i c a lp r o p e r t i e sn e e d t ob ed e e p l yr e s e a r c h e d s e c o n d l y , w es h o u l dm a k eo u tt h a th o wt om a k et h ep r o f i l ee x h i b i t i o nd i s t r i c t si n c o n c o r d a n c ew i t ht h ee x i s t i n gm u s e u l l si nt h ea r c h i t e c t u r a ls t y l ea n dh o wt or e d u c et h e d i s t u r b a n c eo nt h eh e r i t a g ef r o mt h ec o n s t r u c t i o n t h i r d l y , t h es h e l ls a n dh a st h ec h a r a c t e r ss u c ha sh i g hp e r m e a b i l i t y , h i g hw a t e r c o n t e n t ，b a ds t r u c t u r e ，e u g e o g e n o u s ，l o ws t a b i l i t y w en e e dar e l i a b l er e i n f o r c em e t h o d t od i s p l a yt h ec r o s s s e c t i o ni ns u c hs o i l f i n a l l y , t i a n j i ni se a r t h q u a k em u l t i p l ea n dt h ep r o t e c t e ds e i s m i ci n t e n s i t yi s7 d e g r e e t h el o n g t e r ms t a b i l i t yo ft h ed i s p l a yd i s t r i c t su n d e rt h ee a r t h q u a k es h o u l db e g u a r a n t e e d t h ep a p e rt a k et i a n j i na c c e n ts h e he m b a n k m e n ta st h eb a c k g r o u n d ，t h r o u g h t h e a t r i c sa n a l y s i s ，n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n , i n d o o rt e s ta n df i e l dt e s t ，w ec a ng a i n e dt h e f o l l o w i n ga c h i e v e m e n t ： 1 m a k et h ea n a l y s i st ot h es h e l lc o n t e n to ft h es h e l ls a n d , a n dt e s tt h ec a p a b i l i t yo f t h eg e o t e c h n i c a lm e c h a n i c s ，s ot h a tw eg a i nt h ed i s p l a c e m e n ta n ds h e a r i n gs t r e n g t h o ft h es h e l ls a n dt oo f f e rm e c h a n i c sp a r a m e t e rt ot h e a n a l y s i so ft h es h e l l e m b a n k m e n t 2 田1 ee x h i b i t i o nc r o s s s e c t i o no ft h es h e ue m b a n k m e n ts h o u l dc o m b i n ew i t ht h e i n t e r i o rd e s i g na n dt h ev i s i t i n gr o u t e ，m a k et h ee x h i b i t i