珊瑚吹填土初始剪切模量试验研究❋

汪云龙， 袁晓铭， 孙 锐， 张文彬， 王 克

(中国地震局工程力学研究所 中国地震局地震工程与工程振动重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080)

珊瑚吹填土初始剪切模量试验研究❋

汪云龙， 袁晓铭❋❋， 孙 锐， 张文彬， 王 克

(中国地震局工程力学研究所 中国地震局地震工程与工程振动重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080)

珊瑚吹填土是因南海造岛工程需求而引起重视的新型工程材料，对其初始剪切模量(Gmax)的研究是人工岛地基变形分析与稳定性分析的基础。利用自主研发的无黏性土初始剪切模量试验设备，研究珊瑚吹填土振动加密过程中的Gmax发展规律，并与标准砂和砾石配置的一般无黏性土和陆相沉积的砾性土进行对比。试验结果显示，珊瑚吹填土与陆源无黏性土的Gmax压实度关系不同，前者存在先增后减的阈值，而后者单调增加。研究表明，珊瑚吹填土的工程性质具有显著的区域性；工程建设中对珊瑚吹填土振动加密效果的控制，应根据试验确定合理的压实度区间，不可直接套用陆源土方法。

珊瑚吹填土; 岛礁工程; 初始剪切模量; 压实度; 砾性土

近年来在中国南海的岛礁工程建设中，就地取材的珊瑚土被用作“绞吸吹填”的主要工程材料。珊瑚土以碳酸钙为矿物基础，也称钙质土，其物理组成与工程特性均与一般陆源无黏性土存在明显区别[1-3]。珊瑚吹填土是含有珊瑚土的粉粒、砂、砾并夹杂贝壳物的宽级配无黏性土，尽管工程建设中已经认识到由于吹填工艺造成的特殊沉积条件及复杂颗粒组成导致其工程性质与原位珊瑚土有所区别，相关研究仍然仅有零星报道[4]。对珊瑚吹填土工程性质的研究是项目建设倒逼科学进步的工程实践。

初始剪切模量(Gmax，或称最大剪切模量)是土的动、静力学分析的重要参数[5-6]，与无黏性土抗液化强度、结构性密切相关[7-9]，单华刚[10]的研究指出剪切模量对钙质砂桩端阻力正相关影响显著。另一方面，珊瑚吹填土成岛要经过强夯、振冲等方法进行地基处理才能作为工程场地使用，这些处理手段本质上都是振动加密过程。综上所述，研究振动加密过程中珊瑚吹填土的初始剪切模量变化规律，是揭示其工程性质的有效途径。

本试验研究采用自主研发设备，研究模拟振动加密过程中珊瑚吹填土的初始剪切模量发展规律，通过对比指出其与陆源无黏性土的区别，并指明了对珊瑚吹填土地基振动加密方式地基处理方法改进的方向。

1 试验方案

1.1 试验材料与试样分组

采用对比研究方式，将试验分为试验组，即某岛礁工程典型工程材料(简称CRS试样)；对比组，包括市场上购买的矿采珊瑚砂(简称CMS试样)、标准砂与单一粒径砾石配制的一般无黏性土(简称GC试样)、汶川地震液化砾性土(简称WCG试样)。各试样组的物理性质及简要描述如表1所示。

1.1.1 试验组试样 该试样组材料源自某岛礁建设工程，分别取自出砂口附近和汇水区，可以代表珊瑚吹填土的两种极端工况。出砂口附近平均粒径较大，细粒含量少，该材料简称CRS-R；随着吹填流体的运动，吹填材料逐渐沉积，至汇水区形成平均粒径较小，细粒含量高的试样，简称CRS-F。试样以片状颗粒为主，夹杂贝壳物，级配曲线如图1(a)所示。

1.1.2 对比组试样 CMS材料为市场购买的矿采珊瑚砂，以粒状颗粒为主，棱角明显，缺少0.075 mm以下粒组。分别配置粗细两种试样，分别简称CMS-R和CMS-F。GC试样组由室内试验常用福建标准砂与单粒径花岗岩圆砾按不同比例配置而成，其中GC20试样表示含砾量20%的试样，以此类推，该组试样代表试验室一般无黏性土，其中标准砂比重2.64，圆砾比重2.96； WCG试样根据汶川地震液化土层平均颗粒级配配置，属于典型陆源的宽级配无黏性土。对比组材料级配曲线如图1(b)～1(d)所示。

表1 试验材料物理性质

图1 各试样组级配曲线Fig.1 Grain size curve of samples

1.2 试验仪器

研究中使用中国地震局工程力学研究所自主研发的SEERG-T1型无黏性土Gmax测试系统。该设备采用竖向振动台驱动模拟土体振动加密过程，使用弯曲元测试试样剪切波速而确定试样Gmax，最大试样尺寸Φ280 mm×300 mm，试验过程中试样处于K0状态，上覆应力25kPa。图2描述了该系统的组成与测试情况。

