织物和矿物学特性对碳酸盐粉质粘土动力学的影响

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：The influence of fabric and mineralogy on the dynamics of carbonate silty clays

近海风电场基础设计需应对墨西哥湾及得州海岸的碳酸硅质黏土挑战。通过人工土壤混合物（高塑性黏土与碳酸钙/硅酸盐粉砂）的动三轴和共振柱试验，发现矿物成分显著影响剪切模量：含50%方解石时模量提升34%，含50%硅酸盐时模量降低38%。颗粒级配与矿物组合共同决定了材料的“黏土-砂”行为过渡特性，为近海工程提供关键参数。

　　

作者：Alain Conrado-Palafox | Timothy Newson

加拿大西安大略大学土木与环境工程系岩土研究中心，伦敦，N6A 5B9

摘要

墨西哥湾和德克萨斯湾由于其有利的风况，是建设海上风电场的理想地点。然而，佛罗里达和尤卡坦海岸存在的钙质淤泥和碳酸盐粘土给动态基础系统带来了显著的岩土工程挑战。虽然沙子和天然粘土的动态特性已经相对明确，但粘土基质中碳酸盐淤泥的贡献仍不甚清楚。本研究使用人工土壤来控制淤泥成分和矿物组成的变化。这些混合物将高塑性的湖泊粘土与碳酸钙颗粒（文石和方解石）以及硅酸盐淤泥颗粒混合在一起。通过各向同性固结的三轴试验和共振柱测试，在广泛的应变范围内测量了土壤的动态特性。这些人工碳酸盐混合物的剪切模量与其他海洋沉积物测试结果吻合良好。在100 kPa的压力下，与渥太华粘土相比，文石混合物的剪切模量增加了34%，而硅酸盐混合物仅增加了6%。在参考应变水平下，50%文石混合物的刚度增加了6%，而50%硅酸盐混合物的刚度则降低了38%。含有较高粘土含量的混合物表现出较低的阻尼。结果表明，塑性指数和颗粒级配的异质性显著影响了机械响应，文石-粘土混合物表现出更接近粘土的特性，而硅酸盐-粘土混合物则更接近沙子的特性。

引言

尽管对多种土壤的动态行为进行了广泛研究，并且有相关的经验设计公式，但由于中间型碳酸盐土壤（如淤泥粘土）复杂的矿物组成、结构及颗粒相互作用，其剪切模量和阻尼比仍不甚明确。大多数现有研究集中在天然粘土、无粘聚力土壤以及特定地点的土壤上，这限制了它们的普遍适用性[1,2]。实验室方法，包括使用弯曲元件的各向同性固结三轴试验和共振柱测试，已被用来表征0.00001%至0.1%应变范围内的动态特性。经验模型（如双曲线公式）常用于表示应变依赖的刚度变化，从而减少了对特定地点进行大量研究的需要[[3], [4], [5], [6], [7]]。 许多研究通过实验室测试考察了细粒土壤的小应变刚度，早期关于陆源粘土的研究表明，最大剪切模量（G_max）强烈依赖于有效应力、孔隙比和塑性[[3], [4], [5], [6], [7]]。尽管这些经验公式在设计中得到广泛应用，但它们本质上与硅酸盐土壤的矿物组成和结构相关，因此其是否适用于碳酸盐材料仍不确定。与沙子不同，沙子的颗粒大小分布通常可以用来建立预测性关联，而粘土由于粘结作用、结构及颗粒矿物学因素的差异，难以进行简单的概括[8]。 在细粒土壤中，已知低塑性和低液限的天然粘土往往表现出比高塑性粘土更高的最大剪切模量（G_max）[3], [4], [5], [6], [7]]。低压缩性的淤泥颗粒组合比更具可压缩性的细粒土壤骨架具有更高的剪切波速度[9]，并且清洁沙子中淤泥含量的增加通常会降低刚度。这些现象归因于强颗粒间接触被更易变形和较弱的接触所取代[10,11]。含有粘土和碳酸盐淤泥的中间型土壤的行为尚不明确。当粘土成分成为主要的应力承载介质时，会发生关键转变，此时淤泥颗粒开始表现为被动夹杂物[12]。关于液化倾向的研究表明，当淤泥含量超过12%至30%时，粗颗粒会分离，使材料的机械行为转变为受细粒控制的材料，特别是当细粒的塑性指数（PI < 12%）较低且仅受颗粒间摩擦作用支配时[13]。然而，确定这一转变阈值受到矿物组成、级配、颗粒形状和结构的影响[14]。当淤泥成分由碳酸钙矿物组成时，这种变化更加复杂。研究表明，高塑性指数、高碳酸盐含量和超固结比的粘土具有更高的小应变刚度（G_max）[[15], [16], [17]]。尽管这些研究表明塑性和碳酸盐的存在都会影响G_max，但仍难以确定哪些因素起最重要作用。 对于陆源细粒土壤，剪切模量的降低和阻尼比的增加也已有充分记录。经典的双曲线模型[7,18,19]能够有效捕捉这种非线性行为。为了更好地解释这些模型及其参数，理解控制细粒土壤刚度和阻尼的潜在机制至关重要。细粒土壤的刚度和阻尼行为主要受物理化学和机械因素的共同影响，这些因素改变了颗粒间的粘结、接触刚度和能量耗散。

