中国南海岛礁吹填珊瑚砂剪切力学特性*

2020-03-20段志刚李守定王建平晓周忠鸣李志清

工程地质学报 2020年1期

文哲段志刚李守定王建平马彬李晓周忠鸣李志清

(①中国科学院地质与地球物理研究所，中国科学院页岩气与地质工程重点实验室，北京 100029，中国)(②华北水利水电大学，郑州 450046，中国)(③海军研究院，北京 102202，中国)(④中国科学院地球科学研究院，北京 100029，中国)(⑤中国科学院大学，北京 100049，中国)

0 引言

珊瑚砂通常指海洋生物成因的碳酸钙矿物含量超50%的特殊岩土介质(刘崇权， 1995)。珊瑚礁的分布主要在赤道两侧30°之间的热带或亚热带气候的大陆架和海岸线一带，在中国南海诸岛、红海以及澳大利亚西部大陆架和巴斯海峡等地都广泛分布，从20世纪60年代海洋石油平台建设的兴起，世界许多地区工程中都遇到了珊瑚砂，并出现一系列珊瑚砂工程地质问题，随着当今海洋资源开发与工程建设越来越多，规模也越来越大，加强珊瑚砂工程地质力学性质研究迫在眉睫。

Morrison(1988)通过对南非近海两种不同钙质砂进行循环直剪实验，研究表明等体积时，碳酸钙含量高的钙质砂剪切应力衰减较碳酸钙含量低的钙质砂快的多。Fahey(1988)通过对钙质砂的动三轴实验，提出了钙质砂循环剪应力比的说法。Aiery et al.(1991)通过对原状钙质砂土进行循环剪切试验，研究两种胶结状态钙质砂，结果为未胶结状态的钙质砂与其他无黏性土的动力学特性相似；而胶结状态的钙质砂，随胶结程度的增加，所能承受的应力水平越大。刘崇权等(1995)研究表明，钙质砂剪切试验中，应力-应变关系受应力路径的影响，低围压时，总体与普通陆源砂相似，即可能发生剪胀亦可能发生剪缩，受初始孔隙度的影响；高围压时则类似于松砂，表现为极限压缩。赵光思等(2008)通过对砂土的直剪试验研究发现，土的强度特性与颗粒破碎率具有相关性，缘由是土体颗粒在土体超过一定的强度和密实度之后，土体的相对密实度、颗粒的级配、粒间接触力会发生变化，土体颗粒位置重新排列，岩土材料的抗剪强度降低。张家铭等(2008)通过控制围压、应变来对南沙永暑礁海域钙质砂进行三轴剪切试验，研究出钙质砂在三轴剪切作用下颗粒破碎十分严重。刘尧等(2009)通过对粗颗粒大型单剪试验研究表明，颗粒破碎率随着法向应力的增大而增大，颗粒破碎率受剪应力大小的影响程度随着法向大应力的增大而减小。王光进等(2009)通过大型直剪试验得到在垂向应力大于400ikPa时，颗粒的破碎率随着垂向应力增大而增加明显。当颗粒破碎率较小时，内摩擦角的变化很小；当颗粒的破碎率较大时，在垂向应力大于400ikPa下得到的内摩擦角比垂向应力小于400ikPa时的内摩擦角值低很多。沈建华等(2010)详细介绍了珊瑚砂的成因与分布、力学性质、基础类型。王子寒等(2013)通过对粗粒土大型直剪试验研究表明，粗粒土属于剪切硬化型材料，不良级配材料强度非线性特性明显，呈现较大假黏聚力，摩擦强度变化较小；垂向应力增大，颗粒破碎率增大，两者符合双曲线关系，其拟合参数与级配及颗粒尺寸等密切相关。徐肖峰等(2013)通过对粗粒土的大型直剪试验研究表明，剪切速率对颗粒破碎有影响作用，随着剪切速率的减小，破碎量逐渐增大。王来贵等(2015)采用直剪试验测定不同含水量及压实度状态下岩土的抗剪强度，得到岩土的抗剪强度、黏聚力和内摩擦角是含水量和压实度共同影响的。霍珍生等(2015)对南海某岛礁钙质砂直剪试验表明正应力、含砾率对钙质砂的抗剪特性影响较大。钱炜(2016)进行钙质砂室内大直剪试验表明珊瑚砂砾混合碎屑物的压缩变形与珊瑚砾块和珊瑚砂的质量组成有关，同时也受到含水量的影响。Wang et al.(2016)通过对南海钙质砂进行室内大型直剪试验表明钙质砂的黏聚力明显高于石英砂，并且随D50增加显著增加；在水的软化作用下，饱和状态下剪切强度显著下降；钙质砂的黏聚力和摩擦角随干密度增加而增加；钙质砂剪切破坏后残余强度仍然很高。张早辉等(2017)研究含水率对钙质砂抗剪强度的影响，发现含水率增大，剪涨更为明显，c值减小，φ值反之增大。佘殷鹏等(2017)通过珊瑚砂直剪试验，提出将珊瑚砂破碎颗粒质量占试样总质量的比重定义为颗粒破碎率，颗粒破碎率随珊瑚砂粒径的增大呈现对数增大，随轴向应力的增大呈指数增大。李金戈等(2017)对钙质砂进行大型剪切试验得出钙质砂的抗剪强度随着剪切速率的降低和轴压增大，抗剪强度持续增加，最终达到稳定。内摩擦角φ受剪切速率影响不大，咬合力c随着剪切速率增大而降低。钙质砂随围压的增大颗粒破碎增量逐渐减小，并且会达到一个上限值，颗粒破碎受围压和相对密度影响小(陈火东等， 2018)。汪稔等(2019)对我国研究珊瑚礁30ia的历程进行总结，并积极号召促进珊瑚礁的研究。

