珊瑚砂砾互层地基承载特性模型试验研究

付金鑫　雷学文　孟庆山　潘剑锋

摘要：岛礁在吹填过程中会形成珊瑚砂与珊瑚砾石相互交替的层状地基。为研究珊瑚砂砾交互地层地基的承载特性，通过室内模型试验，开展了纯砂、纯砾均质地基以及不同层厚比例砂砾互层地基的承载特性研究。试验结果表明：纯砂地基的承载力和变形模量随相对密实度的增大而增大，且密实地基的承载力明显高于中等密实地基；相同相对密实度下，纯砾地基的承载力和变形模量是纯砂地基的2倍以上；上砾下砂地基的承载力随砾层厚度的增大而增加，砾层具有一定的应力扩散作用，厚度越大，应力扩散越明显；上砂下砾地基的承载力随砾层埋深的减小而增大，地基下卧砾石层能使地基内一定深度处应力集中程度减弱，埋深越浅，减弱程度越大。试验结果对于确定砂砾互层地基的天然承载力及持力层选择具有重要意义。

关 键 词：珊瑚砂砾互层地基； 地基承载力； 变形模量； 土压力分布； p-s曲线

中图法分类号： TU411

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.04.026

0 引 言

南海岛礁资源对于中国而言在国防和经济上都具有重要的战略意义。近年来，南海岛礁建设不断加速推进，通过陆域吹填工程的实施，岛礁的面积逐渐扩大。然而在实际水力吹填过程中，粗砾石主要堆积在靠近吹填管口处，大颗粒的尺寸在10 cm以上，随着水流的搬运能力向边缘减弱，在远离吹填管口处堆积物逐渐变细，一般为砂、粉细砂［1］。在吹填过程中，随着吹填管口的不断转移，必然会形成砂砾互层的吹填地基，一层为高压缩性的砂层，另一层为具有粗粒土性质的块状珊瑚砾石。在实际建设工程中，层状地基也表现出独特的承载特性，因此对砂砾互层地基的承载特性进行研究成为岛礁建设过程中的关键性一环。

珊瑚砂作为特殊的海洋生物残体，其主要成分为碳酸钙，拥有着多孔隙［2］、颗粒强度低［3］、易破碎等特征［4-5］，其工程力学特性与陆源土有着显著的不同。针对珊瑚砂的特殊性，国内外学者先后展开了大量关于珊瑚砂地基承载特性的相关研究。王新志等［6］开展了室内平板载荷试验，发现其地基承载力随密实度增大而增大，并比同密实度石英砂地基承载力大得多，地基中土压力随深度快速衰减。汪正金等［7］在现场平板载荷试验中发现地下水会对钙质砂地基承载力和变形模量产生影响。李洋洋等［8］分析了钙质砂地基的实际沉降量与经验公式计算值的关系，得出了前者为后者50%～67%的结论。饶佩森等［9］开展了循环荷载作用下不同密实度钙质砂地基土压力动力响应的模型试验，揭示了钙质砂地基土压力的响应特征和衰减规律。沈扬等［10］提出了适用于珊瑚砂的地基承载力公式，对珊瑚砂的地基承载力系数进行了修正。刘特等［11］对吹填礁砂层状地基开展了大型推剪试验，研究了其剪切强度及破坏特征。

针对互层地基，国内外许多学者也对其承载特性开展了大量研究。Hanna等［12］建立了非均质地基的冲剪破坏模型，并对软黏土上覆砂层地基的情况提出了极限承载力的半经验公式。关宇等［13］针对砂-黏土双层地基的极限承载力提出了一个多项式回归公式，并对其进行了验证和不确定分析。胡振华等［14］分析了人工硬壳层的存在对地基承载力和扩散角的影响。秦会来等［15］针对双层地基极限承载力的计算，提出了一种新的多块体离散模式的上限方法，并与已有计算方法对比，验证了该方法的有效性。Yu等［16］模拟了双层黏土中方形基础的贯入效应。

