一种珊瑚砂相对密度的修正测定方法与流程

本技术实施例涉及岩土工程试验，尤其涉及一种珊瑚砂相对密度的修正测定方法。

背景技术：

1、相对密度是评价无黏性土密实度的核心指标，广泛应用于砂土、砾石等粗粒土的工程分类与力学性状评价。相对密度的定义为，其中为最大孔隙比，为最小孔隙比，为天然孔隙比。现行国家标准《土工试验方法标准》gb/t50123-2019规定了最大孔隙比和最小孔隙比的标准测定方法：最大孔隙比采用漏斗法或量筒松砂法测定，最小孔隙比采用振动锤击法或干振法测定。

2、然而，珊瑚砂是由海洋生物珊瑚骨骼经破碎、搬运和沉积形成的碳酸钙质砂土，其颗粒具有多孔、脆性高、强度低等显著的工程地质特性。将gb/t50123-2019标准方法直接应用于珊瑚砂的相对密度测定，存在以下四方面技术缺陷：

3、第一，标准方法未考虑测定过程中颗粒破碎对极限孔隙比测定的系统性影响。在漏斗法测定时，砂粒从一定高度自由下落撞击盛样容器底部或已堆积的砂面，该冲击作用导致颗粒破碎，测定的实际上是"破碎后"的较大孔隙比，而非原始级配砂样的真实最大孔隙比；在干振法或锤击法测定时，振动或锤击能量使颗粒进一步破碎、棱角磨圆并填充孔隙，测定的同样偏离原始级配砂样的真实最小孔隙比。由于测定值偏小、测定值偏大（相对于原始级配而言），导致按标准方法计算的系统性偏高，不能真实反映珊瑚砂的密实状态。

4、第二，标准方法未区分骨架孔隙与颗粒内孔隙，致使相对密度不能反映真实的颗粒排列密实度。珊瑚砂颗粒内部存在大量由生物骨骼结构遗留的封闭或半封闭孔隙（内孔隙），该部分内孔隙不参与颗粒间的力学传递和孔隙水渗流，但在常规的体积-质量法孔隙比测定中，内孔隙体积被计入总体积，导致按总孔隙比计算的低估了珊瑚砂实际的骨架排列密实度。在工程实践中，这会导致对珊瑚砂地基承载力和变形特性的误判。

5、第三，标准方法未考虑级配变化对相对密度评价结果可比性的影响。不同初始级配的珊瑚砂，即使测定的相对密度相同，由于破碎后的级配演化路径不同，其力学性质（如内摩擦角、压缩性、渗透系数）也可能存在显著差异。采用单一指标无法区分由级配差异引起的力学行为差异，降低了相对密度作为工程评价指标的可靠性。

6、第四，标准方法缺乏针对珊瑚砂长期力学稳定性的评价手段。珊瑚砂在荷载作用下会发生持续的颗粒破碎和级配调整，其力学性质随时间或荷载历程而演化。标准方法仅提供瞬时状态的测定结果，无法评价珊瑚砂在长期荷载或振动作用下的破碎稳定趋势及其对工程长期安全性的影响。

7、综上所述，现有gb/t50123-2019标准方法在应用于珊瑚砂相对密度测定时，存在因颗粒破碎导致的测定失真、因内孔隙未扣除导致的密实度低估、因级配变化导致的评价结果不可比以及缺乏长期稳定性评价手段等技术问题，亟需一种专门针对珊瑚砂工程特性的相对密度修正测定方法。

技术实现思路

1、为此，本发明提供一种珊瑚砂相对密度的修正测定方法，用以克服现有技术中因制备能量、振动时长和颗粒内孔隙影响导致珊瑚砂相对密度测定结果不准确的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种珊瑚砂相对密度的修正测定方法。包括：

3、步骤s1，采用可控落高的漏斗法测定珊瑚砂在不同制备能量下的最大孔隙比，建立所述最大孔隙比与制备能量之间的线性关系式，将所述线性关系式外推至制备能量为零的状态，获得真实最大孔隙比；

4、步骤s2，采用可控振动时间的干振法测定珊瑚砂在不同振动时长下的最小孔隙比，建立所述最小孔隙比与振动时长之间的指数衰减关系式，将所述指数衰减关系式外推至振动时长为零的状态，获得真实最小孔隙比；

5、步骤s3，测定珊瑚砂颗粒的内孔隙率，计算内孔隙比，并基于总孔隙比计算有效孔隙比；

6、步骤s4，基于所述真实最大孔隙比、所述真实最小孔隙比和所述有效孔隙比，计算有效相对密度。

7、进一步地，所述步骤s1中，采用可控落高的漏斗法，通过调节落高控制制备能量，测定珊瑚砂在不同制备能量下的最大孔隙比，建立所述最大孔隙比与制备能量之间的线性关系式：

