姜松，李建双

（中交第一航务工程局有限公司，天津300461）

珊瑚砂物理力学性质调研及试验研究

姜松，李建双

（中交第一航务工程局有限公司，天津300461）

珊瑚砂是一种工程性质较为特殊的岩土类型。由于目前勘察研究较少，尚没有列入国家规范，其工程力学特征及地基性能尚待更进一步探讨。为了开发海洋资源，指导珊瑚砂工程建设，通过文献调研、资料整理，综合分析了珊瑚砂的物理力学性质并进行室内试验研究，为后续类似工程提供参考。

珊瑚砂；内孔隙；压缩特性；剪切特性

0 引言

珊瑚砂作为一种特殊的岩土体，通常是珊瑚体残骸经长期地质作用而形成的。作为深海中宝贵的陆地资源，具有海洋新能源开发、海洋渔业资源捕捞、海洋权益保护、海上交通补给站、海上观光旅游等众多功能，科研价值、经济效益和战略意义十分重大。随着渔业资源、海洋石油天然气资源的开发和国防建设的需要，在珊瑚砂地区开展的工程活动，规模愈来愈大，类型愈来愈多，迫切需要对珊瑚砂的工程地质环境及工程地质性质进行研究，以适应珊瑚砂工程建设的需要。

国内外对珊瑚砂的研究成果众多。Bryant等[1]对取自墨西哥湾的钙质土做了120组各种类型的试验，结果显示其压缩指数随碳酸盐含量的增加而增加。Demars等[2]研究了碳酸盐的含量对抗剪强度的影响，得出了碳酸盐的含量决定碳酸盐沉积物力学特性的重要结论。Datta对4种钙质砂试验的结果表明，钙质砂在三轴剪应力作用下的破碎性比在等向固结条件下要大，颗粒破碎不受加荷类型的影响，只受土体内永久变形大小的影响[3]。Olsen[4]在总结了大量的DPT试验的基础上，得出了DPT击数与珊瑚碎屑沉积物物理性质之间的相关关系，并在红海的珊瑚礁礁坪和礁前斜坡进行了大量SPT测试，并经过桩基载荷试验验证，得出了适合于当地的用SPT击数来反映礁砂层打入式钢管桩的静态极限承载力公式。汪稔等[5]将永暑礁上部松散砂层分成7个小层，认为其密实性不具有随深度变化的规律，在浅部也有密实层。刘崇权等[6]初步探讨了钙质砂的物理力学性质，认为钙质砂在压缩过程的变形是塑性变形，当σ3<1 MPa时，兼有颗粒破碎和剪胀特征；当σ3>1 MPa时以颗粒破碎为主，体积剪缩。吴京平等[7]研究了颗粒破碎对钙质砂变形强度特性的影响。

珊瑚砂地基工程建设前，需要对珊瑚砂的物理力学性质有较为全面的认识，由于珊瑚砂分布广泛，成因复杂，孔隙类型及微观结构亦各不相同，使其工程特性具有明显的地域特征。对工程与环境的适宜性认识不清有可能影响建筑物的使用，因此需要重视珊瑚砂的基本性质。本文通过文献调研、室内试验等手段，对珊瑚砂物理力学性质进行归纳总结，为今后珊瑚砂工程的设计、施工提供指导意见。

1 物理性质

珊瑚砂的物理性质与地域相关性较大，沉积条件不同常常导致珊瑚砂的物理性质有较大不同。珊瑚砂孔隙通常可分为颗粒间的外孔隙和颗粒本身的内孔隙。大量试验结果显示，珊瑚砂内孔隙约占整个孔隙的10%左右，表明颗粒本身的疏松、多孔程度。汪稔等[8]对钻孔中珊瑚砂的物理性质进行了统计，包括取样深度、取样个数、珊瑚砂比重、重度、孔隙比、相对密度、天然休止角等，如表1所示。

表1 珊瑚砂的物理性质Table 1Physical properties of coral sand

为进一步研究珊瑚砂的物理性质，在南方某岛取珊瑚砂试样并进行了一系列室内试验，包括颗分、比重、相对密度、渗透性等。颗分试验共进行了10组，试验结果如表2所示。由颗分试验可知，该类珊瑚砂属于中砂，不均匀系数介于2.64~2.95之间，10组颗粒级配曲线试验结果较为一致。

表2 珊瑚砂颗分试验结果Table 2Particle distribution of coral sand

采用比重瓶法对珊瑚砂试样进行了土颗粒比重试验，试验结果表明，该珊瑚砂的比重介于2.69~2.71之间，平均值为2.70。最大孔隙比介于1.52~1.56之间，最小孔隙比介于0.94~0.96之间。常水头渗透试验结果表明，该珊瑚砂的平均渗透系数约为4.02×10-2cm/s。

2 压缩特性

与石英砂不同，珊瑚砂颗粒具有内部孔隙，形成了其强度低、易破碎、高压缩等特点。珊瑚砂的颗粒破碎被认为是其高压缩性的主要因素。在相同应力水平下，颗粒间接触面积较小、应力较大，易于破碎。资料显示，珊瑚砂的压缩指数约为石英砂的100倍。陈海洋[9]利用显微观测仪对珊瑚砂颗粒的内孔隙进行了分析，并根据颗粒内孔隙的分布特点分析了珊瑚砂的颗粒强度。Coop[10]认为珊瑚砂的压缩性与黏土类似，试验结果表明珊瑚砂的颗粒破碎与应力水平有关，且偏应力对颗粒破碎的影响更大。珊瑚砂的固结特性受胶结状况、碳酸钙含量、沉积年代等因素的影响。沉积年代越久，其强度越高，压缩性越小；碳酸钙含量越高，回弹值越低。刘崇权[6]认为珊瑚砂的压缩特性类似于正常固结黏土，卸荷再加荷曲线都为平直的直线，卸荷与再加荷阶段的曲线基本重合，膨胀指数较低，说明压缩过程中变形几乎都为塑性变形。从压缩曲线上看，基本由初始阶段的缓和段和近直线段两部分组成。随着应力水平的增大，弧线段的曲率逐渐增大，而直线段的斜率受初始比体积影响，斜率随着比体积的提高而显著增大，相应的压缩性也大大提高。因此，有人建议将一维压缩曲线上800 kPa处的斜率定义为极限压缩指数。