o nc t o s s - s e c t i o nh a r m o n i o u s t ow i t ht h ee x i s t i n gm u s e u l l li na r c h i t e c t u r es t y l e 3 i ts h o u l db ee n s u r e dt h a tt h ep i l i n gp r o c e s sa n dt h ef o u n d a t i o nd i t c he x c a v a t i o nc a n p r o t e c tt h eo r i g i n a lc o r ee x h i b i t i o na p p e a r a n c et h r o u g ht h er e s e a r c ht ot h eb a s i ss t y l e o ft h em a j o rs t r u c t u r e ，s ot h a tt h en a t u r a lh i s t o r i c a lr e m a i n sc a l la v o i db e i n gd i s t u r b e d n ep r a c t i c ep r o v e dt h a to p t i m i z e db a s es t y l eb e i n go nt h es a f es i d e l a y i n g r e i n f o r c e dc o n c r e t ei nt h eb o t t o mo ft h ef o u n d a t i o nd i t c hc a nm a k et h eb a s ea sa v i s i t i n gp a t h w a ya n dc a l la l s om a k et h ef o u n d a t i o na n di t sb o t t o mi n t e g r a l ；t h i sc a n k e 印t h ee x h i b i t i o nf o u n d a t i o nd i t c hs t a b l ea n dl e s s e nt h ed i s p l a c e m e n to ft h eb o t t o m 4 o nt h eb a s eo ft h es h e l ls a n dg e o t e c h n i c a lm e c h a n i cr e s e a r c h , t h ep a p e ra n a l y z e d t h es t r e s sc h a r a c t e r i s t i c ，c o m p a r e dt h ea d v a n t a g e sa n dd r a w b a c k so fd e f e r e n t g r o u t i n gm a t e r i a l i n n o c u o u s ，a n t i u l t r a v i o l e tm a t e r i a l sw e r ec h o s e na st h eb a s i c m a t e r i a l s t h ep a p e rb r r o u g h tf o r w a r dt h ea m o u n to ft h eg r o u t i n ga n dr e i n f o r c e r a n g et h r o u g hf i e l dt e s ta n da l s od e b a s et h ec o s ta n da d v a n c et h er e i n f o r c ee f f e c t t h ep r o j e c tp r a c t i c ep r o v e dt h em e t h o da sb e i n gf e a s i b l e 5 f i n i t em e t h o dw a su s e dt oa n a l y s i st h es l o p es t a b i l i t ya n dt h es t a b i l i t yu n d e rt h e e a r t h q u a k e 1 1 1 er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h