珊瑚砂地基平板载荷模型试验研究

李洋洋，方祥位，黄雪峰，宋 平，孙发鑫

(1.中国人民解放军后勤工程学院 土木工程系， 重庆 401331;2.华润建筑有限公司西南分公司，成都 610051)

珊瑚砂地基平板载荷模型试验研究

李洋洋1，方祥位1，黄雪峰1，宋 平1，孙发鑫2

(1.中国人民解放军后勤工程学院 土木工程系， 重庆 401331;2.华润建筑有限公司西南分公司，成都 610051)

珊瑚砂具有不同于普通硅砂的工程力学特性，南海岛礁工程建设需要研究珊瑚砂地基的承载及变形等特性。对不同承压板、不同密实度条件下的珊瑚砂地基进行浅层平板载荷试验，研究珊瑚砂地基的承载和变形等特性。试验结果表明：珊瑚砂地基的沉降量随密实度增大而减小，承载能力和变形模量随密实度增大而增大；方形承压板地基的沉降量小于圆形承压板地基，承载能力和变形模量大于圆形承压板地基。珊瑚砂地基的实际沉降量为经验公式计算值的50%～67%；荷载传递深度约为承压板宽度或直径的2～3倍；水平方向上荷载影响范围为1～2倍的承压板宽度或直径。

珊瑚砂；平板载荷试验；承载特性；变形特性

南海蕴藏着丰富资源且处于战略性的地理位置。珊瑚礁是南海中非常宝贵的陆地资源，是南海开发和南海权益保护的重要立足点，可成为建设旅游、水产、矿产开发和军事设施的前方基地，具有重要的战略意义、科学意义和经济价值[1-2]。

南海珊瑚礁岩土地层可粗略分为两层：上层为珊瑚砂层，下层为礁灰岩层。珊瑚砂是一种存在于热带海洋环境的特殊砂土，主要由珊瑚礁岩和珊瑚、贝壳等生物残骸在风化作用和海水动力作用下破碎、搬运、沉积形成。珊瑚砂主要成分是文石和高镁方解石，碳酸钙含量超过97%，因此也常被称作钙质砂[3]。

国际上对珊瑚砂的研究开始于二战后的海上油气开发热潮，随着多起珊瑚岛礁工程建设施工事故的发生，人们才开始重视对珊瑚砂特殊物理力学特性的研究[4]。Datta，Demars等[5-6]通过珊瑚砂室内试验研究发现：碳酸盐含量会影响珊瑚砂的力学性质及珊瑚砂的破碎特性。Sharma，Poulos等[7-8]通过一系列现场试验，对珊瑚砂的现场试验进行了完整评估。1988年在澳大利亚召开的国际钙质沉积物工程会议上对钙质沉积物的成因、构造、结构及采样，钙质土地基的处理技术、桩基受力计算等问题进行了研究讨论。国内对珊瑚岛礁的研究起步比较晚，开始于中国科学院南沙综合科学考察。随着近年来国家对南海开发的重视以及南海岛礁科学考察的全面开展，我国对珊瑚岛礁工程地质以及珊瑚砂工程特性的研究不断深入且逐渐系统化[1-3,9-11]。汪稔的《南沙群岛珊瑚礁工程地质》是国内首部系统论述珊瑚礁工程地质及其物理力学性质的专著。

珊瑚砂具有不同于普通硅砂的工程力学特性，其工程力学性质比较差，具有高孔隙比和颗粒易破碎易胶结等特点，在岛礁工程建设中要妥善处理。方祥位等[12]对珊瑚砂进行微生物固化，取得了一定成果。南海岛礁工程建设需要研究珊瑚砂的承载及变形特性，但由于珊瑚岛礁远离陆地，使得对珊瑚砂地基进行原位测试研究较困难，因此可通过平板载荷模型试验研究珊瑚砂地基的承载及变形特性。

1 试验原材料与试验方法

1.1 珊瑚砂

试验所用珊瑚砂取自南海某岛礁，筛除大于10 mm的砂颗粒。试验前对珊瑚砂进行了直剪、固结、颗粒分析等基本的物理性质试验。表1为珊瑚砂物性试验结果，表2为珊瑚砂地基的粒径组成，图1为珊瑚砂孔隙比-压力变化曲线。由珊瑚砂地基粒径组成可以看出：粒径大于0.25 mm的颗粒含量超过全部质量的50%，属于中砂。