1.3 试验过程与方法

例如：在进行小学英语教学的时候，老师应用小组合作学习要十分注重学生之间的分工与合作。比如，在学习小学三年级英语的How are you?这一章节的内容的时候，老师就可以组织学生以小组形式进行相关内容的对话，并且老师可以在每一组当中选出一位记录员，让这位同学记录出自己小组每次学习的过程中，并且对话形式可以让小组中的学生都可以进行口语的联系。上述所讲的案例中不仅在一定基础上可以实现小组成员的分工，还有利于加强学生的心理素质，让他们学会合作，懂得合作，从而实现小组合作学习的优化。

试样成型根据《土工试验规程 SL-237-1999》SL237-054-1999节粗粒土密度试验干法制样要求完成。试样振密分级进行，每级结束后测量试样的体积，计算干密度，测试剪切波速。弯曲元测试剪切波初至时间采用正反双向激励下的“峰-峰”方法，并经过激发频率修正[11]。Gmax由剪切波速(vs)与干密度(ρ)根据式(1)确定。

Gmax=ρ·vs2。

(1)

图2 SEERG-T1系统组成Fig.2 SEERG-T1 system in tests

2 试验结果

2.1 振动过程中Gmax的变化

用逐级振动过程中的相对体积变化表示试样的振动加密过程，各试验组的Gmax发展模式如图3(a)～3(c)所示。图中横轴为相对体积变化，根据式(2)计算，无量纲。纵轴为对应某级振密状态的Gmax，单位MPa。

ΔV/V=(V0-Vm)/V0。

(2)

式中：V0表示振动开始前试样的体积；Vm表示第m级振密后试样的体积。

如图3(a)所示，平均粒径较小的珊瑚吹填土试样CRS-F与CMS-F随着试样的振密，Gmax逐渐增大，而增长速度趋缓，其中原场地CRS-F试样的模量增大趋于收敛，另外前者的Gmax明显小于后者；平均粒径较大的珊瑚吹填土试样CRS-R与CMS-R随试样的振密过程中存在阈值，当振密过程处于该阈值之前，Gmax随试样的振密而增大，经过该阈值后的情况正好相反。在振动初期，原场地CRS-R试样的Gmax小于配制的CMS-R试样，随着振密的发展，前者的降低趋于收敛，而后者不收敛，从而在振密后期前者的Gmax大于后者。振动密实后，CRS粗细两组试样的Gmax趋于一致，CMS的粗细两组试样的Gmax则形成剪刀差。对比可见同属于珊瑚土的两组试样，因为颗粒形状及组成不同，表现出截然不同的工程性质，体现出珊瑚吹填土工程性质的区域性特征。

较之于珊瑚吹填土，陆源砾性土的Gmax随振动过程的发展模式相对简单。从图3(b)～3(c)可见，标准砂和圆砾配制的GC试样中，某一含砾量的试样，Gmax随试样的振密过程成线性增加模式；对应某一级振密，随含砾量的增大，试样的Gmax随之增大；汶川砾性土WCG试样的Gmax变化模式与GC试样组相同。

另外比较图3(a)～图3(c)的体积变化范围可见，级配良好的宽级配无黏性土CRS、CMS和WCG的可压缩性类似，而级配不良的GC试样组可压缩性较差。这也符合一般工程认知。

图3 各试样组Gmax与ΔV/V关系Fig.3 Relationship between Gmax and ΔV/V of samples

2.2 压实度对Gmax的影响

λc=ρm/ρmax。

(3)

式中：ρm为第m级振密后的试样干密度；ρmax表示试样的名义最大干密度，对于粗粒土一般由振动台法获得，工况与本试验相同。

将CRS、CMS和代表陆源宽级配无黏性土WCG试样组Gmax-λc关系绘制于图(4)，从图中可见，CRS-F、CMS-F和WCG试样的Gmax随压实度的增加而增大，这符合一般的工程认识，但平均粒径较大的珊瑚吹填土试样CRS-R与CMS-R存在Gmax先增后减的压实度阈值，其中CMS-R试样的Gmax降低是不收敛的，这与以往对陆源无黏性土的工程认识相悖。

图4 各试样组Gmax与λc关系Fig.4 Relationship between Gmax and λcof samples

上述五组试样的最大Gmax和与之对应的压实度如图(5)所示。将图(5)分为4个区，其中横轴的分区线对应压实度0.95，该压实度一般作为工程振动加密合格与否的检验标准，纵轴的分区线53 MPa，对应于本试验中标准砂试样的最大Gmax。从图5可见，5组试样的最大Gmax都大于标准砂，说明材料此项性质优于砂土；CRS-F、CMS-F和WCG试样都是在压实度100%时获得最大Gmax，试验点分布于右上区域，符合越振密材料剪切刚度越大的一般认识；而CRS-R与CMS-R试样获取最大Gmax时的压实度分别为93.0%和90.8%，试验点落于左上区域，即当继续振密时，试样的Gmax将有所降低，因此对于此类工程材料，为获得较大的Gmax，振动加密过程应该通过试验确定合理的压实度区间，而不能如陆源无黏性土般不限制振密。