es t a b i l i t yo ft h er e i n f o r c e ds h e l le m b a n k m e n t a n dt h ee x h i b i t i o nf o u n d a t i o nd i t c hi m p r o v e d 1 1 1 ed i s p l a c e m e n ta n ds t r e s sd e c a d e o b v i o u s l ya n di ts a t i s f i e st h es t a b i l i t yd e m a n d k e yw o r d s ：s h e l le m b a n k m e n t ；s h e l ls a n d ；c h e m i c a lg r o u t i n g ；s l o p es t a b i l i t y ： s e i s m i ca n a l y s i s 第一章绪论 1 1 研究背景 贝壳堤( s h e r l e m b a n k m e n t ) 是由海生贝壳及其碎片和细砂、粉砂、泥炭、淤 泥质粘土薄层组成的、与海岸大致平行或交角很小的堤状地貌堆积体。它形成于 高潮线附近，为古海岸在地貌上的可靠标志。渤海湾古贝壳堤与美国路易斯安娜 州吉贝壳堤、南美苏里南贝壳堤并称世界三大古贝壳堤。后两娃现已远离海岸， 贝壳含量也仅为3 0 左右，相对渤海湾的古贝壳堤贝壳质含量几乎达到1 0 0 而 言( 见图1 1 ) ，其面积与含量远不及渤海湾。渤海湾的贝壳堤是世界上珍贵的海洋 自然遗产，在国际第四纪地质研究中占有重要位置。 圈1 1 渤海湾贝壳堤 渤海湾古贝壳堤首先由历史学家、地质学家所关注。1 9 5 7 年，历史学家李世瑜 发现了渤海湾西岸由贝壳组成的长陇状地质体，称之为蛤蜊堤，随后，地貌及第四 纪地质学家进一步研究了它们的物质组成、形态、分布、形成时间及其成因( 王颖， 1 9 6 4 ；赵希涛等，1 9 8 0 ；徐家声等，1 9 8 6 ) ，并将其定名为贝壳堤3 。 古贝壳堤作为一种特殊类型的海岸堤，其形成必须兼备适合于贝类繁殖，并 被大风浪将其带至岸边堆积的底质、坡度与水动力等条件。作为海岸带颇具特色 的海岸地貌类型，贝壳堤反映了自陆向海方向海岸线的变迁，通过对古贝壳堤进 行调查研究分析，可以发现很多古海洋文化遗迹。 研究贝壳堤的科学意义表现为：首先，根据古贝壳堤的位置可恢复古海岸的 位置，根据新老贝壳堤的关系，也可以分析海岸演变过程，为研究古海岸变迁， 环境变化趋势等提供了天然的原始资料；其次从古贝壳堤的分布及对其进行“c 精 确测年研究，可以准确地获知海岸线变化的年代情况，这样对区域地质调查具 有重要的指导意义：再次，通过对有孔虫、介形虫的研究，可以推知古海洋环境、 气候特征以及沉积环境、沉积过程等方面的情况，在地质学、生物学、气候学研 究上具有重要的作用”1 。 固i2 贝壳堤剖面 对古贝堤的研究，其现实意义表现为：首先，古贝壳堤是一道天然海挡，它 的存在，阻挡了海洋大潮的向陆推进保障了沿海人民群众的生命财产安全；其 次古贝壳堤也是一条天然绿带，渤海湾西海岸是泥质海岸带，泥质海岸带地区 土地的盐碱化相当严重，只有少数几种耐盐碱的植物( 如芦苇、石榴、酸枣树、臭 椿等) 才能成活，太片土地上寸草不生极为荒凉。而在贝壳堤上，则可生长很多 种植物，还出产沙参、麻黄、枣仁、土元等多种名贵药材“1 ，同时，这条绿带 也成了出海渔民们的天然航标。古贝壳堤旦遭受破坏，可引起海岸线后退这 样费们不但会丧失大面积的国土，同时，海洋向陆地的方向前进，海水将会侵入 地下水，使本来就十分贫乏的地下水资源遭受更大的破坏。更为严重的是。海洋 风暴潮发生时，沿海人民群众的生命财产将受到极大危害。 第一章绪论 因此贝壳堤是历史过程留下的遗迹，也是一种极其重要的地质资源，对它的 研究逐渐为中外学者所关注。由于贝壳堤独特的地质构造和形成特点，需要采取 科学有效的方法对其进行保护和发掘研究。 1 2 渤海湾贝壳堤情况的调查 渤海湾西岸及邻区新生代长期下沉，接受巨厚沉积。更新统厚3 0 0 - - 5 0 0m ， 全新统厚2 0 , - 一3 0 m 。自全新世早中期海侵达到最大范围以来，渤海湾西岸相继形成 了数道贝壳堤及堤间低地( 见图1 3 ) ，构成了现代地貌格局的基本框架。 