表1 珊瑚砂物性试验结果

表2 珊瑚砂地基的粒径组成

图1 珊瑚砂孔隙比-压力变化曲线

1.2 模型箱

将厚度为8 mm钢板焊接成模型箱，尺寸为1.0 m×l.0 m×1.0 m，由隔板隔出0.6 m×0.6 m×1 m部分，用于本试验，并设置钢化玻璃观察窗。

1.3 土压力盒的标定

土压力盒为BW型土压力盒，量程为0～1 MPa，直径为12 mm，厚度为4.8 mm，可以在饱和水介质中工作。

土压力盒的参数一般都是由厂家通过油标方法标定。在油标过程中，土压力盒上下面受到均匀压力，但是土压力盒在珊瑚砂中受到的土压力不是均匀分布的。不同的工作环境必然导致输出结果不同，因此载荷试验前对所用压力盒在珊瑚砂中重新进行标定。模拟土压力盒真实工作环境，将土压力盒埋置于试验装置粒径小于0.5 mm的珊瑚砂中，埋置深度为10 cm，标定试验装置如图2所示。加载方式为千斤顶加压，千斤顶上部连接压力传感器。

图2 标定试验装置

首先得到压力与应变的关系，通过换算得出压强与应变的关系，然后得到土压力盒的灵敏度(mV/MPa)。

1.4 试验方案

通过不同承压板、不同密实度条件下的对比试验研究珊瑚砂天然地基承载特性和变形特性。对珊瑚砂地基进行分层填筑，每层10 cm，共8层。采用电子百分表测量沉降，采用千斤顶施加荷载。

承压板选择100 mm×100 mm方形钢板和直径100 mm的圆形钢板，厚度均为12 mm。

密实度对珊瑚砂地基的承载和变形特性具有重要影响，相对密实度同时考虑孔隙比和颗粒级配情况的影响，可以较好地反映砂土密实程度。可按式(1)计算砂土的相对密实度。

(1)

式中：emax为最大孔隙比；emin为最小孔隙比；e为天然孔隙比。

本试验设置了3种不同的相对密实度，分别为0.44、0.58、0.70，其中相对密实度0.44和0.58为中密，相对密实度0.70为密实，以此研究密实度对珊瑚砂地基承载及变形特性的影响。表3为试验方案。

表3 试验方案

在承压板中心以及距离承压板中心10、20 cm的位置，深度为10、20、30、40、50 cm处分别埋设微型土压力盒，观测这些点相应的土压力。在中心位置及距中心10、20 cm位置，深度为15、30和50 cm处分别埋设沉降板，观测这些点相应的沉降量。土压力盒及沉降板布置情况如图3所示，图4为平板载荷试验照片。

图3 土压力盒及沉降板布置情况

图4 平板载荷试验照片

2 试验结果与分析

2.1 承载特性与变形特性

2.1.1 相对密实度对地基沉降的影响

图5为不同相对密实度珊瑚砂地基p-s曲线。从图5可以看出：珊瑚砂受压过程经历了3个阶段。第1阶段为压实阶段，此阶段p-s曲线近似为直线，施加荷载小于比例界限荷载，地基变形以颗粒之间孔隙减小引起的竖向压缩为主。第2阶段为剪切变形阶段，此阶段荷载大于比例界限荷载、小于极限荷载，p-s曲线由直线变为曲线，斜率随施加荷载增大而增大。此时在承压板周边小范围内，一部分砂土颗粒受到的剪切应力大于珊瑚砂的抗剪强度，砂土颗粒开始向四周扩散，地基变形由砂土竖向压缩和部分砂土颗粒受剪引起的侧向移位组成。第3阶段为破坏阶段，此阶段施加的荷载大于极限荷载，地基沉降急剧增大，珊瑚砂地基中生成连续滑动面，承压板周围出现隆起和放射状裂缝。相对密实度对珊瑚砂地基沉降影响较大，在同种承压板条件下，随着相对密实度增大，珊瑚砂地基的沉降量减小，增长率也减小，承载力增大。

