中國(guó)南海珊瑚鈣質(zhì)砂壓縮特性

劉志遐， 郭成超*， 曹鼎峰， 黃銳

(1.中山大學(xué)土木工程學(xué)院， 廣州 510275； 2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海)， 珠海 519000； 3.廣東省海洋土木工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州 510275； 4.廣東省地下空間開發(fā)工程技術(shù)研究中心， 廣州 510275)

珊瑚鈣質(zhì)砂在中國(guó)南海地區(qū)廣泛分布，是近年來(lái)人工島礁吹填地基的主要用料[1]。相比于傳統(tǒng)的大陸區(qū)域常見(jiàn)的石英砂地基，珊瑚鈣質(zhì)砂具有完全不同的工程性質(zhì)[2-3]，這是因?yàn)樯汉麾}質(zhì)砂具有形狀不規(guī)則、強(qiáng)度低、棱角度高、難飽和、易破碎的特點(diǎn)[4]。目前，關(guān)于人工吹填島礁地基沉降規(guī)律的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，這就不可避免地造成了地質(zhì)和工程災(zāi)害的發(fā)生，給新時(shí)期遠(yuǎn)洋人工島礁建設(shè)及運(yùn)行帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。以典型的日本關(guān)西機(jī)場(chǎng)為例，該機(jī)場(chǎng)在完全啟用7年后，一號(hào)和二號(hào)人工島跑道最大沉降量分別達(dá)到了12.9 m和14.2 m，大大超出了設(shè)計(jì)允許值，也帶來(lái)了巨大經(jīng)濟(jì)損失[5]。蘭恒星等[6]基于InSar監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，中國(guó)南海某島礁修建3年后沉降超過(guò)了0.01 m，但并不能排除在外部動(dòng)力條件影響下鈣質(zhì)砂島礁沉降加劇甚至突變的可能，其未來(lái)沉降變形趨勢(shì)仍存在較強(qiáng)的不確定性。

根據(jù)尺度不同，針對(duì)珊瑚鈣質(zhì)砂沉降規(guī)律的研究可分為室內(nèi)土工試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)平板載荷試驗(yàn)和原位監(jiān)測(cè)3個(gè)方面。受現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、成本和監(jiān)測(cè)技術(shù)等條件限制，現(xiàn)場(chǎng)平板載荷和原位試驗(yàn)?zāi)壳叭詰?yīng)用較少，一般只用于大型工程建設(shè)前的勘察和運(yùn)營(yíng)中[7]。所以，室內(nèi)土工試驗(yàn)依然是研究珊瑚鈣質(zhì)砂工程性質(zhì)的主要手段。室內(nèi)試驗(yàn)又可細(xì)分為單軸固結(jié)、三軸壓縮、剪切與滲透性試驗(yàn)。其中單軸固結(jié)試驗(yàn)是研究珊瑚鈣質(zhì)砂地基沉降規(guī)律的一種重要手段，用于測(cè)定不同荷載作用下珊瑚鈣質(zhì)砂變形規(guī)律和恒定荷載下的蠕變規(guī)律。測(cè)量不同荷載作用下珊瑚鈣質(zhì)砂土體的壓縮量，確定珊瑚鈣質(zhì)砂的壓縮系數(shù)和壓縮模量，可為工程建設(shè)提供基本參數(shù)；測(cè)定恒定荷載作用下珊瑚鈣質(zhì)砂的蠕變規(guī)律，對(duì)沉降量和時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行分析，可以預(yù)測(cè)珊瑚鈣質(zhì)砂的最終沉降量及沉降速率。