当前对珊瑚砂的力学特性研究现状来看，主要通过固结、三轴、直剪等试验来研究珊瑚砂的相关力学特性。珊瑚砂作为一种特殊的生物碎屑沉积物，具有多孔、非均质、非连续等工程特性，由于尺寸效应，具有一定样品尺度的大型力学试验相对比较准确，但是由于样品量限制，当前大部分大型力学试验多根据原地样品级配进行颗粒配比样试验，与真实的珊瑚砂有一定的差距，很难反映珊瑚砂真实的力学特性。对于我国南海广泛分布的珊瑚砂，作为填岛的材料和工程建设的基础，吹填珊瑚砂的力学特性是珊瑚岛礁工程研究的关键科学问题。中国南海降雨量大，吹填珊瑚砂渗透性好，未来工程荷载高，含水性和高荷载对于吹填珊瑚砂剪切力学特性的影响非常显著，因此，研究高荷载条件下含水量和密实度对吹填珊瑚砂剪切力学特性的影响，对于岛礁吹填工程施工控制，吹填珊瑚砂基础及工程设计，具有重要的理论意义与应用价值。利用中国科学院地质与地球物理研究所自主研制的土石混合体大型剪切力学试验机，采用中国南沙某岛礁吹填珊瑚砂，在级配和组分分析的基础上，研究了高轴向荷载条件下不同密实度、含水量对吹填珊瑚砂的剪切力学特性的影响。

1 原地吹填珊瑚砂级配组分特性

珊瑚砂物理力学性质与一般陆相、海相沉积物相比具有显著差异，珊瑚砂颗粒形状不规则、多孔隙、易破碎。采取中国南沙某岛礁吹填珊瑚砂，将原地珊瑚砂试验前烘干，烘干温度105i℃，烘干时间12ih，然后进行筛分(图1)，各粒组所占质量百分比如图2。

图1 不同粒径吹填珊瑚砂筛分试验Fig. 1 Screening test of different particle size reclamation coral sand

图2 吹填珊瑚砂不同粒组质量百分比Fig. 2 iMass percentage of different particle groups of reclamation coral sand

吹填珊瑚砂粒径级配曲线如图3。78%含量的砂样粒径分布在0～5imm； 62.82%含量的砂样粒径小于2imm；只有约占9.65%的砂样粒径小于0.25imm。吹填珊瑚砂的基本物理参数如表1所示。

图3 珊瑚砂粒径级配曲线Fig. 3 Grain size grading curve of coral sand

表1 珊瑚砂基本物理参数Table 1 Basic physical parameters of the coral sand

2 吹填珊瑚砂大型剪切力学试验方法

室内大型剪切力学试验是研究碎石土、粗粒土、土石混合体及珊瑚砂等非均质地质材料剪切特性的试验手段。

2.1 试验仪器

试验所采用的大型土石混合体力学试验机，为中国科学院地质与地球物理研究所研制设备，主要由外框架、水平及竖向液压加载系统、试样盒、量测系统等组成，试验系统结构如图4，大型土石混合体力学试验机如图5。设计最大水平及法向荷载均为200ikN。试样尺寸长、宽、高为35icm×35icm×25icm。该仪器测量精度高，满足一维垂直应力固结加载要求，可以进行应变控制式加载，可以量测大尺度土石混合体的结构性强度及土石混合体与土工织物间的摩擦强度，适用于土木工程中遇到的各种堆积体、土石混合体室内强度试验。

图4 大型土石混合体力学试验机试验仪器系统结构图Fig. 4 Test instrument system1. 滚动隔膜； 2. 活塞； 3. 活塞杆； 4. 轴承； 5. 加压板； 6. 第一活动千斤顶； 7. 第一固定螺栓； 8. 第一液压电机； 9. 第二液压电机； 10. 垂直位移传感器； 11. 试样框架； 12. 机械框架； 13. 第二活动千斤顶； 14. 上部分土石混合体； 15. 第二固定螺栓； 16. 水平位移传感器； 17. 滑动试样盒； 18. 下部分土石混合体； 19. 滚珠轴排； 20. 第一压力传感器； 21. 第二压力传感器

图5 大型土石混合体力学试验机Fig. 5 Large-scale mechanical testing machine for soil-rock mixture