2.1.2 不同承压板对地基沉降的影响研究

通过图5(a)、(b)对比可知：承压板的形状对珊瑚砂地基的沉降同样有较大影响，在相同相对密实度、相同荷载条件下，圆形承压板地基的沉降量大于方形承压板地基；当密实度分别为0.44、0.58、0.70时，圆形承压板地基的沉降量比方形承压板地基分别增加25.08%、37.28%、72.17%；当施加荷载小于比例界限荷载时，在两种承压板条件下珊瑚砂地基沉降相差不大，这是由于此阶段地基沉降以颗粒之间孔隙减小引起的竖向压缩为主，承压板的形状对沉降影响不大；当施加荷载大于比例界限荷载，圆形承压板地基沉降开始较明显大于方形承压板地基，且相对密实度越大，方形承压板地基的沉降比圆形承压板地基减小的越多，这是由于此阶段砂土颗粒向四周扩散引起地基沉降，圆形承压板更有利于砂土向四周扩散。

图5 不同相对密实度珊瑚砂地基p-s曲线

2.1.3 分层沉降

为了进一步对珊瑚砂地基的承载特性和变形特性进行研究，以圆形承压板、相对密实度为0.70为例对珊瑚砂地基分层沉降进行分析。图6为珊瑚砂地基p-s曲线与深度关系，图7为珊瑚砂地基p-s曲线与距中心距离关系。

由图6和图7可知：在同种承压板同种密实度条件下，随深度增大，珊瑚砂地基的沉降减小，变形减小；中心荷载处的沉降最大，随着与中心荷载距离增大，沉降减小；在中心荷载处，沉降随深度增大而减小，但水平方向超过1倍承压板直径，沉降随深度的增大先增大后减小，这是由于在平板载荷试验中，压力在珊瑚砂地基中先有竖向传递，当砂土受剪切应力向四周扩散才有水平向传递，土压力近似斜向下传递，因此水平方向超过中心1倍承压板，深度较浅的地基受到的土压力小于下部地基，沉降也较小。

当深度超过30 cm时，水平方向距中心荷载超过20 cm，沉降不及总沉降的10%，说明荷载对珊瑚砂地基沉降影响主要集中在水平方向1～2倍承压板直径和竖直方向2～3倍承压板直径范围内。

图6 珊瑚砂地基p-s曲线与深度关系

2.1.4 变形模量与地基承载力特征值

变形模量可以较准确地评价珊瑚砂的压缩性，可由式(2)得出。

(2)

式中：Iu为刚性承压板形状对沉降的影响系数，圆形承压板取0.79，方形承压板取0.88；μ为珊瑚砂的泊松比，取0.30；p为p-s曲线线性段的压力(kPa)；d为承压板的边长或直径(mm)；s为与p对应的沉降。

图7 珊瑚砂地基p-s曲线与距中心距离关系

地基承载力特征值确定方法为：

1) 如果p-s曲线存在比例界限，取该比例界限所对应的荷载值；

2) 如果极限荷载小于对应比例界限的荷载值的2倍，取极限荷载的1/2；

3) 如果不能按上述项要求确定，可取s/d=0.01～0.015所对应的荷载，但其值不应大于最大加载量的1/2。

表4为珊瑚砂地基的变形模量与地基承载力特征值。由表4可知：在同种板型条件下，随着相对密实度增大，承载力特征值和变形模量也增大；在同种相对密实度条件下，方形承压板地基的变形模量均大于圆形承压板地基，3种相对密实度下，方形承压板变形模量分别增加了11.1%、26.98%、35.80%；随着相对密实度增大，变形模量增加幅度也增大，因此在珊瑚砂实际施工过程中，可以利用夯实的方法来提高珊瑚砂地基的承载能力，减小地基沉降。

2.1.5 珊瑚砂地基沉降计算方法的修正

利用分层总和法计算最终的沉降，与实际沉降进行比较，对珊瑚砂分层总和法沉降计算公式进行修正。以圆形承压板、相对密实度为0.44为例进行分析，孔隙比由图1珊瑚砂孔隙比随压力变化曲线确定。表5 为珊瑚砂地基分层沉降法计算结果。