图1 3 上古林贝壳堤剖面示意 在渤海西岸( 天津市汉沽区至河北省黄骅市) 自陆向海排列有i 、i i 、四 道贝壳堤 7 - 1 3 1 ，与现代海岸线大体平行呈垄岗状不连续分布，代表了四个时期海 岸的位置。 第1 道贝壳堤分布于冲积平原西南部，大港区甜水井、大苏庄、沈青庄至黄 骅市苗庄一线，距现代海岸2 2 2 7 公里，贝壳种属反映的环境为滨海河口内湾 软泥滩沉积，是距今5 2 0 0 4 0 0 0 年的古海岸线。 第1 i 道贝壳堤分布于冲积海积平原西部，北起东丽区小王庄、张贵庄，向南 经巨葛庄、中塘直至薛卫台一带，呈南北走向或北西至南东走向断续垄岗状分布， 贝壳种属反映泻湖一滨海生态环境，为距今3 8 0 0 3 0 0 0 年前的古海岸线。堤上 发现有西周和战国文物。 第道贝壳堤分布于冲积海积平原东部，北起汉沽区党校、向南经东丽区白 沙岭、津南区邓岑子、板桥农场三分场至大港区上古林、马棚口一带。距现代海 3 第一章绪论 岸0 - - 2 0 公里，规模宏大，连续性好，以贝壳及其碎片为主，反映泻湖海河口生 态环境，距今2 5 0 0 - - - 1 1 0 0 年形成。堤上发现战国、汉唐文物，即东汉初年至唐 代之间的古海岸线。 第道贝壳堤靠近现海岸，分布于海积平原东部特大高潮线附近，走向大体 与现代海岸一致，北起天津汉沽区蛏头沽，经北塘、天津泰达经济技术开发区、 驴驹河、高沙岭、唐家河直到大港区马棚口一带，在岐口与第道贝壳堤汇合。 以贝壳及其碎片为主，贝壳种属反映潮间带环境，距今7 0 0 - 5 0 0 年形成，明末 清初堤上已有人居住。 渤海西岸贝壳堤的发育规模、时间跨度和所包含的地质古环境信息均为世界 罕见，是古海岸变迁极其珍贵的海洋遗迹，是海陆变迁的重要产物和佐证。它反 映了近一万年以来该地区因气候变化而发生的海陆变迁的过程，对研究古地理、 古气候、海洋生态、海陆变迁等多学科具有重要的科学研究价值。 但是由于经济所限和重视不足等原因，历史上我国的贝壳堤资源受到了严重 的自然侵害和人为破坏呻1 ，因为贝壳堤是由贝类、藻类、有孔虫、介形虫等生物 群组成，将其粗略加工后，可以成为很好的饲料，同时还可以烧制成高质量的制 瓷原料，这吸引了不法分子对古贝壳堤大肆进行破坏。并且在过去相当长的一段 时间内当地老百姓挖掘贝壳堤作为建筑材料。8 0 年代部分贝壳堤被推成了平地。 随着经济的发展第三道贝壳堤则大部分被开发为虾池、养鸭场。 为抢救濒临毁坏的海洋文化遗产，天津市、河北省分别采取一系列保护措施， 河北省政府1 9 9 8 年9 月批准建立了“黄骅古贝壳堤省级自然保护区”1 。天津市于 1 9 9 2 年1 0 月建立了天津古海岸与湿地国家级自然保护区n 钔，以贝壳堤、牡蛎滩珍 稀古海岸遗迹和湿地自然环境及其生态系统为主要保护和管理对象，是我国惟一 以古海岸遗迹为保护内容的国家级自然保护区。 为更好的普及保护贝壳堤和湿地自然环境的环保意识，天津市决定在大港区 上古林建立中国吉林古海岸遗迹博物馆，作为天津市科普教育的基地( 图1 4 ) 。 古贝壳堤展示中心的设计主题是：( 1 ) 重要的古地质科学研究和保护区；( 2 ) 对市民和广大中小学生进行科普教育的基地；( 3 ) 展示天津市和大港丰富的古地质 形态的窗口；( 4 ) 充分体现天津海洋文化和富于园林情趣的城市特色景观。 展示中心分成四个部分：前广场，即室外展览区： 核心保护区；后广场， 即休闲区；堤岸过渡区。前广场分布有研究展览馆、室外展示场、贝壳堤标志等。 研究展览馆地上两层展示多种贝类，地下一层将现场展示贝壳堤的剖面，为在此 4 进行科学研究的人晁和前来参观的游客提供服务。 图14 中国古林古海岸遗迹博物宿 1 3 修建古贝壳堤展示中，b 需解决的问题 拟建博物馆地下一层为贝壳堤剖面展示区，要求博物馆主体建设过程中，最 大程度上减小了对贝壳堤展示剖面的扰动，并要求贝壳堤展示剖面与已建博物馆 在建筑风格上和谐统一：展坑剖面垂直不小于3 米。便于将现有遗迹的形成充分展 示，满足教育基地和科学研究的要求。上述要求带来以下四个方面的问题： 1 组成贝壳堤的贝壳砂是由海生贝壳及其碎片和细砂、粉砂、泥炭、淤泥质 粘土薄层混合而成的组合土，它的岩土力学性能随着贝壳的含量、贝壳的 完整性及外掺成分的性质的变化而变化【1 卅n 。在我国，贝壳堤研究主要集 中在华东海岸地区【1 3 】。虽然国内外学者对渤海湾区域的贝壳堤的形成、 地质特点、海洋生态变化等方面都做出了很多的研究成果，但是组成贝壳 堤的贝壳砂作为一种特殊的土质，它的工程力学性能指标，以及它的受力 变形特点国内外学者却鲜有研究。而展示剖面的稳定分析，必须要先提 供贝壳砂的工程力学性质。