珊瑚砂地基平板載荷模型試驗研究

李洋洋，方祥位，黃雪峰，宋 平，孫發(fā)鑫

(1.中國人民解放軍后勤工程學院 土木工程系， 重慶 401331;2.華潤建筑有限公司西南分公司，成都 610051)

珊瑚砂地基平板載荷模型試驗研究

李洋洋1，方祥位1，黃雪峰1，宋 平1，孫發(fā)鑫2

(1.中國人民解放軍后勤工程學院 土木工程系， 重慶 401331;2.華潤建筑有限公司西南分公司，成都 610051)

珊瑚砂具有不同于普通硅砂的工程力學特性，南海島礁工程建設需要研究珊瑚砂地基的承載及變形等特性。對不同承壓板、不同密實度條件下的珊瑚砂地基進行淺層平板載荷試驗，研究珊瑚砂地基的承載和變形等特性。試驗結果表明：珊瑚砂地基的沉降量隨密實度增大而減小，承載能力和變形模量隨密實度增大而增大；方形承壓板地基的沉降量小于圓形承壓板地基，承載能力和變形模量大于圓形承壓板地基。珊瑚砂地基的實際沉降量為經驗公式計算值的50%～67%；荷載傳遞深度約為承壓板寬度或直徑的2～3倍；水平方向上荷載影響范圍為1～2倍的承壓板寬度或直徑。

珊瑚砂；平板載荷試驗；承載特性；變形特性

南海蘊藏著豐富資源且處于戰(zhàn)略性的地理位置。珊瑚礁是南海中非常寶貴的陸地資源，是南海開發(fā)和南海權益保護的重要立足點，可成為建設旅游、水產、礦產開發(fā)和軍事設施的前方基地，具有重要的戰(zhàn)略意義、科學意義和經濟價值[1-2]。

南海珊瑚礁巖土地層可粗略分為兩層：上層為珊瑚砂層，下層為礁灰?guī)r層。珊瑚砂是一種存在于熱帶海洋環(huán)境的特殊砂土，主要由珊瑚礁巖和珊瑚、貝殼等生物殘骸在風化作用和海水動力作用下破碎、搬運、沉積形成。珊瑚砂主要成分是文石和高鎂方解石，碳酸鈣含量超過97%，因此也常被稱作鈣質砂[3]。

國際上對珊瑚砂的研究開始于二戰(zhàn)后的海上油氣開發(fā)熱潮，隨著多起珊瑚島礁工程建設施工事故的發(fā)生，人們才開始重視對珊瑚砂特殊物理力學特性的研究[4]。Datta，Demars等[5-6]通過珊瑚砂室內試驗研究發(fā)現(xiàn)：碳酸鹽含量會影響珊瑚砂的力學性質及珊瑚砂的破碎特性。Sharma，Poulos等[7-8]通過一系列現(xiàn)場試驗，對珊瑚砂的現(xiàn)場試驗進行了完整評估。1988年在澳大利亞召開的國際鈣質沉積物工程會議上對鈣質沉積物的成因、構造、結構及采樣，鈣質土地基的處理技術、樁基受力計算等問題進行了研究討論。國內對珊瑚島礁的研究起步比較晚，開始于中國科學院南沙綜合科學考察。隨著近年來國家對南海開發(fā)的重視以及南海島礁科學考察的全面開展，我國對珊瑚島礁工程地質以及珊瑚砂工程特性的研究不斷深入且逐漸系統(tǒng)化[1-3,9-11]。汪稔的《南沙群島珊瑚礁工程地質》是國內首部系統(tǒng)論述珊瑚礁工程地質及其物理力學性質的專著。

珊瑚砂具有不同于普通硅砂的工程力學特性，其工程力學性質比較差，具有高孔隙比和顆粒易破碎易膠結等特點，在島礁工程建設中要妥善處理。方祥位等[12]對珊瑚砂進行微生物固化，取得了一定成果。南海島礁工程建設需要研究珊瑚砂的承載及變形特性，但由于珊瑚島礁遠離陸地，使得對珊瑚砂地基進行原位測試研究較困難，因此可通過平板載荷模型試驗研究珊瑚砂地基的承載及變形特性。

