四種形狀珊瑚砂顆粒組合試樣的靜止側(cè)壓力系數(shù)變化

李騰飛，柴壽喜

（天津城建大學(xué)地質(zhì)與測繪學(xué)院，天津300384）

珊瑚砂顆粒是一種由死亡的珊瑚、貝類等遺骸經(jīng)過了漫長的物理與化學(xué)風(fēng)化作用形成的一種特殊巖土介質(zhì)[1-3].與陸源砂相比，珊瑚砂顆粒具有顆粒易破碎、形態(tài)不規(guī)則、高內(nèi)摩擦角、高孔隙比、粒間咬合力大等顯著特征[4].在中國南海的島礁工程建設(shè)中，一般就地取材，采用珊瑚礁沉積物作為場地吹填造陸材料，因此研究珊瑚礁砂顆粒石填料的力學(xué)特性具有重要的工程意義[5].

珊瑚砂礫屬于粗顆粒土，現(xiàn)階段測定粗顆粒土靜止側(cè)壓力的方法相對較少. 國外方面，Jacky[6]和Terzaghi[7]分析了土的有效摩擦角與靜止側(cè)壓力系數(shù)的關(guān)系并建立了經(jīng)驗公式，但是年代久遠(yuǎn)且誤差較大，認(rèn)可度不高.國內(nèi)方面，喻昭晟[8]引入鄧肯-張模型參數(shù)，建立了靜止土壓力系數(shù)數(shù)學(xué)公式，同時提出了粗顆粒土靜止土壓力系數(shù)非線性計算方法，并對公式參數(shù)敏感性進(jìn)行了分析，取得了較精確的結(jié)果.朱俊高[9]利用大型靜止側(cè)壓力試驗儀對粗顆粒土進(jìn)行了不同應(yīng)力狀態(tài)下的靜止側(cè)壓力系數(shù)試驗.結(jié)果表明顆粒形態(tài)對粗粒土K0有一定影響.為更為精確地測定粗顆粒土的靜止側(cè)壓力系數(shù)，朱俊高[10]通過在大型單向壓縮試驗中埋設(shè)土壓力盒，測試了砂卵礫石的K0系數(shù)，重點研究了應(yīng)力狀態(tài)與粗顆粒土K0系數(shù)的關(guān)系，建立了超固結(jié)比OCR 和K0系數(shù)的變化關(guān)系式. 此外蔣明杰[11]利用大型K0測試儀，對砂卵石的靜止側(cè)壓力系數(shù)進(jìn)行了研究，結(jié)合大型三軸CD 試驗的結(jié)果，提出了根據(jù)有效內(nèi)摩擦角估算靜止側(cè)壓力系數(shù)的經(jīng)驗公式.這些粗顆粒土靜止側(cè)壓力系數(shù)的研究豐富了粗顆粒土的靜止側(cè)壓力系數(shù)理論，但是由于精度問題，試驗都有一定的誤差. 在理解靜止側(cè)壓力系數(shù)原理的基礎(chǔ)上，嘗試采用水囊標(biāo)定法對實驗壓縮裝置進(jìn)行標(biāo)定，之后利用壓縮裝置測量珊瑚砂礫的靜止側(cè)壓力系數(shù)，來減少儀器帶來的誤差.

在中國南海填海造陸工程中，精準(zhǔn)的靜止側(cè)壓力系數(shù)能夠準(zhǔn)確地計算出人工島嶼邊界擋土構(gòu)件的土壓力大小，可以很好地指導(dǎo)現(xiàn)場施工.所以說靜止側(cè)壓力系數(shù)的研究是一項非常有價值的研究.研究不同顆粒組合和摻量下珊瑚砂顆粒的靜止側(cè)壓力系數(shù)的變化特征，可以彌補(bǔ)粗顆粒土靜止側(cè)壓力系數(shù)研究較少的不足，豐富粗顆粒土靜止側(cè)壓力系數(shù)研究理論，為今后中國南海地區(qū)填海造陸工程提供理論依據(jù).對于學(xué)術(shù)研究和工程實踐來說都有重大的意義.