已有文獻(xiàn)表明珊瑚鈣質(zhì)砂的壓縮性質(zhì)受應(yīng)力路徑、荷載大小和時(shí)間控制[8-10]。除此之外，島礁地基在波浪的影響下，地基中的地下水位在反復(fù)變化，導(dǎo)致地基中有效應(yīng)力也在發(fā)生著變化。這就造成島礁地基的沉降很難用典型的主固結(jié)沉降和次固結(jié)理論來(lái)解釋。傳統(tǒng)研究思路中認(rèn)為土體的次固結(jié)都是發(fā)生在主固結(jié)之后，但是在中國(guó)南海島礁地基中，二者可能會(huì)交替出現(xiàn)，這就需要進(jìn)一步研究地基含水率對(duì)其沉降規(guī)律的影響[11-12]。此外，中國(guó)南海島礁地基在吹填過(guò)程中，由于不同粒徑顆粒揚(yáng)程不同，一般較小顆粒吹填距離較遠(yuǎn)，較重顆粒吹填距離較近，這就導(dǎo)致地基中土顆粒分布的不均勻性。張家銘等[13]對(duì)取自南沙群島永暑礁附近海域的鈣質(zhì)砂進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明鈣質(zhì)砂顆粒破碎程度隨著顆粒粒徑的增加而增大，松散試樣的顆粒破碎程度要比密實(shí)試樣嚴(yán)重，但其并未研究不同粒徑的珊瑚鈣質(zhì)砂沉降及蠕變規(guī)律。除此之外，不同地點(diǎn)的珊瑚鈣質(zhì)砂中的碳酸鈣的含量也有區(qū)別。李颯等[14]的研究結(jié)果表明：碳酸鈣含量變化對(duì)砂土的力學(xué)性質(zhì)影響顯著，碳酸鈣含量增加、粒徑增大對(duì)含碳酸鹽砂的內(nèi)摩擦角有提升作用，但其并未研究碳酸鈣含量對(duì)珊瑚鈣質(zhì)砂壓縮特性的影響。一些學(xué)者嘗試采用外加劑固化[15-16]或者微生物固化[17]的方式對(duì)珊瑚鈣質(zhì)砂進(jìn)行加固，以此提高其力學(xué)性質(zhì)。但是這些方法不便于在工程中大范圍使用，研究珊瑚鈣質(zhì)砂的壓縮性并在工程前期做好地基處理仍然是目前最常用的工程處理手段。

據(jù)此，現(xiàn)采用取自中國(guó)南海某海域的3種不同顆粒級(jí)配的珊瑚鈣質(zhì)粉砂和1種珊瑚鈣質(zhì)細(xì)砂，通過(guò)一維側(cè)限固結(jié)壓縮試驗(yàn)測(cè)試其壓縮特性，探討含水率、碳酸鈣含量與顆粒粒徑對(duì)其壓縮特性的影響，并通過(guò)固結(jié)試驗(yàn)確定其沉降量與時(shí)間之間的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)儀器與土樣

使用WG型單杠桿高壓固結(jié)儀，該固結(jié)儀的加壓范圍為12.5～4 000 kPa。荷載采用砝碼加壓，軸向變形由量程10 mm、最小分度值0.01 mm的百分表來(lái)量測(cè)。

本次試驗(yàn)使用的土樣A與土樣B、C分別取樣自中國(guó)南海西沙群島的兩處地點(diǎn)，土樣A顏色為白色，土樣B、C呈現(xiàn)灰褐色。土樣D由篩去粒徑大于2 mm顆粒的土樣B與高嶺土以干質(zhì)量9∶1的比例配置而成。4種土樣的礦物成分概況如表1所示，4種土樣的顆粒篩分曲線與粒徑參數(shù)如圖1和表2所示。采用的珊瑚鈣質(zhì)砂最優(yōu)含水率參考雷學(xué)文等[18]重型擊實(shí)試驗(yàn)的結(jié)果，最優(yōu)含水率為15.6%。計(jì)算過(guò)程中采用珊瑚鈣質(zhì)砂比重的經(jīng)驗(yàn)值[19]，Gs=2.73。

如表1所示，取樣自兩處不同地點(diǎn)的土樣的礦物成分區(qū)別較大，土樣B、C、D的礦物成分相似度高。土樣A中碳酸鈣的質(zhì)量占比高達(dá)94.6%，遠(yuǎn)高于土樣B、C、D。土樣B、C、D中還含有將近40%的白云石、正長(zhǎng)石和黏土礦物等。