1 試驗原材料與試驗方法

1.1 珊瑚砂

試驗所用珊瑚砂取自南海某島礁，篩除大于10 mm的砂顆粒。試驗前對珊瑚砂進行了直剪、固結、顆粒分析等基本的物理性質試驗。表1為珊瑚砂物性試驗結果，表2為珊瑚砂地基的粒徑組成，圖1為珊瑚砂孔隙比-壓力變化曲線。由珊瑚砂地基粒徑組成可以看出：粒徑大于0.25 mm的顆粒含量超過全部質量的50%，屬于中砂。

表1 珊瑚砂物性試驗結果

表2 珊瑚砂地基的粒徑組成

圖1 珊瑚砂孔隙比-壓力變化曲線

1.2 模型箱

將厚度為8 mm鋼板焊接成模型箱，尺寸為1.0 m×l.0 m×1.0 m，由隔板隔出0.6 m×0.6 m×1 m部分，用于本試驗，并設置鋼化玻璃觀察窗。

1.3 土壓力盒的標定

土壓力盒為BW型土壓力盒，量程為0～1 MPa，直徑為12 mm，厚度為4.8 mm，可以在飽和水介質中工作。

土壓力盒的參數一般都是由廠家通過油標方法標定。在油標過程中，土壓力盒上下面受到均勻壓力，但是土壓力盒在珊瑚砂中受到的土壓力不是均勻分布的。不同的工作環(huán)境必然導致輸出結果不同，因此載荷試驗前對所用壓力盒在珊瑚砂中重新進行標定。模擬土壓力盒真實工作環(huán)境，將土壓力盒埋置于試驗裝置粒徑小于0.5 mm的珊瑚砂中，埋置深度為10 cm，標定試驗裝置如圖2所示。加載方式為千斤頂加壓，千斤頂上部連接壓力傳感器。

圖2 標定試驗裝置

首先得到壓力與應變的關系，通過換算得出壓強與應變的關系，然后得到土壓力盒的靈敏度(mV/MPa)。

1.4 試驗方案

通過不同承壓板、不同密實度條件下的對比試驗研究珊瑚砂天然地基承載特性和變形特性。對珊瑚砂地基進行分層填筑，每層10 cm，共8層。采用電子百分表測量沉降，采用千斤頂施加荷載。

承壓板選擇100 mm×100 mm方形鋼板和直徑100 mm的圓形鋼板，厚度均為12 mm。

密實度對珊瑚砂地基的承載和變形特性具有重要影響，相對密實度同時考慮孔隙比和顆粒級配情況的影響，可以較好地反映砂土密實程度?？砂词?1)計算砂土的相對密實度。

(1)

式中：emax為最大孔隙比；emin為最小孔隙比；e為天然孔隙比。

本試驗設置了3種不同的相對密實度，分別為0.44、0.58、0.70，其中相對密實度0.44和0.58為中密，相對密實度0.70為密實，以此研究密實度對珊瑚砂地基承載及變形特性的影響。表3為試驗方案。

表3 試驗方案

在承壓板中心以及距離承壓板中心10、20 cm的位置，深度為10、20、30、40、50 cm處分別埋設微型土壓力盒，觀測這些點相應的土壓力。在中心位置及距中心10、20 cm位置，深度為15、30和50 cm處分別埋設沉降板，觀測這些點相應的沉降量。土壓力盒及沉降板布置情況如圖3所示，圖4為平板載荷試驗照片。

