中国南海珊瑚钙质砂压缩特性

2022-03-23刘志遐郭成超曹鼎峰黄锐

科学技术与工程 2022年6期

刘志遐，郭成超*，曹鼎峰，黄锐

(1.中山大学土木工程学院，广州 510275； 2.南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)，珠海 519000； 3.广东省海洋土木工程重点实验室，广州 510275； 4.广东省地下空间开发工程技术研究中心，广州 510275)

珊瑚钙质砂在中国南海地区广泛分布，是近年来人工岛礁吹填地基的主要用料[1]。相比于传统的大陆区域常见的石英砂地基，珊瑚钙质砂具有完全不同的工程性质[2-3]，这是因为珊瑚钙质砂具有形状不规则、强度低、棱角度高、难饱和、易破碎的特点[4]。目前，关于人工吹填岛礁地基沉降规律的认识还远远不足，这就不可避免地造成了地质和工程灾害的发生，给新时期远洋人工岛礁建设及运行带来了新的挑战。以典型的日本关西机场为例，该机场在完全启用7年后，一号和二号人工岛跑道最大沉降量分别达到了12.9 m和14.2 m，大大超出了设计允许值，也带来了巨大经济损失[5]。兰恒星等[6]基于InSar监测结果发现，中国南海某岛礁修建3年后沉降超过了0.01 m，但并不能排除在外部动力条件影响下钙质砂岛礁沉降加剧甚至突变的可能，其未来沉降变形趋势仍存在较强的不确定性。

根据尺度不同，针对珊瑚钙质砂沉降规律的研究可分为室内土工试验、现场平板载荷试验和原位监测3个方面。受现场设备、成本和监测技术等条件限制，现场平板载荷和原位试验目前仍应用较少，一般只用于大型工程建设前的勘察和运营中[7]。所以，室内土工试验依然是研究珊瑚钙质砂工程性质的主要手段。室内试验又可细分为单轴固结、三轴压缩、剪切与渗透性试验。其中单轴固结试验是研究珊瑚钙质砂地基沉降规律的一种重要手段，用于测定不同荷载作用下珊瑚钙质砂变形规律和恒定荷载下的蠕变规律。测量不同荷载作用下珊瑚钙质砂土体的压缩量，确定珊瑚钙质砂的压缩系数和压缩模量，可为工程建设提供基本参数；测定恒定荷载作用下珊瑚钙质砂的蠕变规律，对沉降量和时间的关系进行分析，可以预测珊瑚钙质砂的最终沉降量及沉降速率。

已有文献表明珊瑚钙质砂的压缩性质受应力路径、荷载大小和时间控制[8-10]。除此之外，岛礁地基在波浪的影响下，地基中的地下水位在反复变化，导致地基中有效应力也在发生着变化。这就造成岛礁地基的沉降很难用典型的主固结沉降和次固结理论来解释。传统研究思路中认为土体的次固结都是发生在主固结之后，但是在中国南海岛礁地基中，二者可能会交替出现，这就需要进一步研究地基含水率对其沉降规律的影响[11-12]。此外，中国南海岛礁地基在吹填过程中，由于不同粒径颗粒扬程不同，一般较小颗粒吹填距离较远，较重颗粒吹填距离较近，这就导致地基中土颗粒分布的不均匀性。张家铭等[13]对取自南沙群岛永暑礁附近海域的钙质砂进行了测试，结果表明钙质砂颗粒破碎程度随着颗粒粒径的增加而增大，松散试样的颗粒破碎程度要比密实试样严重，但其并未研究不同粒径的珊瑚钙质砂沉降及蠕变规律。除此之外，不同地点的珊瑚钙质砂中的碳酸钙的含量也有区别。李飒等[14]的研究结果表明：碳酸钙含量变化对砂土的力学性质影响显著，碳酸钙含量增加、粒径增大对含碳酸盐砂的内摩擦角有提升作用，但其并未研究碳酸钙含量对珊瑚钙质砂压缩特性的影响。一些学者尝试采用外加剂固化[15-16]或者微生物固化[17]的方式对珊瑚钙质砂进行加固，以此提高其力学性质。但是这些方法不便于在工程中大范围使用，研究珊瑚钙质砂的压缩性并在工程前期做好地基处理仍然是目前最常用的工程处理手段。