在制樣過(guò)程中，分別將4種土樣烘干，過(guò)2 mm篩去除貝殼等雜物。稱取84 g烘干過(guò)篩土樣，根據(jù)目標(biāo)含水率加入定量的無(wú)汽水靜置24 h，將其利用擊實(shí)器擊入體積為60 cm3的環(huán)刀內(nèi)，干密度控制為1.4 g/cm3，制成高度為2 cm、面積為30 cm2圓柱體形的試樣。根據(jù)規(guī)范《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T50123—2019》，實(shí)驗(yàn)前測(cè)定試樣的含水率，確保實(shí)測(cè)含水率相比目標(biāo)含水率誤差小于1%。試驗(yàn)土樣的具體分組情況如表3所示。

表2 4種土樣的粒徑參數(shù)

圖1 4種土樣的顆粒篩分曲線Fig.1 Particle size distributions

觀察4種土樣的顆粒級(jí)配曲線，發(fā)現(xiàn)土樣B、C、D的顆粒級(jí)配曲線形狀具有相似性，并且土樣D的顆粒級(jí)配曲線高于土樣C、高于土樣B。可以得出：以上3種土樣的顆粒級(jí)配情況相似，但整體來(lái)看中粗粒徑組的土顆粒(2～0.25 mm)含量為土樣B最高，土樣D次之，土樣C最低。當(dāng)土顆粒粒徑小于0.05 mm時(shí)，4條曲線均出現(xiàn)了近似水平段。這表明在粒徑< 0.05 mm的區(qū)間內(nèi)，4種土樣所含有土顆粒較少，出現(xiàn)了部分粒徑土顆粒缺失的情況。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)分類法，結(jié)合表2對(duì)4種土樣分類，其中土樣B為細(xì)砂，土樣A、C、D為粉砂；土樣B、C屬于不均勻土，土樣A、B、C、D均屬于級(jí)配不良土。

表3 試驗(yàn)土樣分組情況

1.2 試驗(yàn)方法與加荷方案

試驗(yàn)裝置如圖2所示。固結(jié)試驗(yàn)采用雙面排水固結(jié)，每級(jí)荷載的作用時(shí)間為24 h，試樣直徑為61.8 mm，高度為2 mm，加荷序列為50、100、200、400、200、400、800 kPa。為減少水分蒸發(fā)，采用吸水性好的棉紗將固結(jié)儀包裹起來(lái)[3]，并且定期向棉紗噴水，保證試驗(yàn)過(guò)程中棉紗保持濕潤(rùn)，避免在試驗(yàn)過(guò)程中土樣的含水率發(fā)生明顯變化。在加荷時(shí)注意將砝碼緩慢放置，避免對(duì)土樣形成沖擊荷載。以每次加壓時(shí)間作為開始時(shí)間，在6 s、15 s、1 min、2.5 min、4 min、6.25 min、9 min、12.25 min、16 min、20.25 min、30.25 min、49 min、100 min、200 min、400 min、23 h、24 h讀數(shù)。研究在逐級(jí)荷載作用下，不同含水率的珊瑚鈣質(zhì)砂的豎向變形情況。

圖2 固結(jié)容器示意圖Fig.2 Schematic diagram of consolidation vessel

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論分析

2.1 含水率對(duì)珊瑚鈣質(zhì)砂e-p曲線的影響

不同豎向壓力p作用下土體壓縮沉降過(guò)程中土樣的孔隙比e的變化如圖3所示。通過(guò)圖3可看出，16條e-p曲線均表現(xiàn)為在初始階段曲線較陡，然后曲線逐漸趨于平緩，這說(shuō)明曲線對(duì)施加的初級(jí)荷載較為敏感。此現(xiàn)象可以用秦月等[20]的研究結(jié)論解釋，珊瑚鈣質(zhì)砂顆粒本身存在大量封閉、半封閉孔隙，在土樣受到初級(jí)荷載后，外孔隙、較大的半封閉孔隙中的水很快被排出，因此造成土樣的孔隙比變化較大。但在進(jìn)一步加載過(guò)程中，大量微小的半封閉孔隙周圍水的表面張力會(huì)使小孔隙中的水難以被進(jìn)一步排出，這些被封閉住的水在一定壓力范圍內(nèi)，表現(xiàn)出了孔隙水壓力，為顆粒抵抗固結(jié)壓力作出一定貢獻(xiàn)。