圖3 土壓力盒及沉降板布置情況

圖4 平板載荷試驗照片

2 試驗結果與分析

2.1 承載特性與變形特性

2.1.1 相對密實度對地基沉降的影響

圖5為不同相對密實度珊瑚砂地基p-s曲線。從圖5可以看出：珊瑚砂受壓過程經歷了3個階段。第1階段為壓實階段，此階段p-s曲線近似為直線，施加荷載小于比例界限荷載，地基變形以顆粒之間孔隙減小引起的豎向壓縮為主。第2階段為剪切變形階段，此階段荷載大于比例界限荷載、小于極限荷載，p-s曲線由直線變?yōu)榍€，斜率隨施加荷載增大而增大。此時在承壓板周邊小范圍內，一部分砂土顆粒受到的剪切應力大于珊瑚砂的抗剪強度，砂土顆粒開始向四周擴散，地基變形由砂土豎向壓縮和部分砂土顆粒受剪引起的側向移位組成。第3階段為破壞階段，此階段施加的荷載大于極限荷載，地基沉降急劇增大，珊瑚砂地基中生成連續(xù)滑動面，承壓板周圍出現(xiàn)隆起和放射狀裂縫。相對密實度對珊瑚砂地基沉降影響較大，在同種承壓板條件下，隨著相對密實度增大，珊瑚砂地基的沉降量減小，增長率也減小，承載力增大。

2.1.2 不同承壓板對地基沉降的影響研究

通過圖5(a)、(b)對比可知：承壓板的形狀對珊瑚砂地基的沉降同樣有較大影響，在相同相對密實度、相同荷載條件下，圓形承壓板地基的沉降量大于方形承壓板地基；當密實度分別為0.44、0.58、0.70時，圓形承壓板地基的沉降量比方形承壓板地基分別增加25.08%、37.28%、72.17%；當施加荷載小于比例界限荷載時，在兩種承壓板條件下珊瑚砂地基沉降相差不大，這是由于此階段地基沉降以顆粒之間孔隙減小引起的豎向壓縮為主，承壓板的形狀對沉降影響不大；當施加荷載大于比例界限荷載，圓形承壓板地基沉降開始較明顯大于方形承壓板地基，且相對密實度越大，方形承壓板地基的沉降比圓形承壓板地基減小的越多，這是由于此階段砂土顆粒向四周擴散引起地基沉降，圓形承壓板更有利于砂土向四周擴散。

圖5 不同相對密實度珊瑚砂地基p-s曲線

2.1.3 分層沉降

為了進一步對珊瑚砂地基的承載特性和變形特性進行研究，以圓形承壓板、相對密實度為0.70為例對珊瑚砂地基分層沉降進行分析。圖6為珊瑚砂地基p-s曲線與深度關系，圖7為珊瑚砂地基p-s曲線與距中心距離關系。

由圖6和圖7可知：在同種承壓板同種密實度條件下，隨深度增大，珊瑚砂地基的沉降減小，變形減??；中心荷載處的沉降最大，隨著與中心荷載距離增大，沉降減??；在中心荷載處，沉降隨深度增大而減小，但水平方向超過1倍承壓板直徑，沉降隨深度的增大先增大后減小，這是由于在平板載荷試驗中，壓力在珊瑚砂地基中先有豎向傳遞，當砂土受剪切應力向四周擴散才有水平向傳遞，土壓力近似斜向下傳遞，因此水平方向超過中心1倍承壓板，深度較淺的地基受到的土壓力小于下部地基，沉降也較小。

當深度超過30 cm時，水平方向距中心荷載超過20 cm，沉降不及總沉降的10%，說明荷載對珊瑚砂地基沉降影響主要集中在水平方向1～2倍承壓板直徑和豎直方向2～3倍承壓板直徑范圍內。

圖6 珊瑚砂地基p-s曲線與深度關系

2.1.4 變形模量與地基承載力特征值

變形模量可以較準確地評價珊瑚砂的壓縮性，可由式(2)得出。

(2)

式中：Iu為剛性承壓板形狀對沉降的影響系數，圓形承壓板取0.79，方形承壓板取0.88；μ為珊瑚砂的泊松比，取0.30；p為p-s曲線線性段的壓力(kPa)；d為承壓板的邊長或直徑(mm)；s為與p對應的沉降。

