细颗粒珊瑚砂、石英砂、黏性土蠕变特征对比研究

李建光 张其昌 王笃礼 王 璐 刘少波

（中航勘察设计研究院有限公司，北京 100098）

0 引言

“一带一路”战略推进过程中，国内勘察设计单位在“一带一路”沿线部分地区遇到了与珊瑚砂相关的岩土工程问题。广大学者通过对我国南海珊瑚砂工程力学性质长期深入地研究，取得了一系列重要成果并有力指导了南海岛礁工程建设[1]。曹 梦等采用三轴流变仪对取自中国南海某岛礁的钙质砂进行了不同围压条件下的长期（10万分钟）蠕变试验研究，提出了一种蠕变应变与时间、偏应力和有效围压相关的四参数新的蠕变模型[2]。叶剑红等对取自我国南海某岛礁的原状级配珊瑚钙质砂开展了室内饱和三轴排水蠕变试验（围压100 kPa），试验结果表明，珊瑚钙质砂的蠕变为衰减型稳态蠕变；在低围压条件下珊瑚钙质砂的蠕变变形主要是由颗粒间滑移、错动、重排列引起，颗粒破碎现象极不明显[3]。张小燕等通过珊瑚砂的高压一维蠕变试验，研究了颗粒破碎引起颗粒分布曲线和形状因子的演化规律，说明了在高压力下颗粒破碎主要为压缩破碎，且颗粒细化滑移填充孔隙引起的变形是造成蠕变的主要原因[4]。

在实际工程中，珊瑚砂吹填地基主要由耙吸或绞吸吹填的珊瑚砂、珊瑚枝、礁灰岩碎块构成。受吹填料源、吹填方式、地基处理方式等因素影响，吹填材料颗粒大小不均、结构复杂、分布无规律，颗粒存在棱角和内孔隙，无确定的最优含水率和最大干密度[5−7]。

如何较准确计算珊瑚砂吹填地基的沉降，是工程设计中的一个难点。在沉降计算时，传统的分层总和法的适用性仍存在很多疑问。目前，对于石英砂、黏性土的变形特性研究已有较成熟的方法和结论[8−13]。根据前人的研究，大颗粒珊瑚砂在传统的土工室内试验室进行物理力学试验仍存在困难，其沉降变形计算仍待深入研究[14−16]，而细颗粒珊瑚砂应用传统土工试验方法具有一定可行性。

本研究对细颗粒珊瑚砂与石英石、黏性土进行长期（100万分钟）蠕变试验，并对其蠕变特征进行对比分析，确定细颗粒珊瑚砂地基沉降变形特征，为其沉降估算提供试验支撑。

1 研究思路

珊瑚砂颗粒形状复杂，存在棱角和内孔隙，其长期压缩变形规律没有成熟经验，而石英砂、黏性土的长期压缩变形规律有较成熟的经验，因此在室内试验室将细颗粒珊瑚砂、石英砂、黏性土的长期压缩变形特征进行对比试验研究，找到三者的对比规律，通过石英砂、黏性土的成熟工程经验，确定细颗粒珊瑚砂压缩变形特征。

根据《土工试验方法标准》（GB/T 50123−2019）[17]、《岩土工程试验监测手册》[18]，一般室内蠕变试验采用1万分钟试验时长，考虑到珊瑚砂具有棱角和内孔隙等特征，本次试验采用100万分钟进行试验。为确保试验精度，试验室要求恒温和恒湿。

2 试验过程

本次试验采用4组三联固结仪，环刀直径79.8 mm、高度20 mm（见图1）。试验在中航勘察设计研究院有限公司10号楼地下一层土工试验室进行，试验室温度保持16℃左右，湿度34%左右。试验全程样品处于饱水状态。试验总计695天，共100.08万分钟。

图1 试验仪器

试验样品样品名称、来源地、初始干密度见表1，石英砂样品1、2、3和珊瑚砂样品7、8、9、10、11颗分级配曲线和颗粒组成见图2、图3。

图2 石英砂颗粒级配曲线及颗粒组成

图3 珊瑚砂颗粒级配曲线及颗粒组成

表1 样品描述

黏性土样品4、5、6取自中国天津，液限wL=41.0%，塑限wp=22.8%，塑性指数Ip=18.2，初始含水率w=42%，初始液性指数IL=1.05。

样品12为一块铁板，试验目的是检验固结仪长期工作中仪器变形。

样品1、2、3、7、8、9、10、11、12按0 kPa、50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa加荷，加荷到200 kPa保持不变进行蠕变试验。样品4、5、6按0 kPa、50 kPa、100 kPa加荷，加荷到100 kPa保持不变进行蠕变试验。