1 試驗材料、儀器與方法

1.1 試驗材料

試驗所用珊瑚砂顆粒取自中國南沙群島某珊瑚島礁，其主要成分是碳酸鹽沉積物.為消除試樣與裝置的尺寸效應(yīng)，突出顆粒形狀與壓縮特性的關(guān)系，本試驗顆粒粒徑控制在10～20 mm. 四種珊瑚砂顆粒破碎前、破碎后形狀對比見圖1.

1.2 試驗儀器

圖1 四種珊瑚砂顆粒破碎前后的形狀

實驗儀器由三部分組成，包括應(yīng)力加載系統(tǒng)、應(yīng)變采集系統(tǒng)和加載控制系統(tǒng).應(yīng)力加載系統(tǒng)為深圳科比試驗設(shè)備有限公司生產(chǎn)的CMT 萬能伺服試驗機(jī)，其最大加載量為100 kN，通過計算機(jī)加載控制系統(tǒng)操控.應(yīng)變采集系統(tǒng)型號為DH3816N，為靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測試系統(tǒng)，由東華測試技術(shù)股份有限公司生產(chǎn).

試樣筒裝置分別由上蓋、中部容器筒和下底三部分組成.上蓋和下底的制作材料為有機(jī)玻璃，容器筒材質(zhì)為6061 鋁材.

1.3 試驗方法

天然狀態(tài)下珊瑚砂顆粒的粒徑分布不均勻，由塊狀、枝狀、片狀和棒狀組成，塊狀顆粒明顯多于其他形狀顆粒.在吹填造陸工程中，隨著流速的變化，不同地段有著不同含量的形狀組合.因此，實驗試樣以塊狀為基礎(chǔ)，往塊狀中添加不同質(zhì)量百分比的其他形狀的珊瑚砂顆粒，得到塊狀、塊狀加枝狀、塊狀加棒狀、塊狀加片狀四個組合.

首先人工分選出10～20 mm 粒徑的塊狀、棒狀、枝狀和片狀顆粒，以100%塊狀顆粒為基礎(chǔ)做一個試樣，然后將棒狀、枝狀和片狀三個形狀分別按照10%、20%和30%的配比摻入塊狀顆粒中再制作9 個試樣，共10個試樣.每個試樣的質(zhì)量均固定值，均定為3 500 g.9個試樣組合情況見表1.

表1 試樣組成情況

壓縮試驗采用常規(guī)加載方式，豎向加載等級依次為50，100，200，400，800 kpa.加載達(dá)到每級荷載時，穩(wěn)定1 h，使試樣充分壓縮，并通過DH3816N 靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)實時測量試樣的水平向應(yīng)變.

2 容器筒應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系標(biāo)定

裝置采用水囊法進(jìn)行標(biāo)定:即利用裝滿水的氣囊替代土樣，認(rèn)為水的K0=1.通過萬能試驗機(jī)設(shè)置不同的豎向壓力，有機(jī)玻璃上底面面積已知，從而可以計算出豎向應(yīng)力.

因水的各向同性，即認(rèn)定水所受的水平應(yīng)力與法向應(yīng)力相等從而可求得水平向應(yīng)力，將鋁管四周前后左右4 個方向各四等分點處貼BFH120-3AA-D100型號電阻應(yīng)變片，如圖2 所示.

圖2 應(yīng)變片位置示意

應(yīng)變片靈敏系數(shù)為2.0±1%.通過電腦采集每級荷載條件下所對應(yīng)的應(yīng)變值.環(huán)形鋁管的彈性模量可根據(jù)下式計算，即

式中:R0為外徑；Ri為內(nèi)徑；E 為彈性模量；Pi為水平向的應(yīng)力；ε 為水平向應(yīng)變.

