李建光 張其昌 王篤禮 王 璐 劉少波

（中航勘察設(shè)計研究院有限公司，北京 100098）

0 引言

“一帶一路”戰(zhàn)略推進過程中，國內(nèi)勘察設(shè)計單位在“一帶一路”沿線部分地區(qū)遇到了與珊瑚砂相關(guān)的巖土工程問題。廣大學(xué)者通過對我國南海珊瑚砂工程力學(xué)性質(zhì)長期深入地研究，取得了一系列重要成果并有力指導(dǎo)了南海島礁工程建設(shè)[1]。曹 夢等采用三軸流變儀對取自中國南海某島礁的鈣質(zhì)砂進行了不同圍壓條件下的長期（10萬分鐘）蠕變試驗研究，提出了一種蠕變應(yīng)變與時間、偏應(yīng)力和有效圍壓相關(guān)的四參數(shù)新的蠕變模型[2]。葉劍紅等對取自我國南海某島礁的原狀級配珊瑚鈣質(zhì)砂開展了室內(nèi)飽和三軸排水蠕變試驗（圍壓100 kPa），試驗結(jié)果表明，珊瑚鈣質(zhì)砂的蠕變?yōu)樗p型穩(wěn)態(tài)蠕變；在低圍壓條件下珊瑚鈣質(zhì)砂的蠕變變形主要是由顆粒間滑移、錯動、重排列引起，顆粒破碎現(xiàn)象極不明顯[3]。張小燕等通過珊瑚砂的高壓一維蠕變試驗，研究了顆粒破碎引起顆粒分布曲線和形狀因子的演化規(guī)律，說明了在高壓力下顆粒破碎主要為壓縮破碎，且顆粒細化滑移填充孔隙引起的變形是造成蠕變的主要原因[4]。

在實際工程中，珊瑚砂吹填地基主要由耙吸或絞吸吹填的珊瑚砂、珊瑚枝、礁灰?guī)r碎塊構(gòu)成。受吹填料源、吹填方式、地基處理方式等因素影響，吹填材料顆粒大小不均、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分布無規(guī)律，顆粒存在棱角和內(nèi)孔隙，無確定的最優(yōu)含水率和最大干密度[5?7]。

如何較準確計算珊瑚砂吹填地基的沉降，是工程設(shè)計中的一個難點。在沉降計算時，傳統(tǒng)的分層總和法的適用性仍存在很多疑問。目前，對于石英砂、黏性土的變形特性研究已有較成熟的方法和結(jié)論[8?13]。根據(jù)前人的研究，大顆粒珊瑚砂在傳統(tǒng)的土工室內(nèi)試驗室進行物理力學(xué)試驗仍存在困難，其沉降變形計算仍待深入研究[14?16]，而細顆粒珊瑚砂應(yīng)用傳統(tǒng)土工試驗方法具有一定可行性。

本研究對細顆粒珊瑚砂與石英石、黏性土進行長期（100萬分鐘）蠕變試驗，并對其蠕變特征進行對比分析，確定細顆粒珊瑚砂地基沉降變形特征，為其沉降估算提供試驗支撐。

1 研究思路

珊瑚砂顆粒形狀復(fù)雜，存在棱角和內(nèi)孔隙，其長期壓縮變形規(guī)律沒有成熟經(jīng)驗，而石英砂、黏性土的長期壓縮變形規(guī)律有較成熟的經(jīng)驗，因此在室內(nèi)試驗室將細顆粒珊瑚砂、石英砂、黏性土的長期壓縮變形特征進行對比試驗研究，找到三者的對比規(guī)律，通過石英砂、黏性土的成熟工程經(jīng)驗，確定細顆粒珊瑚砂壓縮變形特征。

根據(jù)《土工試驗方法標準》（GB/T 50123?2019）[17]、《巖土工程試驗監(jiān)測手冊》[18]，一般室內(nèi)蠕變試驗采用1萬分鐘試驗時長，考慮到珊瑚砂具有棱角和內(nèi)孔隙等特征，本次試驗采用100萬分鐘進行試驗。為確保試驗精度，試驗室要求恒溫和恒濕。

2 試驗過程

本次試驗采用4組三聯(lián)固結(jié)儀，環(huán)刀直徑79.8 mm、高度20 mm（見圖1）。試驗在中航勘察設(shè)計研究院有限公司10號樓地下一層土工試驗室進行，試驗室溫度保持16℃左右，濕度34%左右。試驗全程樣品處于飽水狀態(tài)。試驗總計695天，共100.08萬分鐘。

圖1 試驗儀器

試驗樣品樣品名稱、來源地、初始干密度見表1，石英砂樣品1、2、3和珊瑚砂樣品7、8、9、10、11顆分級配曲線和顆粒組成見圖2、圖3。

圖2 石英砂顆粒級配曲線及顆粒組成

圖3 珊瑚砂顆粒級配曲線及顆粒組成

表1 樣品描述

黏性土樣品4、5、6取自中國天津，液限wL=41.0%，塑限wp=22.8%，塑性指數(shù)Ip=18.2，初始含水率w=42%，初始液性指數(shù)IL=1.05。

樣品12為一塊鐵板，試驗?zāi)康氖菣z驗固結(jié)儀長期工作中儀器變形。

樣品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保持不變進行蠕變試驗。樣品4、5、6按0 kPa、50 kPa、100 kPa加荷，加荷到100 kPa保持不變進行蠕變試驗。