而且贝壳砂的工程力学性质的研究，对于工程 方面尚有如下作用： 1 ) 由于贝壳砂工程性质受其贝壳含量影响，对它的工程性质的研究， 对于更好的保护贝壳堤断面，保存现有完整的古贝壳堤都是十分重要 第一章绪论 含有大量易溶解的碳酸盐组成的贝壳，受环境变化的影响较大，因此贝壳砂有着 特殊的工程性质，需要对其工程性质充分进行研究，并在工程设计中加以考虑。 ( 3 ) 贝壳砂地层的加固方法及施工方案研究：由于贝壳堤是一种特殊的岩土， 贝壳砂地层具有渗透性大，含水量高，结构性差，易风化，稳定性低等特点，在 这样的土层中构建展示剖面，开挖展坑以及进行相应的构筑物设计与施工方案研 究在国内外尚属首次，特别是要保证开挖剖面的完整性和展示效果。因此本项研 究重点在于对贝壳堤的加固方法和抗风化问题，选用无毒害、抗紫外线的环保型 灌浆材料，确定灌浆材料的最佳配比，以及实施灌浆加固的施工方案，并检测加 固效果。 ( 4 ) 贝壳堤展示剖面的稳定性分析：保证贝壳堤剖面及展坑的稳定性是该项 研究的核心问题，由于贝壳砂地层的特殊性以及该建筑的独特性，其稳定性的计 算没有规范可依，本项研究采用弹塑性有限元方法模拟贝壳堤展示剖面及展坑的 施工过程，分析其在施工期及在地震作用下的稳定性，从而对经加固处理后的整 个结构的稳定性进行定量评价。 ， 通过以上的研究工作达到如下的研究目标： 1 ) 研究贝壳砂质土工程性质，以及贝壳砂质土工程性质随贝壳含量变化造 成的影响； 2 ) 优化博物馆基础设计，使其施工过程中最大程度上减小对原状贝壳堤的 扰动；设计贝壳堤展示剖面与已建博物馆在建筑风格上和谐统一，使其既 满足展示要求，又满足科研调查需要； 3 ) 对贝壳堤展示剖面试验不同加固材料、加固材料掺量，并验证加固影响 范围和效果： 4 ) 提出加固贝壳堤可行的施工方案： 5 ) 对加固后的动力稳定性给出结论。 1 5 采用的技术路线 根据以上的研究内容，开展了如下的研究工作： ( 1 ) 前期工作：收集资料，分析和研究展览馆的地质情况；对现有的各种地 质断面加固方法进行分析，制定适合于加固贝壳堤的方案；在现有地质勘察报告 的基础上进行了贝壳砂土层物理力学指标的补充试验。通过对贝壳砂进行不同含 量和相对密度的配制，制成不同组的试样进行压缩试验、抗剪试验及耐久性试验。 7 第二章贝壳砂质土的特性研究 与腐蚀前总贝壳砂样质量相比，得到贝壳砂的贝壳含量。 在检测实施过程中，发现0 3 1 5 0 6 3 衄这一粒径组的贝壳砂用人工分拣法 测定贝壳含量比较费时和困难，我们取o 3 1 5 0 6 3 衄这一粒径组的贝壳砂做 了人工分拣法与盐酸腐蚀法测定贝壳含量结果的平行对比试验，发现两种方法测 定结果相近，两者差值仅2 ，因而确定贝壳含量的测定方法修订为：大于0 6 3 衄 的贝壳砂用人工分拣法测定贝壳含量，小于0 6 3 衄的贝壳砂用盐酸腐蚀法测定 贝壳含量。在检测贝壳砂贝壳含量的同时，也对各组贝壳砂样中贝壳含量的粒径 大小的分布状况进行了分析。 根据对取自现场的6 个贝壳砂样的分析，贝壳砂的物理性质如下： ( 1 ) 贝壳的比重2 7 5 克厘米3 ，砂的比重2 6 5 克厘米3 。 ( 2 ) 贝壳砂颗粒级配经过8m x 8 衄筛网筛余的贝壳砂样的颗粒级配比较接 近，1 2 组贝壳砂样的平均颗粒级配见表2 1 所示。 表2 1 贝壳砂平均颗粒级配 粒径衄 52 51 2 5o 6 30 3 1 5o 1 6 小于某粒径土质量百分 9 4 97 4 34 6 21 8 84 71 4 数 通过以上试验分析计算出， 2 5 衄的砾粒( 含贝壳碎片) 占2 5 ，不均匀系数 e = 3 7 ，曲率系数e = 1 8 7 。 ( 3 ) 贝壳砂的细度模数 砂的粗细程度，工程上常用细度模数uf 表示，其定义为： pf _ ( b 2 + b 3 + b 4 + b 5 + b 6 ) 一5 8 1 1 0 0 _ b 1 ，其中b 1 6 按下表取值。 筛孔尺寸衄| 分计筛余( 克)分计筛余百分率( ) 累计筛余百分率( ) 5 0 0m la 1 ：姐1 mb 1 = a l 2 5 0 2 a 2 = m 2 mb 2 = a 1 + a 2 1 2 5 m 3a 3 = 诅3 mb 3 = a 1 + a 3 + a 3 o 6 3 0m 4a 4 ：弛4 m b 4 = a 1 + a 2 + a 3 + a 4 0 3 1 5m 5 a 5 = m 5 mb 5 = a 1 + a 2 + a 3 + a 4 + a 5 o 1 6 0m 6a 6 ：强6 mb 6 = a 1 + a 2 + a 3 + a 4 + a 5 + a 6 砂的规格按细度模数( m x ) 分为粗，中，细三种。 