圖3 不同含水率土樣的孔隙比e與壓力p之間的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between void ratio and pressure under conditions of different water content

對(duì)于同一種土樣，當(dāng)含水率不同時(shí)，其e-p曲線變化趨勢(shì)基本一致。當(dāng)土樣所受豎向壓力相同時(shí)，隨著土樣含水率的增大土樣的e-p曲線的變化幅度逐漸增大，土樣目標(biāo)含水率達(dá)到15%時(shí)，其e-p曲線的變化幅度達(dá)到最大；然后隨著含水率的增大，土樣的e-p曲線變化幅度減緩。產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因是，當(dāng)土樣的含水率逐漸增大時(shí)，土樣中水分增多，對(duì)土顆粒起到了潤(rùn)滑作用，相同外荷載作用下土顆粒更容易產(chǎn)生滑移，土樣的孔隙比變化增大。當(dāng)含水率繼續(xù)增加大于15%后，由于大量孔隙水的存在將阻止顆粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而使得土樣的孔隙比變化減小[21]。

2.2 碳酸鈣含量和顆粒粒徑對(duì)珊瑚鈣質(zhì)砂e-p曲線的影響

由表1可知，土樣A的礦物成分與其余土樣明顯不同，作單獨(dú)討論。結(jié)合表1、表2和圖1可以看出，土樣A和土樣D的顆粒級(jí)配情況十分相似，但是礦物成分含量區(qū)別較大，土樣A中的碳酸鈣含量是土樣D的兩倍以上。通過(guò)圖3中各土樣的e-p曲線可以看出，土樣A的壓縮性遠(yuǎn)小于其余3種土樣。這說(shuō)明受到相同荷載作用時(shí)，碳酸鈣含量更高的珊瑚鈣質(zhì)粉砂的孔隙比變化更小，即顆粒級(jí)配情況相似時(shí)，碳酸鈣含量更高的珊瑚鈣質(zhì)粉砂具有更好的力學(xué)性能。李颯等[14]和趙勝華等[22]也發(fā)現(xiàn)對(duì)于同一粒組，含碳酸鹽砂的內(nèi)摩擦角隨著碳酸鈣含量的增加而增大，其原因是，碳酸鈣含量更高的珊瑚鈣質(zhì)粉砂，顆粒棱角更多，受壓后珊瑚鈣質(zhì)砂顆粒間接觸愈加緊密，咬合摩擦力增強(qiáng)，土體的壓縮性變小。

對(duì)于B、C和D 3種土樣，其e-p曲線的變化幅度為C>D>B，與表2中的中粗粒徑(>0.25 mm)土顆粒含量的多少正好相反。其原因在于：土骨架的強(qiáng)度主要來(lái)源于顆粒間相互接觸形成的摩擦力及顆粒間相互連接形成的咬合力[23]。土樣B、C、D中粗粒(>1 mm)含量均小于15%，承力骨架為中粗粒組(>0.25 mm)共同咬合形成[23]。所以，中粗粒含量更多的土樣B可以更好承擔(dān)豎向壓力，顆粒間因應(yīng)力引起的滑動(dòng)也更少，孔隙比變化幅度更小。

從各土樣e-p曲線中還可以得到：試驗(yàn)中對(duì)所有土樣卸載后再加載，土樣孔隙比都基本不發(fā)生改變，這說(shuō)明土樣主要發(fā)生了不可恢復(fù)的塑性變形，這與Wang等[24]的研究結(jié)果一致。