測定水平向的應(yīng)力和水平向應(yīng)變時，先將水裝入足夠大的氣囊中，隨后將氣囊扎口放入鋁管內(nèi)，利用萬能伺服試驗機(jī)對氣囊進(jìn)行承壓試驗，每級荷載為1 kN，加載速率為50 N/s，靜置3 min，最終加載至15 kN 即375 kPa.通過靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)測出應(yīng)變片在不同荷載等級下水平向的應(yīng)變.

將每一級荷載選出穩(wěn)定階段數(shù)值計算平均值，得出每個應(yīng)變片在每級荷載下的平均應(yīng)變，隨后計算每個點的水平應(yīng)力，整理出水平向的應(yīng)力-應(yīng)變實驗數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖3 所示.

圖3 水平向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

由圖3 可知，應(yīng)力應(yīng)變曲線線性擬合較好，將應(yīng)變片斜率取平均得1 960.6，將結(jié)果帶入公式可得鋁管的彈性模量為68.5 GPa，經(jīng)查工程材料屬性表得知6 061 鋁的彈性模量為68.9 GPa，從數(shù)據(jù)上證明結(jié)果可靠，此標(biāo)定方法可行.常用工程材料屬性表見表2.

表2 常用工程材料屬性

3 試驗過程及結(jié)果分析

由于珊瑚砂顆粒不涉及到排水問題，在加載過程中，法向荷載加載速率可適當(dāng)加快，達(dá)到加載等級后穩(wěn)定1 h，使試樣充分壓縮.具體法向應(yīng)力與加載時間關(guān)系見圖4.

圖4 法向應(yīng)力與時間關(guān)系曲線

3.1 片狀顆粒摻量對靜止側(cè)壓力系數(shù)的影響

在相同的法向應(yīng)力的作用下，隨著片狀珊瑚砂顆粒摻量的增加，靜止側(cè)壓力系數(shù)呈增大趨勢，如圖5所示.100%塊狀組合時靜止側(cè)壓力系數(shù)最小為0.355.片狀珊瑚砂礫摻量為10%、20%、30%時靜止側(cè)壓力系數(shù)分別增加到0.348，0.365，0.391.靜止側(cè)壓力系數(shù)隨著片狀珊瑚砂顆粒的增加而增大是因為100%塊狀珊瑚砂顆粒時相互之間咬合較緊密，整體性較好，所以不容易發(fā)生側(cè)向移動，從而靜止側(cè)壓力系數(shù)較小.隨著片狀顆粒的加入，導(dǎo)致原來比較致密的結(jié)構(gòu)變得疏松，使珊瑚砂顆粒組合試樣更容易發(fā)生側(cè)向移動，從而導(dǎo)致水平向應(yīng)力變大，進(jìn)而導(dǎo)致靜止側(cè)壓力系數(shù)變大.

圖5 片狀顆粒摻量對靜止側(cè)壓力系數(shù)的影響

3.2 枝狀顆粒摻量對靜止側(cè)壓力系數(shù)的影響

在相同的法向應(yīng)力的作用下，隨著枝狀顆粒摻量越多，其靜止側(cè)壓力系數(shù)呈增大趨勢，如圖6 所示.摻量為10%，20%，30%時，對應(yīng)增加到0.368，0.371，0.406.原因是因為相對于塊狀顆粒與試樣筒內(nèi)壁接觸主要以面接觸為主來說，枝狀顆粒由于其枝、杈結(jié)構(gòu)發(fā)育，在壓縮過程中與內(nèi)壁的接觸主要以點接觸為主，這造成內(nèi)壁受力產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中效應(yīng)，導(dǎo)致側(cè)向應(yīng)變值偏大. 土體的水平向應(yīng)力是應(yīng)變片實時應(yīng)變值與彈性模量的乘積，因此使得相應(yīng)的水平應(yīng)力增大，從而在相同法向荷載水平下，測得的靜止側(cè)壓力系數(shù)大.