3 试验成果

试验总计695天，共100.08万分钟。试验结束后统计发现，试验在进行到135天，即19.44万分钟后，试验数据几乎没有发生变化，可以认为试验到135天结束。其中样品12铁块从蠕变试验开始到试验结束，试验数据没有发生变化。

3.1 试验结果统计

本次试验结果仅统计蠕变试验开始至19.44万分钟的试验数据（见图4−图7）。

图4 11个样品时间-变形量关系曲线

图5 石英砂样品时间-变形量关系曲线

图6 黏性土样品时间-变形量关系曲线

图7 珊瑚砂样品时间-变形量关系曲线

3.2 微观结构分析

为了对比样品微观结构的差异，委托北京工业大学采用日立（HITACHI）S-4800扫描电镜进行扫描分析，1万倍和5万倍扫描结果见图8−图15。

图8 样品1石英砂（×1万倍）

图9 样品4黏性土（× 1万倍）

图10 样品7珊瑚砂（× 1万倍）

图11 样品10珊瑚砂（× 1万倍）

图12 样品1石英砂（× 5万倍）

图13 样品4黏性土（× 5万倍）

图14 样品7珊瑚砂（× 5万倍）

图15 样品10珊瑚砂（× 5万倍）

依据扫描结果，珊瑚砂、石英砂、黏性土的微观结构存在明显差异。珊瑚砂颗粒形状为层叠状多孔隙蜂窝结构，多由长柱状组成，多数受海水搬运沉积作用，层叠状构架多已破坏，破碎成不规则的碎屑状，颗粒大小不均。石英砂颗粒多呈带棱角的球状，颗粒粒径较均匀。黏性土颗粒为片层单片堆叠而成的片堆颗粒单元，扁平状的片堆以及单片间又以边-面、边-边为主、少量面-面接触的形式构成定向性无序的开放式絮凝结构。

3.3 试验成果分析

（1）黏性土试验成果分析

依据Craig’s Soil Mechanics (ver.8)[19]蠕变曲线划分方法，蠕变曲线分为初始压缩阶段、主固结阶段和次压缩阶段。从图16可以看出，黏性土样品4、5、6表现出了蠕变的典型三个阶段，图16中仅标示了样品6的蠕变三个阶段。

图16 软土样品4、5、6固结曲线阶段划分

（2）珊瑚砂、石英砂试验成果分析

根据图4、图5和图7，珊瑚砂与石英砂的时间-变形量曲线的变化趋势和变形量值基本一致。

①珊瑚砂的蠕变起始变形量均值约0.02 mm，石英砂的蠕变起始变形量均值约0.03 mm。

②在前1万分钟，珊瑚砂与石英砂的时间-变形量曲线可近似为直线段；在1万分钟时，珊瑚砂的累计变形量均值约为0.07 mm，石英砂的累计变形量均值约为0.08 mm；珊瑚砂与石英砂在1万分钟内的蠕变变形量差值均为0.05 mm。

③在1万分钟之后，珊瑚砂与石英砂曲线斜率均增大；在试验结束时，珊瑚砂的累计变形量均值约为0.13 mm，石英砂的累计变形量均值约为0.14 mm；珊瑚砂与石英砂在试验时间内的蠕变变形量差值均为0.11 mm。

依据黏性土的蠕变曲线划分方法，石英砂样品1、2、3和珊瑚砂样品7、8、9、10、11主固结阶段和次压缩阶段不明显（见图5和图7）。

（3）综合对比分析

通过室内135天蠕变试验，将细颗粒珊瑚砂、石英砂、黏性土的蠕变特征进行对比分析可以发现，在本次试验样品的颗粒尺度范围内和较低的荷载水平下，虽然珊瑚砂与石英砂在微观结构上存在明显差异，但蠕变试验表现出的长期变形特征是相似的，与黏性土存在明显区别。

依据本次的试验结果，在较低荷载水平下，细颗粒珊瑚砂地基的长期变形依据石英砂的经验进行估算是可行的。

4 结论及建议

（1）珊瑚砂、石英砂、黏性土的微观结构存在明显差异。珊瑚砂颗粒形状自身也非常不规则。

（2）在较低荷载水平下，细颗粒珊瑚砂与石英砂的蠕变特征相似，与黏性土存在明显区别。

（3）在较低荷载水平下，细颗粒珊瑚砂地基的长期变形可依据石英砂的经验进行估算。