据此，现采用取自中国南海某海域的3种不同颗粒级配的珊瑚钙质粉砂和1种珊瑚钙质细砂，通过一维侧限固结压缩试验测试其压缩特性，探讨含水率、碳酸钙含量与颗粒粒径对其压缩特性的影响，并通过固结试验确定其沉降量与时间之间的关系。

1 材料与方法

1.1 试验仪器与土样

使用WG型单杠杆高压固结仪，该固结仪的加压范围为12.5～4 000 kPa。荷载采用砝码加压，轴向变形由量程10 mm、最小分度值0.01 mm的百分表来量测。

本次试验使用的土样A与土样B、C分别取样自中国南海西沙群岛的两处地点，土样A颜色为白色，土样B、C呈现灰褐色。土样D由筛去粒径大于2 mm颗粒的土样B与高岭土以干质量9∶1的比例配置而成。4种土样的矿物成分概况如表1所示，4种土样的颗粒筛分曲线与粒径参数如图1和表2所示。采用的珊瑚钙质砂最优含水率参考雷学文等[18]重型击实试验的结果，最优含水率为15.6%。计算过程中采用珊瑚钙质砂比重的经验值[19]，Gs=2.73。

如表1所示，取样自两处不同地点的土样的矿物成分区别较大，土样B、C、D的矿物成分相似度高。土样A中碳酸钙的质量占比高达94.6%，远高于土样B、C、D。土样B、C、D中还含有将近40%的白云石、正长石和黏土矿物等。

在制样过程中，分别将4种土样烘干，过2 mm筛去除贝壳等杂物。称取84 g烘干过筛土样，根据目标含水率加入定量的无汽水静置24 h，将其利用击实器击入体积为60 cm3的环刀内，干密度控制为1.4 g/cm3，制成高度为2 cm、面积为30 cm2圆柱体形的试样。根据规范《土工试验方法标准GB/T50123—2019》，实验前测定试样的含水率，确保实测含水率相比目标含水率误差小于1%。试验土样的具体分组情况如表3所示。

表2 4种土样的粒径参数

图1 4种土样的颗粒筛分曲线Fig.1 Particle size distributions

观察4种土样的颗粒级配曲线，发现土样B、C、D的颗粒级配曲线形状具有相似性，并且土样D的颗粒级配曲线高于土样C、高于土样B。可以得出：以上3种土样的颗粒级配情况相似，但整体来看中粗粒径组的土颗粒(2～0.25 mm)含量为土样B最高，土样D次之，土样C最低。当土颗粒粒径小于0.05 mm时，4条曲线均出现了近似水平段。这表明在粒径< 0.05 mm的区间内，4种土样所含有土颗粒较少，出现了部分粒径土颗粒缺失的情况。根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)分类法，结合表2对4种土样分类，其中土样B为细砂，土样A、C、D为粉砂；土样B、C属于不均匀土，土样A、B、C、D均属于级配不良土。

表3 试验土样分组情况

1.2 试验方法与加荷方案

试验装置如图2所示。固结试验采用双面排水固结，每级荷载的作用时间为24 h，试样直径为61.8 mm，高度为2 mm，加荷序列为50、100、200、400、200、400、800 kPa。为减少水分蒸发，采用吸水性好的棉纱将固结仪包裹起来[3]，并且定期向棉纱喷水，保证试验过程中棉纱保持湿润，避免在试验过程中土样的含水率发生明显变化。在加荷时注意将砝码缓慢放置，避免对土样形成冲击荷载。以每次加压时间作为开始时间，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读数。研究在逐级荷载作用下，不同含水率的珊瑚钙质砂的竖向变形情况。