一般水工砼要求用中砂，即2 3 3 0 ，砂细度模数越小砼保水性越好，水泥用 第二章贝壳砂质土的特性研究 表2 - 2 贝壳砂中贝壳的主要生物种类 毛蚶 列齿目蚶科 鸟羽须蚶 扇贝科花鹊栉孔扇贝 密鳞牡蛎 异柱目猫爪牡蛎 瓣鳃纲牡蛎壳 僧帽牡蛎 软体动物门 团聚牡蛎 帘蛤科等边浅蛤 斧蛤科紫藤斧蛤 真瓣鳃目 竹蛭科竹蛭 掘足纲 角贝科大角贝 中腹足目 光螺科双带光螺 腹足纲蛇螺科蛇螺 狭舍目塔螺科黄短口螺 2 3 贝壳砂的化学成份 贝壳砂主要由石英砂和贝壳碎片组成。石英砂的主要成分为二氧化硅，石英 砂硬度为7 ，颜色呈乳白色、淡黄、褐色及灰色，有较高的耐火性能，熔点为1 7 3 0 摄氏度。是制造玻璃、耐火材料、冶炼硅铁、冶金熔剂、陶瓷的主要原料，具有 很强的抗酸性介质浸蚀能力，其化学性质相对稳定。因而研究贝壳砂的化学性质 主要对象是贝壳。另外贝壳砂与普通石英砂的区别在于贝壳极易破碎，贝壳的化 学性质不稳定，因而应研究贝壳砂的颗粒破碎对贝壳砂工程特性的影响及贝壳砂 的耐久性。 用1 4 c 方法检测贝壳的形成年代。测试结果为现代碳( a b p ) 。 用等离子光谱结合常量分析方法测定贝壳的化学成分是：c a c o 。含量约占8 5 ，其余1 5 是微量的硅、镁、钠、铁、钾等化合物、有机质和化合水。贝壳砂 中贝壳的主要成份见表2 - 3 所示乜 。表中的烧失量是指试样在高温下灼烧失去的重 量，由于化合水分、二氧化碳及少量的硫、氟、氯及有机质等物质的挥发，使重 量减轻，所以烧失量是各种化学反应重量增减的代数和。高温下c a c o 。迅速分解成 c a o ，余下类同。 1 3 第二章贝壳砂质土的特性研究 表2 - 3 贝壳砂中贝壳的主要成份 项目结果( ) 烧失量 5 1 9 6 氧化钙( c a o ) 4 8 9 3 氧化镁( m g o ) 0 5 4 氧化铝( a 1 2 0 。) 0 2 l 氧化铁( f e 2 0 。) o 1 7 氧化钾( i 【2 0 )0 0 6 4 氧化钠( n a 2 0 ) 0 0 5 6 氧化硅( s i 0 2 ) 3 9 2 三氧化硫( s 0 。)0 9 3 根据化学分析结果，贝壳砂中的贝壳约有8 5 是碳酸钙，有机质、化合水分 以及微量元素约占1 5 。贝壳的棱柱层和珍珠层主要构成物是方解石( c a l c i t e ) 和文石( a r a g o n i t e ) ，方解石属三方晶系的碳酸盐矿物，硬度为3 ，比重2 6 2 9 ， 加酸急剧起泡，是组成石灰岩和大理岩的主要成分；文石以霰石为主要成分，属 斜方晶系，硬度为3 5 4 ，比重2 9 4 。方解石和文石的化学成分均为c a c o 。，其中 c a o 占5 6 0 3 ，c 0 2 占4 3 9 7 。 碳酸钙的化学性质不稳定，极易溶于酸。根据碳酸钙粉体平均粒径( d ) 的大 小，可以将碳酸钙分为微粒碳酸钙( d 51 1m ) 、微粉碳酸钙( 1um d 5l jm ) 、 微细碳酸钙( 0 1i jm d 1um ) 、超细碳酸钙( 0 0 2 l im d 4 0 1um ) 和超微细 碳酸钙( d 4 0 0 2pm ) 。 ( 1 ) 轻质碳酸钙的粉体特点 a 颗粒形状规则，可视为单分散粉体，但可以是多种形状，如纺锤形、 立方形、针形、链形、球形、片形和四角柱形。这些不同形状的碳酸钙可由控制 反应条件制得。 b 粒度分布较窄。 c 粒径小，平均粒径一般为1 - 3l im 。要确定轻质碳酸钙的平均粒径，可 用三轴粒径中的短轴粒径作为表现粒径，再取中位粒径作为平均粒径。以后除说 明外，平均粒径，即指平均短轴粒径。 ( 2 ) 重质碳酸钙的粉体特点 a 颗粒形状不规则，是多分散粉体。 1 4 第二章贝壳砂质土的特性研究 表2 - 4 贝壳砂的压缩变形特性 贝壳含量 干密度 压缩性特性 相对密度历孔隙比e比重硒压缩系数压缩模量 p d g c r a 一3 a ，m p a - 1 e s m p a 0 3 0 1 3 50 9 9 32 6 60 2 48 2 3 0 0o 5 01 4 60 9 8 42 6 60 2 2 9 1 o 7 01 5 00 7 9 22 6 6o 1 51 1 7 0 3 01 3 01 0 7 32 6 8o 2 58 4 3 7 2o 5 01 3 9