2.2 试验方法及流程

采用原地吹填珊瑚砂，烘干后根据剪切盒的尺寸和钙质砂的天然密度分为80%密实度和90%密实度珊瑚砂样称重，装样时将珊瑚砂样分为5次进行填装，每5icm一层用击实锤击实至控制高度，同时将剪切盒内的试样均匀分布填装。

为研究含水量及密实度对吹填珊瑚砂剪切力学特性影响，在不同含水量及密实度状态下对珊瑚砂进行大型直接剪切试验，含水量分别选取干燥、5%、10%和15%，密实度采用80%和90%，在不同轴向压力下对其进行直接剪切试验，试验共8组。在法向分别施加0.425iMPa、0.913iMPa和1.320iMPa法向应力，剪切面尺寸为30icm×25icm，水平方向按照1imm·min-1的剪切速率加载，剪切位移每4imm记录一次水平加载力。通过试验得到每一组的水平方向抗剪强度，根据法向应力与抗剪强度关系曲线进行线性拟合，得到吹填珊瑚砂的黏聚力c和内摩擦角φ，分析得出含水量和密实度对原位珊瑚砂剪切力学特性的影响。

3 吹填珊瑚砂剪切力学特性试验结果分析

图6 抗剪强度-密实度关系曲线Fig. 6 Shear strength versus dense degree curve

通过大型直接剪切试验，得到吹填珊瑚砂不同法向应力条件下抗剪强度-密实度关系曲线(图6)，不同含水量80%密实度吹填珊瑚砂抗剪强度-法向应力曲线(图7)，不同含水量90%密实度吹填珊瑚砂抗剪强度-法向应力曲线(图8)。当含水量不变时，在不同法向应力条件下，密实度增加时抗剪强度增大，当法向应力0.913iMPa时增大最为显著。

图7 80%密实度情况下抗剪强度-法向应力图Fig. 7 Shear strength versus normal stress diagram under 80% compactness

图8 90%密实度条件下抗剪强度-法向应力图Fig. 8 Shear strength versus normal stress diagram under 90% compactness

同时可得80%密实度吹填珊瑚砂抗剪强度-含水量曲线(图9)，含水量90%密实度吹填珊瑚砂抗剪强度-含水量曲线(图10)。由图9、图10可知，在相同密实度条件下，含水量从干燥到15%范围内，随着含水量的减小抗剪强度增加，当含水量大于5%时，抗剪强度减小幅度较小。

图9 80%密实度条件下不同含水量抗剪强度变化Fig. 9 Change of shear strength with different moisture contents under 80% compactness

图10 90%密实度条件下不同含水量抗剪强度变化Fig. 10 Change of shear strength with different moisture contents under 90% compactness

表2 密实度80%不同含水量珊瑚砂C、φ值Table 2 C and φ value of coral sand with differentwater contents when compactness is 80%

表3 密实度90%不同含水量珊瑚砂C、φ值Table 3 C and φ value of coral sand with differentwater contents when compactness is 90%

对图7和图8中的数据进行线性拟合，得到黏聚力C和内摩擦角φ，分别得到密实度80%不同含水量吹填珊瑚砂抗剪参数(表2)和密实度90%不同含水量吹填珊瑚砂抗剪参数(表3)。

图11 不同密实度吹填珊瑚砂黏聚力与含水量关系曲线Fig. 11 Relationship between cohesion and water content of coral sand with different compactions

图12 不同密实度吹填珊瑚砂内摩擦角与含水量关系曲线Fig. 12 Relationship between the angle of internal friction and water content of coral sand with different compactions

采用表2、表3的数据，分析得到的C、φ值得到不同密实度吹填珊瑚砂黏聚力与含水量关系曲线(图11)和不同密实度吹填珊瑚砂内摩擦角与含水量关系曲线(图12)，由图11和图12可知，含水量对吹填珊瑚砂内摩擦角影响显著，呈负相关关系。密实度为90%的时候，当含水量由0增大到15%时，黏聚力缓慢减小，减小8.3%左右；相比于含水量对于黏聚力的影响，含水量对于内摩擦角的影响也是比较明显，随着含水量的增加，珊瑚砂内摩擦角减小，当含水量由0增大到15%时，内摩擦角减小13.8%～20.2%，含水量大于10%，内摩擦角降低较小。

密实度对吹填珊瑚砂的黏聚力影响较小，随着密实度的增加黏聚力增大不明显，密实度对内摩擦角影响较显著，当含水量大于5%时，随着密实度的增加内摩擦角显著增大；随着密实度的增大，珊瑚砂的黏聚力变化规律不明显，珊瑚砂的内摩擦角增大较为明显，当含水量为0，密实度为90%，黏聚力和内摩擦角为最大值，黏聚力是0.391iMPa、内摩擦角为65.09°。含水量较小时，密实度越大，珊瑚砂颗粒间的相互作用越显著，水膜联结力越大，颗粒胶结的越好，所以黏聚力更大。同样状态下，颗粒间的摩擦作用加强，珊瑚砂的摩擦系数就会增大，使得内摩擦角也会上升。