姜松，李建雙

（中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津300461）

珊瑚砂物理力學性質(zhì)調(diào)研及試驗研究

姜松，李建雙

（中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津300461）

珊瑚砂是一種工程性質(zhì)較為特殊的巖土類型。由于目前勘察研究較少，尚沒有列入國家規(guī)范，其工程力學特征及地基性能尚待更進一步探討。為了開發(fā)海洋資源，指導珊瑚砂工程建設(shè)，通過文獻調(diào)研、資料整理，綜合分析了珊瑚砂的物理力學性質(zhì)并進行室內(nèi)試驗研究，為后續(xù)類似工程提供參考。

珊瑚砂；內(nèi)孔隙；壓縮特性；剪切特性

0 引言

珊瑚砂作為一種特殊的巖土體，通常是珊瑚體殘骸經(jīng)長期地質(zhì)作用而形成的。作為深海中寶貴的陸地資源，具有海洋新能源開發(fā)、海洋漁業(yè)資源捕撈、海洋權(quán)益保護、海上交通補給站、海上觀光旅游等眾多功能，科研價值、經(jīng)濟效益和戰(zhàn)略意義十分重大。隨著漁業(yè)資源、海洋石油天然氣資源的開發(fā)和國防建設(shè)的需要，在珊瑚砂地區(qū)開展的工程活動，規(guī)模愈來愈大，類型愈來愈多，迫切需要對珊瑚砂的工程地質(zhì)環(huán)境及工程地質(zhì)性質(zhì)進行研究，以適應(yīng)珊瑚砂工程建設(shè)的需要。

國內(nèi)外對珊瑚砂的研究成果眾多。Bryant等[1]對取自墨西哥灣的鈣質(zhì)土做了120組各種類型的試驗，結(jié)果顯示其壓縮指數(shù)隨碳酸鹽含量的增加而增加。Demars等[2]研究了碳酸鹽的含量對抗剪強度的影響，得出了碳酸鹽的含量決定碳酸鹽沉積物力學特性的重要結(jié)論。Datta對4種鈣質(zhì)砂試驗的結(jié)果表明，鈣質(zhì)砂在三軸剪應(yīng)力作用下的破碎性比在等向固結(jié)條件下要大，顆粒破碎不受加荷類型的影響，只受土體內(nèi)永久變形大小的影響[3]。Olsen[4]在總結(jié)了大量的DPT試驗的基礎(chǔ)上，得出了DPT擊數(shù)與珊瑚碎屑沉積物物理性質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系，并在紅海的珊瑚礁礁坪和礁前斜坡進行了大量SPT測試，并經(jīng)過樁基載荷試驗驗證，得出了適合于當?shù)氐挠肧PT擊數(shù)來反映礁砂層打入式鋼管樁的靜態(tài)極限承載力公式。汪稔等[5]將永暑礁上部松散砂層分成7個小層，認為其密實性不具有隨深度變化的規(guī)律，在淺部也有密實層。劉崇權(quán)等[6]初步探討了鈣質(zhì)砂的物理力學性質(zhì)，認為鈣質(zhì)砂在壓縮過程的變形是塑性變形，當σ3<1 MPa時，兼有顆粒破碎和剪脹特征；當σ3>1 MPa時以顆粒破碎為主，體積剪縮。吳京平等[7]研究了顆粒破碎對鈣質(zhì)砂變形強度特性的影響。

珊瑚砂地基工程建設(shè)前，需要對珊瑚砂的物理力學性質(zhì)有較為全面的認識，由于珊瑚砂分布廣泛，成因復雜，孔隙類型及微觀結(jié)構(gòu)亦各不相同，使其工程特性具有明顯的地域特征。對工程與環(huán)境的適宜性認識不清有可能影響建筑物的使用，因此需要重視珊瑚砂的基本性質(zhì)。本文通過文獻調(diào)研、室內(nèi)試驗等手段，對珊瑚砂物理力學性質(zhì)進行歸納總結(jié)，為今后珊瑚砂工程的設(shè)計、施工提供指導意見。

1 物理性質(zhì)