如上所述，以往针对岛礁地基的承载特性研究，研究对象主要集中在均质珊瑚砂体，互层地基的相关研究主要针对陆源土，而对于岛礁吹填工程中遇到的珊瑚砂和珊瑚砾交替互层地基的力学特性研究相对匮乏。因此，本文通过对珊瑚砂砾互层地基开展室内平板载荷模型试验，分析砂砾互层地基在荷载作用下的承载特性，研究结果可为岛礁吹填地基的工程基础设计提供参考。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

室内平板载荷试验所用珊瑚砂和珊瑚砾基本物理参数如表1所列，其筛分后的颗粒级配曲线见图1。

1.2 试验装置及仪器

模型试验所用模型箱为直径1.0 m，高1.4 m的圆筒，其筒壁采用45号钢，上下各通过反力框架安装上下盖板。上盖板中心安装20 t的千斤顶，千斤顶的出油回油口均与武汉中岩科技研制的RSM-JC5（D）静荷载测试仪相配套的油泵连接。通过该静荷载测试仪控制千斤顶分级施加垂直荷载，该仪器能自动控载并对试验过程进行实时监测，可绘制多种数据曲线。试验所用装置如图2所示。

1.3 土压力计的埋设与布置

地基土中埋设的土压力传感器为日本共和BEC-A型应变式土压力计，量程最大为1 MPa。为测定地基中竖向土压力，试验中将土压力计水平埋设。土压力数据采集系统为TDS-540静态数据采集儀，能实时监测并记录试验加载过程中土压力值。土压力计埋设在载荷板中心及距离中心10，20，30，40 cm的位置，埋深分别为40，60，80 cm，共15个土压力计，布置情况见图3。

1.4 试验方案

本文通过室内平板载荷试验，探究不同相对密实度的纯砂地基、纯砂与纯砾地基，以及不同层厚比例的砂砾互层地基承载特性的差异，具体试验方案见表2。试验前沿竖向在模型筒内壁每隔10 cm标好刻度线，装样过程中地基土共分8层填筑，每层控制厚度10 cm，共填筑80 cm。根据试验所需的相对密实度并结合物理参数计算每层地基土填筑的重量，分层夯实，确保每层试样的顶面与模型筒内壁上的刻度线对齐，每层夯实刮平后在相应位置埋设土压力计，在地基土填筑完毕后安装载荷板和位移计。试验模拟方形基础，载荷板尺寸为200 mm×200 mm，厚40 mm，满足刚度和变形要求。加载方式按照GB 50007－2011《建筑地基基础设计规范》［17］进行，每组试验分级加载控制，首级荷载为50 kPa，每级荷载加载量为100 kPa，通过位移计测定每级荷载下地基沉降量。

2 试验结果分析

2.1 相对密实度对地基承载特性的影响

2.1.1 相对密实度对p-s曲线的影响

图4为不同相对密实度纯砂地基的p-s曲线。由图4可见，随相对密实度的增大，纯砂地基的沉降量明显减小，在荷载达到1 050 kPa时，Dr为0.6的地基已产生开裂现象，沉降量已达到25.0 mm，而Dr为0.7和0.8的地基沉降量仅为7.1 mm和4.7 mm。在地基沉降量为4.0 mm左右时，Dr为0.6的地基其上部荷载仅为300 kPa，而Dr为0.7和0.8的地基其上部荷载可达到550 kPa和850 kPa，表明地基在相同沉降量时，密实度越高，需要上部荷载越大。

地基的承载力特征值和变形模量按GB 50007－2011《建筑地基基础设计规范》［17］的相关规定，通过p-s曲线确定。不同相对密实度纯砂地基的承载力特征值与变形模量见表3。

由表3可知，相对密实度Dr对地基变形模量、承載力特征值有很大影响。Dr从0.6增加到0.7，0.8时，地基土从中等密实变为密实状态，变形模量相应增加了约39%，66%，承载力特征值相应增加了约37.2%，49.4%。由此可见，相对密实度对珊瑚砂地基承载力的影响十分明显，密实地基相对中等密实地基，其承载力提升效果显著，在实际工程中夯实地基到密实程度能更好地确保天然地基安全。