表4 变形模量与地基承载力特征值

表5 沉降计算

由表5可知：ΔS=44.25+32.1+22=98.35 mm。而由图5(a)可知：珊瑚砂地基的实际沉降为57.06 mm。由此可见，珊瑚砂的实际沉降值比理论公式计算值小。理论公式适用于一般砂土，但是珊瑚砂具有特殊性质，颗粒不规则有棱角，颗粒间相互咬合且表面粗糙，内摩擦角较普通硅砂大(表1)。珊瑚砂的实际沉降要小于理论公式计算值，因此需要对珊瑚砂的分层沉降法计算公式进行修正。

通过对珊瑚砂地基在不同密实度、不同承压板条件下的6组试验数据分析得出：珊瑚砂地基的实际沉降值为经验公式计算值的50%～67%。因此，为了提高计算准确度，地基沉降量需乘以一个修正系数ψs，即

S=ψsS′

式中：S为地基的实际变形量(mm)；ψs为珊瑚砂地基沉降计算修正系数，取值范围为50%～67%；S′为按分层总和法计算的地基沉降量。

2.2 土压力传递规律

2.2.1 土压力随深度传递规律

以圆形承压板、相对密实度为0.44为例对珊瑚砂地基土压力传递规律进行分析。图8为各级荷载下距离中心0、10、20 cm处土压力随深度的分布。

图8 各级荷载下土压力随深度的分布

从图8可看出：在中心荷载处，各级荷载作用下土压力随着深度增大迅速减小，在1～2倍承压板直径深度范围内，土压力衰减明显，衰减超过50%；超过2倍承压板直径深度后，土压力衰减幅度减小，当超过3倍承压板直径深度后，土压力不足荷载的10%；距中心10 cm位置，随着深度增大，土压力先增大，在20～30 cm深度，达到最大，然后不断减小；距中心20 cm位置，当施加荷载小于200 kPa时，土压力随深度增大而增大，当荷载大于300 kPa时，土压力随深度增加先增大，在深度20cm处达到最大，后随深度增加而减小。各级荷载下土压力随深度变化在距中心不同位置处表现出不同的规律，荷载近似斜向下传递，承压板附近浅层的地基受到的力很小。珊瑚砂地基中，荷载传递深度为2～3倍承压板直径。

2.2.2 土压力水平方向传递规律研究

同样以圆形承压板、相对密实度为0.44为例进行分析。图9为各级荷载下土压力随中心荷载距离的分布。

由图9可知：在0～30 cm深度范围内，随着与中心荷载距离增大，土压力衰减明显，当水平方向距中心荷载达到20 cm时，土压力衰减超过70%。这是因为：珊瑚砂颗粒向承压板四周扩散，荷载通过砂颗粒的相互作用沿竖直方向和水平方向传递，传递过程中应力不断衰减。同样，证明了荷载对珊瑚砂地基沉降影响主要集中在水平方向1～2倍承压板直径和竖直方向2～3倍承压板直径范围内。当荷载的荷载传递深度超过30 cm时，土压力较小，且变化无明显规律。此处地基中珊瑚砂颗粒受施加荷载影响较小，而由于珊瑚砂颗粒较普通硅砂形状不规则，表面更粗糙，颗粒间相互作用力较大，进而影响土压力的传递。

3 结论

1) 珊瑚砂地基的沉降量随相对密实度增大而减小，承载能力和变形模量随相对密实度增大而增大。因此，可以通过夯实的方法提高珊瑚砂地基的承载能力，减小地基沉降量。

2) 方形承压板地基的沉降量小于圆形承压板地基，承载能力和变形模量大于圆形承压板地基。因此，可以通过在珊瑚砂地基中使用方形桩来减小沉降量。

3) 各级荷载下的土压力随距中心荷载距离的增大而减小。在水平方向，荷载在珊瑚砂中传递距离约为承压板宽度或直径的1～2倍。各级荷载下的土压力随深度增大而减小，荷载传递深度约为承压板宽度或直径的2～3倍。

4) 珊瑚砂地基的实际沉降值为经验公式计算值的50%～67%。

图9 各级荷载下土压力随中心荷载距离的分布

[1] 孙宗勋，黄鼎成.珊瑚礁工程地质研究进展[J].地球科学进展，1999，14(6):577-581.