珊瑚砂的物理性質(zhì)與地域相關(guān)性較大，沉積條件不同常常導致珊瑚砂的物理性質(zhì)有較大不同。珊瑚砂孔隙通?？煞譃轭w粒間的外孔隙和顆粒本身的內(nèi)孔隙。大量試驗結(jié)果顯示，珊瑚砂內(nèi)孔隙約占整個孔隙的10%左右，表明顆粒本身的疏松、多孔程度。汪稔等[8]對鉆孔中珊瑚砂的物理性質(zhì)進行了統(tǒng)計，包括取樣深度、取樣個數(shù)、珊瑚砂比重、重度、孔隙比、相對密度、天然休止角等，如表1所示。

表1 珊瑚砂的物理性質(zhì)Table 1Physical properties of coral sand

為進一步研究珊瑚砂的物理性質(zhì)，在南方某島取珊瑚砂試樣并進行了一系列室內(nèi)試驗，包括顆分、比重、相對密度、滲透性等。顆分試驗共進行了10組，試驗結(jié)果如表2所示。由顆分試驗可知，該類珊瑚砂屬于中砂，不均勻系數(shù)介于2.64~2.95之間，10組顆粒級配曲線試驗結(jié)果較為一致。

表2 珊瑚砂顆分試驗結(jié)果Table 2Particle distribution of coral sand

采用比重瓶法對珊瑚砂試樣進行了土顆粒比重試驗，試驗結(jié)果表明，該珊瑚砂的比重介于2.69~2.71之間，平均值為2.70。最大孔隙比介于1.52~1.56之間，最小孔隙比介于0.94~0.96之間。常水頭滲透試驗結(jié)果表明，該珊瑚砂的平均滲透系數(shù)約為4.02×10-2cm/s。

2 壓縮特性

與石英砂不同，珊瑚砂顆粒具有內(nèi)部孔隙，形成了其強度低、易破碎、高壓縮等特點。珊瑚砂的顆粒破碎被認為是其高壓縮性的主要因素。在相同應(yīng)力水平下，顆粒間接觸面積較小、應(yīng)力較大，易于破碎。資料顯示，珊瑚砂的壓縮指數(shù)約為石英砂的100倍。陳海洋[9]利用顯微觀測儀對珊瑚砂顆粒的內(nèi)孔隙進行了分析，并根據(jù)顆粒內(nèi)孔隙的分布特點分析了珊瑚砂的顆粒強度。Coop[10]認為珊瑚砂的壓縮性與黏土類似，試驗結(jié)果表明珊瑚砂的顆粒破碎與應(yīng)力水平有關(guān)，且偏應(yīng)力對顆粒破碎的影響更大。珊瑚砂的固結(jié)特性受膠結(jié)狀況、碳酸鈣含量、沉積年代等因素的影響。沉積年代越久，其強度越高，壓縮性越??；碳酸鈣含量越高，回彈值越低。劉崇權(quán)[6]認為珊瑚砂的壓縮特性類似于正常固結(jié)黏土，卸荷再加荷曲線都為平直的直線，卸荷與再加荷階段的曲線基本重合，膨脹指數(shù)較低，說明壓縮過程中變形幾乎都為塑性變形。從壓縮曲線上看，基本由初始階段的緩和段和近直線段兩部分組成。隨著應(yīng)力水平的增大，弧線段的曲率逐漸增大，而直線段的斜率受初始比體積影響，斜率隨著比體積的提高而顯著增大，相應(yīng)的壓縮性也大大提高。因此，有人建議將一維壓縮曲線上800 kPa處的斜率定義為極限壓縮指數(shù)。

為考慮不同應(yīng)力水平下珊瑚砂的顆粒破碎效應(yīng)，分別對珊瑚砂試樣進行一維壓縮試驗，最大加載應(yīng)力分別為400 kPa、800 kPa、1 200 kPa和2 000 kPa，隨后卸載至零并進行顆粒級配分析，試驗結(jié)果如圖1所示。由圖可知，隨著圍壓的增加，顆粒級配曲線變化并不明顯，這可能是由于采集到的珊瑚砂已經(jīng)過振沖處理，并產(chǎn)生了較明顯的顆粒破碎作用。這也從另一方面證明了經(jīng)振沖處理后的珊瑚砂地基顆粒破碎現(xiàn)象基本消失，地基的密實程度得到了較大的提升，振沖處理效果較好。