2.1.2 相对密实度对土压力分布的影响

以竖向荷载250 kPa加载情况为例，此荷载下地基处于稳定状态，将基底中轴线下2，3，4倍板宽深度处的土压力实测值与对应的相对密实度进行汇总比较分析，绘制出图5所示的线性回归方程。三点处的测值线性拟合程度好，相关系数均大于0.9；中心荷载下，各测点处的土压力随着相对密实度的增大呈逐渐增大的趋势。可通过拟合方程计算出中心荷载下各测点不同相对密实度的土压力值。

图6为3种相对密实度纯砂地基中轴线上2倍板宽深度处的土压力随荷载变化情况。图中，随着荷载值的增加，Dr为0.6的地基该深度土压力增加幅度增大，即表现为该测点土压力实测值占加载值的比例在逐渐增加。由于该相对密实度地基承载力较小，在加载初期，地基处于稳定状态，该测点土压力占比维持在50%以内，随着加载值增加，地基逐步失稳，土压力增加幅度越来越大，占比逐渐增加，加载到1 250 kPa时，地基发生失稳破坏，占比已达到87%，砂体失去承载能力。而Dr为0.7，0.8的地基属于密实地基，承载性能好，随着加载值增加，地基并未发生失稳破坏，该测点土压力占比始终维持在50%左右。

2.2 均质地基承载特性

2.2.1 均质地基p-s曲线对比

试验控制纯珊瑚砂、纯珊瑚砾地基的相对密实度均为0.6，比较两种地基的承载特性，其p-s曲线如图7所示，承载力特征值与变形模量见表4。

图7中，同一加载条件下，纯砂地基的沉降量要明显大于纯砾地基，纯砂地基在荷载1 050 kPa时已经产生明显破坏，沉降量达到25.0 mm，而纯砾地基仅为6.2 mm。继续加载，纯砂地基沉降量急剧增加，产生更大的破坏，而纯砾地基沉降量保持相对稳定，在上部荷载达到2 MPa时，纯砾地基沉降量仅为14.9 mm。

由表4可见，纯砾地基的变形模量和承载力特征值远高于纯砂地基。同等密实度的条件下，纯砾地基的变形模量为28.59 MPa，约为纯砂地基的2.2倍。纯砾地基的承载力特征值高达437.8 kPa，而纯砂地基仅为199.3 kPa，不足纯砾地基的50%。因此，在岛礁地质条件允许的情况下，为改善地基类型，将砂类地基换填为砾石地基，或选择砾石层为持力层能大幅增加地基的变形模量，提高地基的承载能力。

2.2.2 均质地基土压力分布对比

均质地基土砂砾粗细程度的不同不仅对地基变形有影响，其地基土压力分布也有较大差异。图8为纯砂、纯砾地基中轴线上2倍板宽深度处土压力随荷载变化情况。

由图8可知：在Dr相同情况下，纯砂地基在加载初期其测点土压力增加幅度较稳定，其占竖向荷载百分比维持在50%以内。加载到550 kPa时，土压力占比已达到54%，地基已产生失稳破坏现象。土压力在载荷板中心下产生集中，荷载越大，土体进一步破坏，失去承载能力，土压力更加集中，土压力占比越来越大。而纯砾地基硬度大，强度高，随着荷载的增大，该测点土压力增加幅度呈降低趋势，即土压力占荷载比逐渐减小，从加载初期的43%一直减小到终止加载值时的36%。分析原因可知，纯砾地基在加载过程中一直处于稳定状态，并未产生破坏，随着上部荷载增大，下部土体的密实度也在不断提高，土体的结构性和整体性在不断增强，使得更多的土体参与承担上部荷载的压力，土中应力扩散范围变得更大，荷载中心下土体的荷载占比随之减小。