2.3 各因素對(duì)珊瑚鈣質(zhì)砂壓縮系數(shù)與壓縮模量的影響

圖4為4種土樣在豎向壓力為100～200 kPa時(shí)的壓縮系數(shù)和壓縮模量的計(jì)算結(jié)果。由圖4(a)可知，土樣B、土樣C和土樣D的壓縮系數(shù)明顯大于土樣A，這說(shuō)明在受到相同荷載作用時(shí)，碳酸鈣含量更高的珊瑚鈣質(zhì)砂的壓縮系數(shù)更小。針對(duì)土樣A，4種不同含水率的土樣均為中壓縮性土，隨著土樣A的含水率逐漸增加，其壓縮系數(shù)在小幅度范圍內(nèi)變化，呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。

圖4 4種土樣的含水率與壓縮系數(shù)、壓縮模量關(guān)系Fig.4 Relations between water content and compressibility coefficient or compressibility modulus of the four soil samples

從圖4(a)還可以看出，含水率不同時(shí)，土樣D的壓縮系數(shù)均小于土樣C，含水率為15.9%的土樣C壓縮系數(shù)最大。土樣在受到豎向壓力后，土樣內(nèi)的土顆粒在有效應(yīng)力的作用下會(huì)發(fā)生滑移并重新排列，細(xì)顆粒會(huì)滑移填充土樣內(nèi)的孔隙，整體表現(xiàn)為土樣的體積減小。結(jié)合圖1的顆粒篩分曲線分析以上的試驗(yàn)結(jié)果可知，在土樣受載后，土顆粒會(huì)重排列，珊瑚砂顆粒會(huì)產(chǎn)生破碎。因?yàn)橥翗覥中的細(xì)顆粒土含量最多，受到荷載作用后能更加充分地填充土樣中的孔隙，從而使得土樣的孔隙率變化更大，表現(xiàn)出更高的壓縮性。這符合程曉穎等人的發(fā)現(xiàn)，即珊瑚鈣質(zhì)砂在壓縮過(guò)程中，砂顆粒重排列，體積變?。辉谄扑檫^(guò)程中，破碎釋放的內(nèi)孔隙和更細(xì)小顆粒中和，加劇了體積收縮[25]。

圖4(b)為豎向壓力在100～200 kPa時(shí)4種土樣壓縮模量與含水率關(guān)系曲線。當(dāng)土樣目標(biāo)含水率為15%時(shí)，各土樣的壓縮模量數(shù)值最小，壓縮性最大。

當(dāng)土樣含水率發(fā)生變化時(shí)，土樣A壓縮模量小幅度變化，變化幅度遠(yuǎn)小于其余3種土樣。這說(shuō)明碳酸鈣含量更高的珊瑚鈣質(zhì)砂，其壓縮模量受含水率變化的影響越小。

土樣B、土樣C和土樣D這3種土樣的壓縮模量與含水率關(guān)系曲線的變化規(guī)律具有相似性。對(duì)于同一種土樣，目標(biāo)含水率為10%與20%的土樣其壓縮模量基本一致。Veyera[26]將非飽和砂土中切線模量陡增時(shí)應(yīng)變值的常數(shù)值稱為鎖變應(yīng)變。趙章泳等[21]對(duì)不同含水率的珊瑚鈣質(zhì)砂進(jìn)行了在準(zhǔn)一維應(yīng)變條件下的動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在達(dá)到鎖變應(yīng)變之前，含水試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線的切線模量隨含水率的增加先減后增。這一結(jié)果與本文研究得到的結(jié)論相同，說(shuō)明了土樣的壓縮性與土樣含水率密切相關(guān)。

2.4 沉降量與時(shí)間之間的關(guān)系分析

郁佳成等[27]建議采用對(duì)數(shù)函數(shù)描述砂土沉降量與時(shí)間的關(guān)系。采用一個(gè)三系數(shù)對(duì)數(shù)函數(shù)對(duì)4種土樣不同含水率條件下的沉降量與時(shí)間之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，表達(dá)式如式(1)所示，擬合結(jié)果如圖5所示。

s=a+bln(t+c)

(1)