3 試驗成果

試驗總計695天，共100.08萬分鐘。試驗結(jié)束后統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，試驗在進行到135天，即19.44萬分鐘后，試驗數(shù)據(jù)幾乎沒有發(fā)生變化，可以認為試驗到135天結(jié)束。其中樣品12鐵塊從蠕變試驗開始到試驗結(jié)束，試驗數(shù)據(jù)沒有發(fā)生變化。

3.1 試驗結(jié)果統(tǒng)計

本次試驗結(jié)果僅統(tǒng)計蠕變試驗開始至19.44萬分鐘的試驗數(shù)據(jù)（見圖4?圖7）。

圖4 11個樣品時間-變形量關(guān)系曲線

圖5 石英砂樣品時間-變形量關(guān)系曲線

圖6 黏性土樣品時間-變形量關(guān)系曲線

圖7 珊瑚砂樣品時間-變形量關(guān)系曲線

3.2 微觀結(jié)構(gòu)分析

為了對比樣品微觀結(jié)構(gòu)的差異，委托北京工業(yè)大學(xué)采用日立（HITACHI）S-4800掃描電鏡進行掃描分析，1萬倍和5萬倍掃描結(jié)果見圖8?圖15。

圖8 樣品1石英砂（×1萬倍）

圖9 樣品4黏性土（× 1萬倍）

圖10 樣品7珊瑚砂（× 1萬倍）

圖11 樣品10珊瑚砂（× 1萬倍）

圖12 樣品1石英砂（× 5萬倍）

圖13 樣品4黏性土（× 5萬倍）

圖14 樣品7珊瑚砂（× 5萬倍）

圖15 樣品10珊瑚砂（× 5萬倍）

依據(jù)掃描結(jié)果，珊瑚砂、石英砂、黏性土的微觀結(jié)構(gòu)存在明顯差異。珊瑚砂顆粒形狀為層疊狀多孔隙蜂窩結(jié)構(gòu)，多由長柱狀組成，多數(shù)受海水搬運沉積作用，層疊狀構(gòu)架多已破壞，破碎成不規(guī)則的碎屑狀，顆粒大小不均。石英砂顆粒多呈帶棱角的球狀，顆粒粒徑較均勻。黏性土顆粒為片層單片堆疊而成的片堆顆粒單元，扁平狀的片堆以及單片間又以邊-面、邊-邊為主、少量面-面接觸的形式構(gòu)成定向性無序的開放式絮凝結(jié)構(gòu)。

3.3 試驗成果分析

（1）黏性土試驗成果分析

依據(jù)Craig’s Soil Mechanics (ver.8)[19]蠕變曲線劃分方法，蠕變曲線分為初始壓縮階段、主固結(jié)階段和次壓縮階段。從圖16可以看出，黏性土樣品4、5、6表現(xiàn)出了蠕變的典型三個階段，圖16中僅標示了樣品6的蠕變?nèi)齻€階段。

圖16 軟土樣品4、5、6固結(jié)曲線階段劃分

（2）珊瑚砂、石英砂試驗成果分析

根據(jù)圖4、圖5和圖7，珊瑚砂與石英砂的時間-變形量曲線的變化趨勢和變形量值基本一致。

①珊瑚砂的蠕變起始變形量均值約0.02 mm，石英砂的蠕變起始變形量均值約0.03 mm。

②在前1萬分鐘，珊瑚砂與石英砂的時間-變形量曲線可近似為直線段；在1萬分鐘時，珊瑚砂的累計變形量均值約為0.07 mm，石英砂的累計變形量均值約為0.08 mm；珊瑚砂與石英砂在1萬分鐘內(nèi)的蠕變變形量差值均為0.05 mm。

③在1萬分鐘之后，珊瑚砂與石英砂曲線斜率均增大；在試驗結(jié)束時，珊瑚砂的累計變形量均值約為0.13 mm，石英砂的累計變形量均值約為0.14 mm；珊瑚砂與石英砂在試驗時間內(nèi)的蠕變變形量差值均為0.11 mm。

依據(jù)黏性土的蠕變曲線劃分方法，石英砂樣品1、2、3和珊瑚砂樣品7、8、9、10、11主固結(jié)階段和次壓縮階段不明顯（見圖5和圖7）。

（3）綜合對比分析

通過室內(nèi)135天蠕變試驗，將細顆粒珊瑚砂、石英砂、黏性土的蠕變特征進行對比分析可以發(fā)現(xiàn)，在本次試驗樣品的顆粒尺度范圍內(nèi)和較低的荷載水平下，雖然珊瑚砂與石英砂在微觀結(jié)構(gòu)上存在明顯差異，但蠕變試驗表現(xiàn)出的長期變形特征是相似的，與黏性土存在明顯區(qū)別。

依據(jù)本次的試驗結(jié)果，在較低荷載水平下，細顆粒珊瑚砂地基的長期變形依據(jù)石英砂的經(jīng)驗進行估算是可行的。

4 結(jié)論及建議

（1）珊瑚砂、石英砂、黏性土的微觀結(jié)構(gòu)存在明顯差異。珊瑚砂顆粒形狀自身也非常不規(guī)則。

（2）在較低荷載水平下，細顆粒珊瑚砂與石英砂的蠕變特征相似，與黏性土存在明顯區(qū)別。

（3）在較低荷載水平下，細顆粒珊瑚砂地基的長期變形可依據(jù)石英砂的經(jīng)驗進行估算。