图2 固结容器示意图Fig.2 Schematic diagram of consolidation vessel

2 试验结果与讨论分析

2.1 含水率对珊瑚钙质砂e-p曲线的影响

不同竖向压力p作用下土体压缩沉降过程中土样的孔隙比e的变化如图3所示。通过图3可看出，16条e-p曲线均表现为在初始阶段曲线较陡，然后曲线逐渐趋于平缓，这说明曲线对施加的初级荷载较为敏感。此现象可以用秦月等[20]的研究结论解释，珊瑚钙质砂颗粒本身存在大量封闭、半封闭孔隙，在土样受到初级荷载后，外孔隙、较大的半封闭孔隙中的水很快被排出，因此造成土样的孔隙比变化较大。但在进一步加载过程中，大量微小的半封闭孔隙周围水的表面张力会使小孔隙中的水难以被进一步排出，这些被封闭住的水在一定压力范围内，表现出了孔隙水压力，为颗粒抵抗固结压力作出一定贡献。

图3 不同含水率土样的孔隙比e与压力p之间的关系曲线Fig.3 Relationship between void ratio and pressure under conditions of different water content

对于同一种土样，当含水率不同时，其e-p曲线变化趋势基本一致。当土样所受竖向压力相同时，随着土样含水率的增大土样的e-p曲线的变化幅度逐渐增大，土样目标含水率达到15%时，其e-p曲线的变化幅度达到最大；然后随着含水率的增大，土样的e-p曲线变化幅度减缓。产生以上现象的原因是，当土样的含水率逐渐增大时，土样中水分增多，对土颗粒起到了润滑作用，相同外荷载作用下土颗粒更容易产生滑移，土样的孔隙比变化增大。当含水率继续增加大于15%后，由于大量孔隙水的存在将阻止颗粒的相对运动，从而使得土样的孔隙比变化减小[21]。

2.2 碳酸钙含量和颗粒粒径对珊瑚钙质砂e-p曲线的影响

由表1可知，土样A的矿物成分与其余土样明显不同，作单独讨论。结合表1、表2和图1可以看出，土样A和土样D的颗粒级配情况十分相似，但是矿物成分含量区别较大，土样A中的碳酸钙含量是土样D的两倍以上。通过图3中各土样的e-p曲线可以看出，土样A的压缩性远小于其余3种土样。这说明受到相同荷载作用时，碳酸钙含量更高的珊瑚钙质粉砂的孔隙比变化更小，即颗粒级配情况相似时，碳酸钙含量更高的珊瑚钙质粉砂具有更好的力学性能。李飒等[14]和赵胜华等[22]也发现对于同一粒组，含碳酸盐砂的内摩擦角随着碳酸钙含量的增加而增大，其原因是，碳酸钙含量更高的珊瑚钙质粉砂，颗粒棱角更多，受压后珊瑚钙质砂颗粒间接触愈加紧密，咬合摩擦力增强，土体的压缩性变小。

对于B、C和D 3种土样，其e-p曲线的变化幅度为C>D>B，与表2中的中粗粒径(>0.25 mm)土颗粒含量的多少正好相反。其原因在于：土骨架的强度主要来源于颗粒间相互接触形成的摩擦力及颗粒间相互连接形成的咬合力[23]。土样B、C、D中粗粒(>1 mm)含量均小于15%，承力骨架为中粗粒组(>0.25 mm)共同咬合形成[23]。所以，中粗粒含量更多的土样B可以更好承担竖向压力，颗粒间因应力引起的滑动也更少，孔隙比变化幅度更小。

从各土样e-p曲线中还可以得到：试验中对所有土样卸载后再加载，土样孔隙比都基本不发生改变，这说明土样主要发生了不可恢复的塑性变形，这与Wang等[24]的研究结果一致。

2.3 各因素对珊瑚钙质砂压缩系数与压缩模量的影响

图4为4种土样在竖向压力为100～200 kPa时的压缩系数和压缩模量的计算结果。由图4(a)可知，土样B、土样C和土样D的压缩系数明显大于土样A，这说明在受到相同荷载作用时，碳酸钙含量更高的珊瑚钙质砂的压缩系数更小。针对土样A，4种不同含水率的土样均为中压缩性土，随着土样A的含水率逐渐增加，其压缩系数在小幅度范围内变化，呈现先增加后减小的趋势。