式(1)中：s為沉降量；t為時(shí)間；a、b和c為與土樣粒徑和含水率有關(guān)的系數(shù)。

表4列舉了200 kPa附加應(yīng)力作用下16種土樣的沉降量s與時(shí)間t之間的擬合對(duì)數(shù)曲線函數(shù)表達(dá)式，分析在附加應(yīng)力為200 kPa時(shí)的擬合對(duì)數(shù)曲線的變化規(guī)律。由表4可以得到：針對(duì)不同顆粒級(jí)配的珊瑚鈣質(zhì)砂，擬合曲線的R2值均大于0.91。通過(guò)擬合對(duì)數(shù)曲線的一般函數(shù)表達(dá)式[式(1)]可以看出：a值越大，表明土樣受載后初始沉降量越大；b值越大，表明土樣沉降速率越快。4組函數(shù)表達(dá)式中的a值在含水率15%前后呈現(xiàn)一個(gè)先增大后減小的趨勢(shì)。本文中土樣目標(biāo)含水率為15%時(shí)，最接近鈣質(zhì)粉土的最優(yōu)含水率15.6%，所以隨著土樣的含水率逐漸增加，越靠近最優(yōu)含水率，土樣受荷后土中的水和氣越容易排出，土樣的初始沉降量越大。每種土樣的4組函數(shù)表達(dá)式中的b值基本呈現(xiàn)出一個(gè)逐漸增大再減小的趨勢(shì)，這說(shuō)明土樣含水率為15%時(shí)，土樣沉降速率也最快。毛炎炎等[28]研究發(fā)現(xiàn)：不同含水率條件下，珊瑚鈣質(zhì)砂顆粒破碎機(jī)制不同。當(dāng)珊瑚鈣質(zhì)砂較低時(shí)，顆粒破碎隨含水率的增加而加劇，當(dāng)含水率較高時(shí)，顆粒破碎隨含水率的增加而減弱。這也就證明了隨著珊瑚鈣質(zhì)砂含

圖5 4種土樣24 h沉降量與時(shí)間之間的關(guān)系擬合曲線Fig.5 Fitted curves of the relationship between settlement of 24 h and time for the four soil samples

表4 土樣沉降量與時(shí)間關(guān)系擬合參數(shù)

水率的增加，珊瑚鈣質(zhì)砂的顆粒破碎隨含水率的增加先增加后減弱，土樣沉降速率也呈現(xiàn)出先增加后減弱的變化趨勢(shì)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)在目標(biāo)含水率為15%處。

3 結(jié)論

通過(guò)室內(nèi)單軸側(cè)限壓縮試驗(yàn)，測(cè)定了不同含水率、碳酸鈣含量和中粗粒徑(2～0.25 mm)土顆粒含量的珊瑚鈣質(zhì)砂的e-p曲線，分析了各因素對(duì)珊瑚鈣質(zhì)砂壓縮系數(shù)和壓縮模量的影響，并采用對(duì)數(shù)函數(shù)對(duì)珊瑚鈣質(zhì)砂的沉降-時(shí)間曲線進(jìn)行了擬合，得到了以下結(jié)論。

(1)對(duì)于相同顆粒級(jí)配的珊瑚鈣質(zhì)砂，隨著含水率的增加，土樣的壓縮模量呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢(shì)。當(dāng)土樣的含水率達(dá)到15%時(shí)，土樣的壓縮模量出現(xiàn)最小值，此時(shí)土樣的壓縮性最大；然后隨著含水率的增加，土樣的壓縮模量逐漸增大。

(2)對(duì)于級(jí)配相似的珊瑚鈣質(zhì)粉砂，碳酸鈣含量增大能明顯減小珊瑚鈣質(zhì)粉砂的壓縮性，并且碳酸鈣含量更高的土樣，其壓縮模量受含水率的影響越小。

(3)土樣的中粗顆粒含量(2～0.25 mm)越多，豎向承載力越大，顆粒間因應(yīng)力引起的滑動(dòng)也越少。

(4)荷載和含水率保持不變時(shí)，珊瑚鈣質(zhì)砂的沉降量與時(shí)間的關(guān)系可通過(guò)對(duì)數(shù)函數(shù)有效表示(R2>0.91)。土樣受載后初始沉降量和土樣沉降速率均隨著含水率增加而先增大后減小，在含水率15%處達(dá)到最大值。