图5 各试样组最大Gmax与λcFig.5 maximal Gmax and λc of samples

2.3 试验结果分析

无黏性土的力学特性是颗粒强度、颗粒间接触及颗粒排列方式的外在反映。振动加密过程中，颗粒间孔隙的减小，机械咬合力的增大将增加试样的Gmax；但试样的破碎将减小试样的Gmax。

陆源无黏性土的颗粒强度较之试样整体强度大，不易破碎，因此Gmax的变化受控于孔隙的变化，表现为试样的Gmax随试样的振密而增加。

珊瑚吹填土颗粒强度较低，在振动作用下易破碎，随振动加密过程，颗粒破碎增加，机械咬合力降低，试样Gmax随密度增加而增加的趋势将减弱，最终降低的因素占据主动，试样表现为随相对密度的增加剪切波速降低。本试验中，试验组CRS与对比组CMS同属于珊瑚土，前者以片状颗粒为主，细粒较多，后者主要是粒状颗粒，基本不含细粒。在振密过程中，片状结构与粒状结构相比，颗粒间大量的点接触被面接触取代，对同类矿物，面接触相对光滑，机械咬合力较小，因此片状结构表现为较小的Gmax；同时随着振动的加剧，较大的机械咬合力与较小的接触面积更易引起颗粒的破碎，因此CMS试样表现为相对密度阈值后剪切波速降低的加剧。

3 结论

通过对比试验，研究了珊瑚吹填土振动加密过程中初始剪切模量Gmax的发展规律，得到主要结论如下：

(1)颗粒较粗、级配良好的珊瑚吹填土振动加密过程中存在压实度阈值，当压实度小于该值时，试样Gmax随压实度增加而增大，当压实度大于该值，试样Gmax随压实度增加反而减小。

(2)珊瑚吹填土振动加密处理时，应该通过试验确定合理的压实度区间，而不能直接套用陆源无黏性土方法，单以95%为压实度控制下限，这也是相关工程方法改进的方向。

(3)颗粒形状与级配共同影响珊瑚吹填土的Gmax，就地取材过程中其颗粒形状与级配差别较大，因此珊瑚吹填土的工程性质具有明显的区域性。

(4)试验中发现珊瑚吹填的剪切波速明显大于陆源无黏性土，这与现场测试结果相符，但因为试样孔隙大且内空隙丰富，造成试样密度偏小，因此综合反映在Gmax指标中数值上两者较为接近。

珊瑚吹填土是新的工程材料，相关研究仍然处于起步阶段，对其工程性质的认识将随着试验手段的提高和试验材料的丰富更加深刻。

致谢：本研究进行中得到中交四航局秦志光高级工程师的指导与支持，在此表示诚挚的谢意。

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Abstract: As a new engineering material, coral reclaimed soil draws much attention for the demand of artificial island construction in South China Sea, and the investigation on its initial shear modulus (Gmax) paves the way for deformation and stability analysis of the island foundations. Experimental research on theGmaxof coral reclaimed soil during vibro-compacting is tested by an initial shear modulus test system of cohesiveless soil which was designed and developed by the authors. The coral soil is compared with continental sedimentary gravelly soil and general cohesiveless soil including standard sands and single grained gravel. The results show that the relationship betweenGmaxand compactness of coral reclaimed soil stays different from terrestrial cohesiveless soils, that theGmaxof the former increases with increasing compactness initially and afterward decreases after a threshold value, while theGmaxof the latter is monotonically increase. The study shows the engineering properties of coral reclaimed soil is significantly regional. During engineering construction, a reasonable compactness of coral reclaimed soil should be determined by test to control the effect of vibro-compaction, but not apply vibro-compaction method of terrestrial soil directly.

Key words: coral reclaimed soil; reef engineering; initial shear modulus; soil compaction degree; gravelly soils

责任编辑 徐 环

Experimental Investigation on Initial Shear Modulus of Coral Reclaimed Soil

WANG Yun-Long, YUAN Xiao-Ming, SUN Rui, ZHANG Wen-Bin, WANG Ke

(Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration, Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration, Harbin 150080, China)

TU47

A

1672-5174(2017)10-036-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20160473

汪云龙, 袁晓铭, 孙锐, 等. 珊瑚吹填土初始剪切模量试验研究[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2017, 47(10): 36-41.

WANG Yun-Long, YUAN Xiao-Ming, SUN Rui, et al. Experimental investigation on initial shear modulus of coral reclaimed soil[J]. Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(10): 36-41.

中国地震局工程力学研究所基本科研业务费专项资助项目(2017B09)；国家自然科学基金项目(41602321)资助 Supported by Scientific Research Fund of Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration(2017B09); National Science Foundation of China(41602321)

2017-05-10；

2017-07-12

汪云龙(1985-)，男，助理研究员，主要从事岩土地震工程、土工测试及地质勘查等方面的研究工作。E-mail：wyl_iem@hotmail.com

❋❋ 通讯作者：E-mail:yxmiem@163.com