8、；

9、其中，为最大孔隙比，为制备能量，为真实最大孔隙比，为最大孔隙比衰减系数；

10、并将所述线性关系式外推至制备能量为零，获得所述真实最大孔隙比。

11、进一步地，所述步骤s2中，采用可控振动时间的干振法，测定珊瑚砂在不同振动时长下的最小孔隙比，建立所述最小孔隙比与振动时长之间的指数衰减关系式：

12、；

13、其中，为最小孔隙比，为振动时长，为真实最小孔隙比，为稳定态最小孔隙比，τ为特征时间常数；

14、并将所述指数衰减关系式外推至振动时长为零，获得所述真实最小孔隙比。

15、进一步地，所述步骤s3中，测定所述珊瑚砂的内孔隙率的方法包括水银压入法或气体吸附法；

16、所述内孔隙比按照以下公式计算：

17、；

18、其中，为内孔隙比，为所述珊瑚砂的内孔隙率，gs为所述珊瑚砂颗粒的比重；

19、所述有效孔隙比按照以下公式计算：

20、；

21、其中，为有效孔隙比，为所述珊瑚砂的整体总孔隙比。

22、进一步地，所述步骤s4中，所述有效相对密度按照以下公式计算：

23、；

24、其中，为有效相对密度，为所述真实最大孔隙比，为所述真实最小孔隙比，为所述有效孔隙比。

25、进一步地，还包括：

26、对珊瑚砂进行标准振动至颗粒破碎稳定，测定稳定态最大孔隙比和稳定态最小孔隙比，计算稳定态相对密度：

27、；

28、其中，为稳定态相对密度，为所述稳定态最大孔隙比，为所述稳定态最小孔隙比，为天然孔隙比；

29、基于所述稳定态相对密度评价珊瑚砂的长期力学稳定性。

30、进一步地，还包括：

31、计算孔隙比指数：

32、；

33、其中，为孔隙比指数，为天然孔隙比，为所述真实最小孔隙比，为所述真实最大孔隙比；

34、基于所述孔隙比指数评价珊瑚砂的密实状态。

35、进一步地，还包括：

36、计算破碎影响指数：

37、；

38、其中，bi为破碎影响指数，为实测破碎率，为最大破碎率；

39、基于所述破碎影响指数评价珊瑚砂的密实状态。

40、进一步地，还包括对同一珊瑚砂试样平行测定至少三次，取各测定结果的平均值作为最终测定值。

41、进一步地，所述真实最大孔隙比和所述真实最小孔隙比均以无量纲形式输出，所述有效相对密度以百分比形式输出。

42、与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本实施例通过建立最小孔隙比与振动时长之间的指数衰减模型，并将拟合曲线外推至振动时长为零的状态，有效剔除了振动过程中输入能量对颗粒排列密实化的额外干扰，避免了常规方法因固定振动时长导致测定结果偏小的问题，同时通过多时长测定与非线性拟合相结合的方式，充分考虑了珊瑚砂颗粒在振动作用下的渐进密实行为，能够同时获取真实最小孔隙比、稳定态最小孔隙比和特征时间常数，既提高了最小孔隙比测定结果的准确性和物理意义明确性，又为后续有效相对密度的计算提供了可靠的基准参数，且该方法不依赖于经验选定的振动时长，具有良好的可重复性和操作规范性。

43、进一步地，本实施例通过水银压入法或气体吸附法精确测定珊瑚砂颗粒的内孔隙率，并换算为内孔隙比，进而从整体总孔隙比中予以扣除，获得了表征颗粒间有效连通孔隙的有效孔隙比，有效剔除了珊瑚砂颗粒内部生物遗骸腔体等无效孔隙对相对密度计算的影响，使后续有效相对密度的计算更加准确可靠，物理意义更加明确。

44、进一步地，本实施例通过将经外推修正获得的真实最大孔隙比和真实最小孔隙比与扣除内孔隙后的有效孔隙比代入有效相对密度公式，并结合一致性校验与校正机制，消除了制备能量、振动时长及颗粒内孔隙对测定结果的综合干扰，使有效相对密度的计算值严格限定在0~1的物理合理区间内，相比常规方法显著提高了测定准确性和物理合理性，为珊瑚砂地基工程的设计与评价提供了更加可靠的参数依据。

45、进一步地，本实施例通过测定珊瑚砂在颗粒破碎稳定状态下的稳定态最大孔隙比和稳定态最小孔隙比，并计算稳定态相对密度，为珊瑚砂地基的长期力学稳定性评价提供了量化指标，弥补了常规相对密度试验仅能反映当前状态而无法评价长期稳定性的不足，为珊瑚砂岛礁工程的长周期安全运营提供了重要的试验依据。