圖7 珊瑚砂地基p-s曲線與距中心距離關系

地基承載力特征值確定方法為：

1) 如果p-s曲線存在比例界限，取該比例界限所對應的荷載值；

2) 如果極限荷載小于對應比例界限的荷載值的2倍，取極限荷載的1/2；

3) 如果不能按上述項要求確定，可取s/d=0.01～0.015所對應的荷載，但其值不應大于最大加載量的1/2。

表4為珊瑚砂地基的變形模量與地基承載力特征值。由表4可知：在同種板型條件下，隨著相對密實度增大，承載力特征值和變形模量也增大；在同種相對密實度條件下，方形承壓板地基的變形模量均大于圓形承壓板地基，3種相對密實度下，方形承壓板變形模量分別增加了11.1%、26.98%、35.80%；隨著相對密實度增大，變形模量增加幅度也增大，因此在珊瑚砂實際施工過程中，可以利用夯實的方法來提高珊瑚砂地基的承載能力，減小地基沉降。

2.1.5 珊瑚砂地基沉降計算方法的修正

利用分層總和法計算最終的沉降，與實際沉降進行比較，對珊瑚砂分層總和法沉降計算公式進行修正。以圓形承壓板、相對密實度為0.44為例進行分析，孔隙比由圖1珊瑚砂孔隙比隨壓力變化曲線確定。表5 為珊瑚砂地基分層沉降法計算結果。

表4 變形模量與地基承載力特征值

表5 沉降計算

由表5可知：ΔS=44.25+32.1+22=98.35 mm。而由圖5(a)可知：珊瑚砂地基的實際沉降為57.06 mm。由此可見，珊瑚砂的實際沉降值比理論公式計算值小。理論公式適用于一般砂土，但是珊瑚砂具有特殊性質，顆粒不規(guī)則有棱角，顆粒間相互咬合且表面粗糙，內摩擦角較普通硅砂大(表1)。珊瑚砂的實際沉降要小于理論公式計算值，因此需要對珊瑚砂的分層沉降法計算公式進行修正。

通過對珊瑚砂地基在不同密實度、不同承壓板條件下的6組試驗數據分析得出：珊瑚砂地基的實際沉降值為經驗公式計算值的50%～67%。因此，為了提高計算準確度，地基沉降量需乘以一個修正系數ψs，即

S=ψsS′

式中：S為地基的實際變形量(mm)；ψs為珊瑚砂地基沉降計算修正系數，取值范圍為50%～67%；S′為按分層總和法計算的地基沉降量。

2.2 土壓力傳遞規(guī)律

2.2.1 土壓力隨深度傳遞規(guī)律

以圓形承壓板、相對密實度為0.44為例對珊瑚砂地基土壓力傳遞規(guī)律進行分析。圖8為各級荷載下距離中心0、10、20 cm處土壓力隨深度的分布。

圖8 各級荷載下土壓力隨深度的分布

從圖8可看出：在中心荷載處，各級荷載作用下土壓力隨著深度增大迅速減小，在1～2倍承壓板直徑深度范圍內，土壓力衰減明顯，衰減超過50%；超過2倍承壓板直徑深度后，土壓力衰減幅度減小，當超過3倍承壓板直徑深度后，土壓力不足荷載的10%；距中心10 cm位置，隨著深度增大，土壓力先增大，在20～30 cm深度，達到最大，然后不斷減?。痪嘀行?0 cm位置，當施加荷載小于200 kPa時，土壓力隨深度增大而增大，當荷載大于300 kPa時，土壓力隨深度增加先增大，在深度20cm處達到最大，后隨深度增加而減小。各級荷載下土壓力隨深度變化在距中心不同位置處表現(xiàn)出不同的規(guī)律，荷載近似斜向下傳遞，承壓板附近淺層的地基受到的力很小。珊瑚砂地基中，荷載傳遞深度為2～3倍承壓板直徑。