基于以往的研究，各种因素的相对重要性可以总结如下：塑性指数显著控制了刚度衰减和阻尼曲线的形状和位置。土壤结构或敏感性也有类似的影响，尤其是对于敏感粘土，颗粒间的电化学粘结导致初始刚度更高，阻尼降低[8]。对于碳酸盐细粒土壤，碳酸钙（CaCO3）的颗粒结构和颗粒间粘结的共同作用产生了更高的小应变刚度和稍低的阻尼比[17]。围压作为次要控制因素，主要在低塑性或非塑性材料中增加刚度，而在高塑性或结构化粘土中的影响则不那么明显。最后，初始孔隙比（e_0）和矿物组成调节了这些效应，密度更大、颗粒更粗的基质（e_0较低）表现出更硬的响应和更低的阻尼。然而，现有文献中的关系主要是基于海洋或冲积来源的粘土校准的。墨西哥湾的钙质粘土由于其微观结构特征，表现出不同的参考应变和阻尼比，这表明在没有特定测试确认的情况下，直接外推现有经验关系可能不合适[20]。 尽管墨西哥湾和德克萨斯湾已被确定为适合建设海上风电场的区域，但大范围的碳酸盐土壤的存在为基础设计带来了挑战[21]。表征小应变剪切模量（G_max）、刚度衰减（G/G_max）和阻尼比（D）等动态特性对于评估许多结构和基础的液化潜力及动态土-结构相互作用（SSI）至关重要。这包括受SSI控制的海上和其他循环加载桩基的侧向响应，通常使用p-y曲线进行建模。最近，经典的p-y曲线方法得到了改进，以创建一种更有效的设计方法，考虑了土壤的G_max和桩的刚性[22]。研究人员还最近将应变引起的刚度非线性降低纳入了这种方法[23]。然而，对于墨西哥湾这些风力涡轮机的合适海上重力基础和沉箱基础的SSI分析，目前还缺乏关于碳酸盐土壤动态特性的知识。

本文的空白部分表明了更好地理解这些中间型碳酸盐土壤及其行为转变原因的重要性。目前缺乏预测碳酸盐淤泥粘土动态特性的知识和框架，鉴于这些信息对墨西哥湾未来海上能源基础设施开发的重要性，这一问题亟需解决。

研究目的

本研究旨在评估含有不同比例碳酸盐和硅酸盐淤泥夹杂物的结构化伊利石粘土在小应变下的剪切模量（G_max）变化以及非线性刚度衰减和阻尼行为（G/G_max和D）的变化。这种方法使得能够控制研究碳酸盐含量对小应变刚度的影响，同时保持对海上细粒碳酸盐粘土到淤泥沉积物的真实再现。

材料

选择渥太华粘土来制备人工碳酸盐粘土样品，因为它具有冰川湖泊特征，并且在矿物组成上与海洋沉积物相似。伊利石是墨西哥湾第二丰富的矿物，其浓度从浅水区向深水区逐渐减少[25]，也是渥太华粘土的主要成分。这种来自加拿大东部的湖泊粘土还含有少量高岭石，被归类为敏感材料。原位条件下，这种粘土的平均孔隙比为80%

剪切波速度（v_s）

图6显示了未受扰动和重构的纯渥太华粘土在不同围压（σ_m'）下的剪切波速度（v_s）。如图所示，未受扰动样品的剪切波速度低于重构样品，因为重构样品的初始孔隙比（e_0）较低，从而导致孔隙率降低。因此，由于重构样品内的接触数增加，剪切波传播速度更快

结论

本研究调查了由文石、方解石和硅酸盐淤泥与湖泊粘土混合而成的人工海洋土壤的动态行为和小应变特性。通过受控实验室条件下的共振柱和弯曲元件测试，评估了关键动态参数，如剪切波速度（v_s）、小应变剪切模量（G_max）、刚度衰减（G/G_max）和阻尼比（D）。结果提供了关于矿物组成的影响的见解

作者贡献声明

Alain Conrado-Palafox：撰写——原始草稿、可视化、方法论、数据整理、概念化。 Timothy Newson：撰写——审稿与编辑、监督、概念化。

原创性声明

细粒土壤的动态特性通常通过为陆源沉积物开发的经验模型来描述。然而，尽管碳酸盐混合物在海上基础设计中很重要，但相关研究非常有限。本研究提供了来自重构粘土和含有控制比例的硅酸盐和碳酸盐淤泥的人工混合物的共振柱和弯曲元件测试的新经验数据。结果突显了矿物夹杂物的影响

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢CONAHCYT（Consejo Nacional de Humanidades Ciencias y Tecnologias）提供的奖学金。