2.3 互层地基承载特性

针对在岛礁吹填过程中出现珊瑚砂与珊瑚砾构成砂砾互层地基，围绕上下层地基土厚度比不同展开研究，上下层地基土相对密实度均取0.6。

2.3.1 上砾下砂地基承载特性

图9为上层珊瑚砾石、下层珊瑚砂地基不同厚度比条件下载荷试验的p-s曲线。分析可知：上覆砾石层硬度高，变形模量大，具有“硬壳层效应”［14］，其承载特性相比于纯砂地基明显提高。当荷载加载到1 050 kPa时，砾-砂厚度比为1∶3时的地基沉降量为10.3 mm，比纯砂地基减少了56.6%；砾-砂厚度比为1∶1时的地基沉降量为8.9 mm，比纯砂地基减少了64.8%。随着上覆砾石厚度的增加，地基沉降量逐渐减少。

表5为上砾下砂地基承载力特征值对比，砾-砂厚度比为1∶3的地基和厚度比1∶1的地基其承载力特征值相比纯砂地基分别增加了58.5%和69.3%。相比纯砂地基，上覆砾石层的存在使得地基承载特性有很大的提高，但砾石层厚度比由1∶3提高到1∶1时，地基承载力特征值变化幅度并不大，仅增加了6.8%，这是由于珊瑚砾石土硬度大，变形模量大，在纯砂地基上上覆一层砾石对地基承载特性的提高效果已非常明显，增加砾石层厚度虽能更好地改善地基承载力，但改善程度有限。

图10为上砾下砂地基3倍板宽深度处土压力分布图。

分析图10可知，当存在上部砾石层时，下部砂层中会出现应力扩散现象，且砾石层厚度越大时，荷载作用下该深度处应力扩散作用越强，且在中轴线处扩散效果越明显。砾石层厚度为20 cm时，中轴线处土压力相对均质砂地基减小28.1%，而砾石层厚度为40 cm时，土压力相对均质砂地基减小37.7%。当离中轴线距离大于20 cm时，在砾-砂厚度比为1∶3的地基中产生了土压力实测值大于均质砂地基土压力的现象，距中轴线越远，应力扩散作用减弱，该深度界面土压力趋于均匀。而砾-砂厚度比为1∶1的地基，该深度处各测点土压力值均小于纯砂地基测值，界面土压力更趋于均匀，扩散效果更明显。这是由于砾石层厚度增大，砾石层能够承受的上部荷载压力也越大，这样就减小了下层砂体的土压力，同时上部荷载扩散到下层砂体的面积也随之增大。

2.3.2 上砂下砾地基承载特性

图11为不同厚度比上层珊瑚砂、下层珊瑚砾石地基的载荷试验p-s曲线图。这种地基具有珊瑚砾石下卧层，其沉降量较纯砂地基有所减小。当荷载加载到1 050 kPa时，砂-砾厚度比1∶3的地基沉降量为8.7 mm，比纯砂地基减少了66.1%，砂-砾厚度比1∶1的地基沉降量为13.1 mm，比纯砂地基减少了48.5%，说明下卧珊瑚砾石变形模量大，能有效地控制地基的沉降，砾石层埋深越浅，整个地基的沉降量越小。

表6为上砂下砾地基承载力特征值对比，砂-砾厚度比1∶1以及厚度比1∶3地基的承载力特征值相比纯砂地基分别增加了22.7%，46.7%，下卧砾石层埋深对地基承载力影响较大，砾石层埋深由40 cm变化到20 cm后，地基承载力特征值提高了19.5%，砾石层埋深越浅，越有利于地基的稳定性。

图12为上砂下砾地基中轴线上3倍板宽深度处土压力分布图。这种地基砾石层作为下卧层，相比均质砂地基，能使中轴线处应力集中程度减弱，且砾石层埋深越浅，减弱程度越大。在砾石层埋深为40 cm时，中轴线处土压力相对均质砂地基减小了28.1%，而砾石层埋深为20 cm时，土压力相对均质砂地基减小了35.9%。随着距中轴线水平距离的增加，三者相同测点的土压力差值逐渐减小，该深度水平方向上土压力分布相对均匀。主要是由于砾石层应力扩散效应较强，当砾石层埋深越浅，该深度测点距砾石层顶距离越大，有更大厚度的砾石层参与到承受上部砂层传递下来的荷载。同时发现，图10中砾-砂厚度比1∶1地基3倍板宽深度处土压力沿水平方向近似呈直线发展，而图12中砂-砾厚度比1∶1地基同样板宽深度处土压力沿水平方向变化较平缓。这是由于砾石层作为下卧层，且砾石层埋深较深时，上部荷载经砂层传递至砾石层后，在中轴线附近处发生了较明显的应力集中现象，中轴线附近的土压力沿水平方向减小的幅度变小，表现出土压力变化较平缓的现象。