圖1 應(yīng)力水平對顆粒破碎的影響Fig.1Influence of stress level on particle breakage

3 剪切特性

由于珊瑚砂顆粒間存在較高的礦物摩阻力、顆粒破碎及顆粒重排列等因素的影響，在相同孔隙比和顆粒級配條件下，珊瑚砂的摩擦角明顯大于石英砂的摩擦角。珊瑚砂的排水剪切試驗結(jié)果表明，其力學響應(yīng)與黏土類似，存在一個體積變化率、偏應(yīng)力增量為零的臨界狀態(tài)[10]。珊瑚砂排水剪切響應(yīng)與圍壓水平密切相關(guān)。在低圍壓下，初期響應(yīng)呈剛性，隨后進入應(yīng)變硬化階段；高圍壓下，應(yīng)力應(yīng)變曲線初期并無明顯屈服點，由于顆粒破碎效應(yīng)的影響會產(chǎn)生明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，這也是其區(qū)別于石英砂的重要特點之一[11]。

對珊瑚砂進行了10組直剪試驗，試驗結(jié)果如表3所示。直剪試驗結(jié)果表明，黏聚力介于1.7~ 5.0 kPa之間，內(nèi)摩擦角介于38.5°~45.0°之間。

表3 直剪試驗結(jié)果Table 3Results of direct shear experiments

同時進行了三軸固結(jié)不排水剪切試驗，其中2組試驗結(jié)果如圖2所示。分別在圍壓100 kPa、200 kPa、500 kPa和800 kPa下進行三軸壓縮試驗。圖2（a）中800 kPa和圖2（b）中100 kPa圍壓下主應(yīng)力差突然減小為0，此處應(yīng)是試驗操作問題，故剔除該試驗結(jié)果。

圖2 珊瑚砂試樣試驗結(jié)果Fig.2Experiment results of coral sand sample

從主應(yīng)力差-軸向應(yīng)變曲線可知，珊瑚砂最大主應(yīng)力差隨著圍壓的增大而增大，主應(yīng)力差達到峰值后均出現(xiàn)了較為明顯的減小，即應(yīng)變軟化現(xiàn)象。根據(jù)各組三軸試驗結(jié)果，將各試驗結(jié)果繪制在平均主應(yīng)力-剪應(yīng)力應(yīng)力空間中，可以得到該珊瑚砂的固結(jié)不排水剪切強度指標，內(nèi)摩擦角介于27.7°~33.08°之間。

4 結(jié)語

本文通過文獻調(diào)研、分析整理以及室內(nèi)試驗等手段對珊瑚砂的物理力學性質(zhì)進行了分析，主要結(jié)論如下：

1）與石英砂不同，珊瑚砂的顯著特點是碳酸鈣含量較高且含有內(nèi)孔隙，在一定應(yīng)力水平作用下易產(chǎn)生顆粒破碎效應(yīng)，對其力學性質(zhì)影響顯著。

2）珊瑚砂物理性質(zhì)的地域相關(guān)性較大，需要根據(jù)工程要求進行室內(nèi)試驗。試驗結(jié)果表明珊瑚砂的比重介于2.69~2.71之間，平均值為2.70。不均勻系數(shù)介于2.64~2.95。最大孔隙比介于1.52~ 1.56之間，最小孔隙比介于0.94~0.96之間。常水頭滲透試驗結(jié)果表明，平均滲透系數(shù)約為4.02× 10-2cm/s。

3）珊瑚砂的高壓縮性源于其顆粒破碎效應(yīng)，且與應(yīng)力水平相關(guān)。卸荷再加荷一維壓縮曲線為平直的直線，卸荷與再加荷階段的曲線基本重合，說明壓縮過程中變形幾乎都為不可恢復的塑性變形。本文中的珊瑚砂試樣由于經(jīng)過振沖處理，并未觀察到明顯的顆粒破碎現(xiàn)象，從另一方面說明振沖處理可以有效地減少珊瑚砂顆粒破碎效應(yīng)，從而提高地基的密實程度。

4）珊瑚砂排水剪切響應(yīng)與圍壓水平密切相關(guān)。低圍壓下易產(chǎn)生應(yīng)變硬化現(xiàn)象，而高圍壓下產(chǎn)生應(yīng)變軟化現(xiàn)象，并最終趨近于體積變化率、偏應(yīng)力增量為零臨界狀態(tài)。直剪試驗結(jié)果表明，黏聚力介于1.7~5.0 kPa之間，內(nèi)摩擦角介于38.5°~45.0°之間。三軸試驗結(jié)果表明，內(nèi)摩擦角介于27.7°~33.08°之間。

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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—），遼寧丹東人，碩士，高級工程師，副總經(jīng)理，主要從事工程管理等工作。E-mail：jstj@vip.sina.com