2.2.2 土壓力水平方向傳遞規(guī)律研究

同樣以圓形承壓板、相對密實度為0.44為例進行分析。圖9為各級荷載下土壓力隨中心荷載距離的分布。

由圖9可知：在0～30 cm深度范圍內，隨著與中心荷載距離增大，土壓力衰減明顯，當水平方向距中心荷載達到20 cm時，土壓力衰減超過70%。這是因為：珊瑚砂顆粒向承壓板四周擴散，荷載通過砂顆粒的相互作用沿豎直方向和水平方向傳遞，傳遞過程中應力不斷衰減。同樣，證明了荷載對珊瑚砂地基沉降影響主要集中在水平方向1～2倍承壓板直徑和豎直方向2～3倍承壓板直徑范圍內。當荷載的荷載傳遞深度超過30 cm時，土壓力較小，且變化無明顯規(guī)律。此處地基中珊瑚砂顆粒受施加荷載影響較小，而由于珊瑚砂顆粒較普通硅砂形狀不規(guī)則，表面更粗糙，顆粒間相互作用力較大，進而影響土壓力的傳遞。

3 結論

1) 珊瑚砂地基的沉降量隨相對密實度增大而減小，承載能力和變形模量隨相對密實度增大而增大。因此，可以通過夯實的方法提高珊瑚砂地基的承載能力，減小地基沉降量。

2) 方形承壓板地基的沉降量小于圓形承壓板地基，承載能力和變形模量大于圓形承壓板地基。因此，可以通過在珊瑚砂地基中使用方形樁來減小沉降量。

3) 各級荷載下的土壓力隨距中心荷載距離的增大而減小。在水平方向，荷載在珊瑚砂中傳遞距離約為承壓板寬度或直徑的1～2倍。各級荷載下的土壓力隨深度增大而減小，荷載傳遞深度約為承壓板寬度或直徑的2～3倍。

4) 珊瑚砂地基的實際沉降值為經驗公式計算值的50%～67%。

圖9 各級荷載下土壓力隨中心荷載距離的分布

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(責任編輯林 芳)

StudyofPlateLoadModelTestonCoralSandFoundation

LI Yangyang1， FANG Xiangwei1， HUANG Xuefeng1， SONG Ping1, SUN Faxin2

(1.Department of Civil Engineering, Logistical Engineering University of PLA, Chongqing 401331, China; 2.China Resources Construction Corporation ,Chengdu 610051, China)

Coral sand is different from ordinary silica sand on engineering mechanics properties, so it’s necessary to study the bearing characteristic and deformation characteristic of coral sand on coral reefs for engineering constructions.We studied the bearing characteristic and deformation characteristic of coral sand by conducting plate load test through different bearing plates and relative density conditions. The test results shown that the settlement of coral sand decreased with increasing of the relative density, bearing capacity and deformation modulus increased. The settlement of square bearing plate was less than the circular bearing plate, the bearing capacity and deformation modulus of square bearing plate was greater than the circular bearing plate. The actual settlement of coral sand was 50%～67% of calculated value according to norms. Load transfer depth was about 2～3 times width or diameter of bearing plate, in horizontal direction, load could spread to 1～2 times width or diameter of bearing plate.

coral sand; plate load test; bearing characteristic; deformation characteristic

2017-06-07

國家自然科學基金資助項目(51479208)；全軍后勤科研計劃項目

李洋洋(1992—),男,河北滄州人,碩士研究生,主要從事巖土微生物技術及應用研究，E-mail:2291944546@qq.com； 通訊作者 方祥位(1975—),男,重慶人,教授,博士生導師,主要從事非飽和土與特殊土力學及巖土微生物技術研究，E-mail: fangxiangwei1975@163.com。

李洋洋，方祥位，黃雪峰，等.珊瑚砂地基平板載荷模型試驗研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(10):114-121.

formatLI Yangyang，F(xiàn)ANG Xiangwei，HUANG Xuefeng，et al.Study of Plate Load Model Test on Coral Sand Foundation[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(10):114-121.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.10.019

TU441

A

1674-8425(2017)10-0114-08