图4 4种土样的含水率与压缩系数、压缩模量关系Fig.4 Relations between water content and compressibility coefficient or compressibility modulus of the four soil samples

从图4(a)还可以看出，含水率不同时，土样D的压缩系数均小于土样C，含水率为15.9%的土样C压缩系数最大。土样在受到竖向压力后，土样内的土颗粒在有效应力的作用下会发生滑移并重新排列，细颗粒会滑移填充土样内的孔隙，整体表现为土样的体积减小。结合图1的颗粒筛分曲线分析以上的试验结果可知，在土样受载后，土颗粒会重排列，珊瑚砂颗粒会产生破碎。因为土样C中的细颗粒土含量最多，受到荷载作用后能更加充分地填充土样中的孔隙，从而使得土样的孔隙率变化更大，表现出更高的压缩性。这符合程晓颖等人的发现，即珊瑚钙质砂在压缩过程中，砂颗粒重排列，体积变小；在破碎过程中，破碎释放的内孔隙和更细小颗粒中和，加剧了体积收缩[25]。

图4(b)为竖向压力在100～200 kPa时4种土样压缩模量与含水率关系曲线。当土样目标含水率为15%时，各土样的压缩模量数值最小，压缩性最大。

当土样含水率发生变化时，土样A压缩模量小幅度变化，变化幅度远小于其余3种土样。这说明碳酸钙含量更高的珊瑚钙质砂，其压缩模量受含水率变化的影响越小。

土样B、土样C和土样D这3种土样的压缩模量与含水率关系曲线的变化规律具有相似性。对于同一种土样，目标含水率为10%与20%的土样其压缩模量基本一致。Veyera[26]将非饱和砂土中切线模量陡增时应变值的常数值称为锁变应变。赵章泳等[21]对不同含水率的珊瑚钙质砂进行了在准一维应变条件下的动态压缩试验，发现在达到锁变应变之前，含水试样的应力应变曲线的切线模量随含水率的增加先减后增。这一结果与本文研究得到的结论相同，说明了土样的压缩性与土样含水率密切相关。

2.4 沉降量与时间之间的关系分析

郁佳成等[27]建议采用对数函数描述砂土沉降量与时间的关系。采用一个三系数对数函数对4种土样不同含水率条件下的沉降量与时间之间的关系进行拟合，表达式如式(1)所示，拟合结果如图5所示。

s=a+bln(t+c)

(1)

式(1)中：s为沉降量；t为时间；a、b和c为与土样粒径和含水率有关的系数。

表4列举了200 kPa附加应力作用下16种土样的沉降量s与时间t之间的拟合对数曲线函数表达式，分析在附加应力为200 kPa时的拟合对数曲线的变化规律。由表4可以得到：针对不同颗粒级配的珊瑚钙质砂，拟合曲线的R2值均大于0.91。通过拟合对数曲线的一般函数表达式[式(1)]可以看出：a值越大，表明土样受载后初始沉降量越大；b值越大，表明土样沉降速率越快。4组函数表达式中的a值在含水率15%前后呈现一个先增大后减小的趋势。本文中土样目标含水率为15%时，最接近钙质粉土的最优含水率15.6%，所以随着土样的含水率逐渐增加，越靠近最优含水率，土样受荷后土中的水和气越容易排出，土样的初始沉降量越大。每种土样的4组函数表达式中的b值基本呈现出一个逐渐增大再减小的趋势，这说明土样含水率为15%时，土样沉降速率也最快。毛炎炎等[28]研究发现：不同含水率条件下，珊瑚钙质砂颗粒破碎机制不同。当珊瑚钙质砂较低时，颗粒破碎随含水率的增加而加剧，当含水率较高时，颗粒破碎随含水率的增加而减弱。这也就证明了随着珊瑚钙质砂含