[2] 孙宗勋.南沙群岛钙质砂工程性质研究[J].热带海洋，2000(2):1-8.

[3] 汪稔，宋朝景，赵焕庭，等.南沙群岛珊瑚礁工程地质[M].北京:科学出版社,1997.

[4] ANGEMEER J，CARLSON E，STROUD S，et al.Pile load tests In calcareous soils conducted in 400 feet of water from a semi-submersible exploration rig[C]// Proceeding,the 7th Annual Offshore Technology Conference.Houston:[s.n.],1975.

[5] DATTA M,GULHATI S K,RAO G V.Crushing of calcareous sands during drained shear[J].Society of Petroleum Engineers Journal,1980,20(2):77-85.

[6] DEMARS K R,NACCI V A,KELLY W E,et al.Carbonate content:An index property for ocean sediments[C]// Offshore Technology Conference.Houston:[s.n.],1976.

[7] SHARMA S S,FAHEY M.Degradation of stiffness of cemented calcareous soil in cyclic triaxial tests[J].Journal of Geotechnical & Geoenvironmental Engineering,2003,129(7):619-629.

[8] POULOS H G，VESUGI M，YOUNG G S.Strength and deformation properties of bass strait carbonate sands[J].Geot Eng,1982,13(2):189-211.

[9] 孙宗勋.南沙群岛工程地质环境分区与珊瑚礁工程地质特性研究[D].北京：中国科学院地质与地球物理研究所,2001.

[10] 刘崇权,汪稔.钙质砂物理力学性质初探[J].岩土力学,1998(1):32-37.

[11] 孟庆山，秦月，汪稔.珊瑚礁钙质沉积物液化特性及其机理研究[J].土工基础,2012(1):21-24.

[12] 方祥位，申春妮，楚剑，等.微生物沉积碳酸钙固化珊瑚砂的试验研究[J].岩土力学,2015，36(10)：2773-2779.

(责任编辑林 芳)

StudyofPlateLoadModelTestonCoralSandFoundation

LI Yangyang1， FANG Xiangwei1， HUANG Xuefeng1， SONG Ping1, SUN Faxin2

(1.Department of Civil Engineering, Logistical Engineering University of PLA, Chongqing 401331, China; 2.China Resources Construction Corporation ,Chengdu 610051, China)

Coral sand is different from ordinary silica sand on engineering mechanics properties, so it’s necessary to study the bearing characteristic and deformation characteristic of coral sand on coral reefs for engineering constructions.We studied the bearing characteristic and deformation characteristic of coral sand by conducting plate load test through different bearing plates and relative density conditions. The test results shown that the settlement of coral sand decreased with increasing of the relative density, bearing capacity and deformation modulus increased. The settlement of square bearing plate was less than the circular bearing plate, the bearing capacity and deformation modulus of square bearing plate was greater than the circular bearing plate. The actual settlement of coral sand was 50%～67% of calculated value according to norms. Load transfer depth was about 2～3 times width or diameter of bearing plate, in horizontal direction, load could spread to 1～2 times width or diameter of bearing plate.

coral sand; plate load test; bearing characteristic; deformation characteristic

2017-06-07

国家自然科学基金资助项目(51479208)；全军后勤科研计划项目

李洋洋(1992—),男,河北沧州人,硕士研究生,主要从事岩土微生物技术及应用研究，E-mail:2291944546@qq.com； 通讯作者 方祥位(1975—),男,重庆人,教授,博士生导师,主要从事非饱和土与特殊土力学及岩土微生物技术研究，E-mail: fangxiangwei1975@163.com。

李洋洋，方祥位，黄雪峰，等.珊瑚砂地基平板载荷模型试验研究[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(10):114-121.

formatLI Yangyang，FANG Xiangwei，HUANG Xuefeng，et al.Study of Plate Load Model Test on Coral Sand Foundation[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(10):114-121.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.10.019

TU441

A

1674-8425(2017)10-0114-08