结合上砾下砂、上砂下砾地基的试验结果分析可得：砾石层不论作为上部持力层还是下卧层，其地基承载力均大于纯砂地基，且上砂下砾地基中，砂-砾厚度比1∶3地基的承载力特征值最大，达到292.3 kPa；而上砾下砂地基中，砾-砂厚度比1∶3地基的承載力虽最小，但结果仍有315.9 kPa。这表明砾石层作为上部持力层对改善地基承载力的效果要优于其作为下卧层带来的效果。

3 结 论

针对岛礁吹填地基土层构成的差异性，通过室内平板载荷模型试验对不同类型地基的承载特性展开研究，对比分析了纯砂、纯砾地基承载力和土压力分布情况，进一步研究了上砾下砂、上砂下砾不同层厚比对地基承载力和土压力分布的影响，所得结论如下。

（1） 珊瑚砂地基的承载力和变形模量随相对密实度的增加而增加，地基稳定状态时载荷板中心线上各测点土压力值与相对密实度呈线性相关。

（2） 相同的相对密实度情况下，纯砾地基的承载力和变形模量是纯砂地基的2倍以上，实际工程中可优选珊瑚砾石为持力层。

（3） 上覆珊瑚砾石层具有“硬壳层效应”，能提高地基的承载性能，且可有效扩散上部荷载，使土压力趋于均匀，且砾石层厚度越大，地基承载特性越好，应力扩散现象越明显。

（4） 砾石层作为下卧层，相比纯砂地基，能提高地基稳定性，使地基一定深度内应力集中程度减弱，且砾石层埋深越浅，应力集中的减弱程度越大，地基越稳定。

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（编辑：郑 毅）

Model experimental study on bearing characteristics of coral sand and gravel interlayer foundation

FU Jinxin1，2，LEI Xuewen1，MENG Qingshan2，PAN Jianfeng1，2

（1.City Construction Institute，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430065，China； 2.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics of Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071，China）

Abstract：

During the dredger filling process of island reefs，a layered foundation of coral sand and coral gravel will be formed.We investigated the bearing characteristics of pure sand，pure gravel homogeneous foundation and sand-gravel interlayer foundation with different layer thickness ratio by indoor model tests.The test results showed that the bearing capacity and deformation modulus of pure sand foundation increased with the relative density，and the bearing capacity of dense foundation was obviously higher than that of medium dense foundation；the bearing capacity and deformation modulus of pure gravel foundation were more than twice of that of pure sand foundation under the same relative density；the bearing capacity of upper gravel and lower sand foundation increased with the increase of gravel layer thickness，and the gravel layer had a certain stress diffusion effect，and the larger the thickness，the more obvious the stress diffusion.The bearing capacity of upper sand and lower gravel foundation increased with the decreasing of gravel layer depth，and the lying gravel layer under the foundation can weaken the stress concentration at a certain depth in the foundation，the shallower the depth，the greater the weakening degree.The test results are of great significance for determining the natural bearing capacity of sand and gravel interlayer foundation and the selection of bearing layer.

Key words： coral sand and gravel interlayer foundation；foundation bearing capacity；modulus of deformation；soil pressure distribution；p-s curve

收稿日期：2022-01-15

基金項目：国家自然科学基金面上项目（41877267，41877260）；中国科学院战略性先导科技专项（A类）（XDA13010201）

作者简介：付金鑫，男，硕士研究生，研究方向为珊瑚礁砂力学性质研究。E-mail：740038460@qq.com

通信作者：孟庆山，男，研究员，博士生导师，博士，主要从事珊瑚礁工程地质与力学特性方面的研究工作。E-mail：qsmeng@whrsm.ac.cn