为考虑不同应力水平下珊瑚砂的颗粒破碎效应，分别对珊瑚砂试样进行一维压缩试验，最大加载应力分别为400 kPa、800 kPa、1 200 kPa和2 000 kPa，随后卸载至零并进行颗粒级配分析，试验结果如图1所示。由图可知，随着围压的增加，颗粒级配曲线变化并不明显，这可能是由于采集到的珊瑚砂已经过振冲处理，并产生了较明显的颗粒破碎作用。这也从另一方面证明了经振冲处理后的珊瑚砂地基颗粒破碎现象基本消失，地基的密实程度得到了较大的提升，振冲处理效果较好。

图1 应力水平对颗粒破碎的影响Fig.1Influence of stress level on particle breakage

3 剪切特性

由于珊瑚砂颗粒间存在较高的矿物摩阻力、颗粒破碎及颗粒重排列等因素的影响，在相同孔隙比和颗粒级配条件下，珊瑚砂的摩擦角明显大于石英砂的摩擦角。珊瑚砂的排水剪切试验结果表明，其力学响应与黏土类似，存在一个体积变化率、偏应力增量为零的临界状态[10]。珊瑚砂排水剪切响应与围压水平密切相关。在低围压下，初期响应呈刚性，随后进入应变硬化阶段；高围压下，应力应变曲线初期并无明显屈服点，由于颗粒破碎效应的影响会产生明显的应变软化现象，这也是其区别于石英砂的重要特点之一[11]。

对珊瑚砂进行了10组直剪试验，试验结果如表3所示。直剪试验结果表明，黏聚力介于1.7~ 5.0 kPa之间，内摩擦角介于38.5°~45.0°之间。

表3 直剪试验结果Table 3Results of direct shear experiments

同时进行了三轴固结不排水剪切试验，其中2组试验结果如图2所示。分别在围压100 kPa、200 kPa、500 kPa和800 kPa下进行三轴压缩试验。图2（a）中800 kPa和图2（b）中100 kPa围压下主应力差突然减小为0，此处应是试验操作问题，故剔除该试验结果。

图2 珊瑚砂试样试验结果Fig.2Experiment results of coral sand sample

从主应力差-轴向应变曲线可知，珊瑚砂最大主应力差随着围压的增大而增大，主应力差达到峰值后均出现了较为明显的减小，即应变软化现象。根据各组三轴试验结果，将各试验结果绘制在平均主应力-剪应力应力空间中，可以得到该珊瑚砂的固结不排水剪切强度指标，内摩擦角介于27.7°~33.08°之间。

4 结语

本文通过文献调研、分析整理以及室内试验等手段对珊瑚砂的物理力学性质进行了分析，主要结论如下：

1）与石英砂不同，珊瑚砂的显著特点是碳酸钙含量较高且含有内孔隙，在一定应力水平作用下易产生颗粒破碎效应，对其力学性质影响显著。

2）珊瑚砂物理性质的地域相关性较大，需要根据工程要求进行室内试验。试验结果表明珊瑚砂的比重介于2.69~2.71之间，平均值为2.70。不均匀系数介于2.64~2.95。最大孔隙比介于1.52~ 1.56之间，最小孔隙比介于0.94~0.96之间。常水头渗透试验结果表明，平均渗透系数约为4.02× 10-2cm/s。

3）珊瑚砂的高压缩性源于其颗粒破碎效应，且与应力水平相关。卸荷再加荷一维压缩曲线为平直的直线，卸荷与再加荷阶段的曲线基本重合，说明压缩过程中变形几乎都为不可恢复的塑性变形。本文中的珊瑚砂试样由于经过振冲处理，并未观察到明显的颗粒破碎现象，从另一方面说明振冲处理可以有效地减少珊瑚砂颗粒破碎效应，从而提高地基的密实程度。

4）珊瑚砂排水剪切响应与围压水平密切相关。低围压下易产生应变硬化现象，而高围压下产生应变软化现象，并最终趋近于体积变化率、偏应力增量为零临界状态。直剪试验结果表明，黏聚力介于1.7~5.0 kPa之间，内摩擦角介于38.5°~45.0°之间。三轴试验结果表明，内摩擦角介于27.7°~33.08°之间。

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Investigation and experimental research on physical and mechanical properties of coral sand

JIANG Song,LI Jian-shuang
（CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China）

Coral sand is a kind of rock soil with special engineering properties.There is nearly no related research and no domestic code to define it.The physical and mechanical characteristics of coral sand should be investigated in detail.In order to develop the ocean resource,instruct the construction of coral sand,we analyzed the physical and mechanical properties of coral sand and carried a indoor test through literatures research and data collection.This paper will provide a reference for future similar projects.

coral sand;internal void;compression property;shear property

U652.2

A

2095-7874（2017）07-0031-04

10.7640/zggwjs201707007

2017-03-09

2017-05-30

姜松（1972—），辽宁丹东人，硕士，高级工程师，副总经理，主要从事工程管理等工作。E-mail：jstj@vip.sina.com