圖6 枝狀顆粒摻量對靜止側(cè)壓力系數(shù)的影響

3.3 棒狀顆粒摻量對靜止側(cè)壓力系數(shù)的影響

在相同的法向應(yīng)力的作用下，隨著棒狀珊瑚砂顆粒摻量的增加，靜止側(cè)壓力系數(shù)呈增大趨勢，如圖7所示.100%塊狀時，靜止側(cè)壓力系數(shù)最小值為0.355.摻量為10%，20%，30%時，對應(yīng)增加到0.373，0.410，0.437.靜止側(cè)壓力系數(shù)隨著棒狀珊瑚砂顆粒的增加而增大，這是因為棒狀與枝狀類似，與實驗裝置側(cè)壁的接觸都是點接觸，但是棒狀珊瑚砂顆粒相較于枝狀來說更加光滑，這就造成塊狀加棒狀珊瑚砂顆粒組合試樣的整體性更差，在相同的法向應(yīng)力下相較于摻加枝狀珊瑚顆粒更容易發(fā)生側(cè)向移動，導(dǎo)致水平向應(yīng)力增大，進(jìn)而使靜止側(cè)壓力系數(shù)變大.

圖7 棒狀顆粒摻量對靜止側(cè)壓力系數(shù)的影響

3.4 顆粒形狀對靜止側(cè)壓力系數(shù)的影響

法向荷載作用下，不同形狀的珊瑚砂顆粒組合，靜止側(cè)壓力系數(shù)隨摻量變化見圖8.

圖8 不同顆粒形狀及組合摻量下K0 對比

由圖8 可以看出，在枝狀、片狀、棒狀摻量相同的情況下，塊狀加棒狀試樣的靜止側(cè)壓力系數(shù)最大；塊狀加片狀最??；塊狀加枝狀處于塊狀加棒狀和塊狀加片狀之間.這是因為片狀顆粒組合破碎后形成更小的片體，填充了塊體顆粒間的孔隙，形成更為致密的整體，在法向荷載作用下不容易側(cè)向移動，所以在一維壓縮過程中產(chǎn)生的側(cè)向變形就小，直接導(dǎo)致側(cè)向應(yīng)力小，所以靜止側(cè)壓力系數(shù)就偏小.棒狀、枝狀顆粒組合破碎后形成更小的棒狀和枝狀顆粒，這些顆粒不易與塊狀顆粒形成連鎖嵌套的致密整體結(jié)構(gòu)，在法向荷載作用下顆粒間的位置不斷發(fā)生變化，逐漸向更加穩(wěn)定的平衡狀態(tài)發(fā)展，即在一維壓縮過程中容易發(fā)生側(cè)向移動，所以產(chǎn)生的側(cè)向變形就大，因而側(cè)向應(yīng)力大，所以K0相對較大.而同等摻量情況下，塊狀加棒狀組合之所以稍大于塊狀加枝狀組合，是因為棒狀相對于枝狀來說表面更為光滑，破碎后不容易與塊狀形成連鎖嵌套的致密整體結(jié)構(gòu)，即更容易發(fā)生側(cè)向移動，導(dǎo)致靜止側(cè)壓力系數(shù)變大. 所以在同等摻加量的情況下，塊狀加棒狀組合大于塊狀加枝狀組合.

4 結(jié) 論

（1）一維壓縮過程中，珊瑚砂顆粒在相同摻加量的情況下，塊狀加棒狀試樣的靜止側(cè)壓力系數(shù)最大，10%摻量時為0.373，20%摻量時為0.410，30%摻量時為0.437；塊狀加枝狀處于塊狀加棒狀與塊狀加片狀之間，10%摻量時為0.368，20%摻量時為0.371，30%摻量時為0.406；塊狀加片狀最小，10%摻量時為0.348，20%摻量時為0.365，30%摻量時為0.391.

（2）在不同摻量條件下K0變化范圍為0.34～0.45.

（3）由計算彈性模量與對比常用材料屬性表證實，水囊標(biāo)定法是便捷可行的標(biāo)定方法.