摘要
珊瑚砂工程性质特殊,研究珊瑚砂地基的承载特性对岛礁工程建设具有重要意义。通过不同相对密实度(50%、65%、72%、80%和85%)、不同含水状态(干燥和饱和)及水位升降等工况下的珊瑚砂地基平板载荷模型试验,研究相对密实度和含水状态对珊瑚砂地基承载特性、颗粒破碎、分层沉降和土压力传递规律等的影响。结果表明:随着相对密实度的增大,干燥状态下珊瑚砂地基极限承载力增大,沉降减小;相对密实度80%以上的珊瑚砂颗粒破碎较明显;承压板正下方的土压力随深度增大而减小。饱和珊瑚砂地基的极限承载力约为干燥状态的44%,地基破坏时的沉降约为干燥状态的2倍,两次水位升降对地基承载力和沉降影响较小;距离承压板中心不同位置处,饱和(含水位升降)与干燥状态下珊瑚砂地基分层沉降呈现出不同的规律;3种工况下土压力传递规律相似。
随着经济全球化进程的推进和海上丝绸之路的提出,海洋对全球各国经济发展的影响越来越大,人类进入了一个大规模开发利用海洋资源的时
珊瑚砂是指由珊瑚、贝类等海洋生物碎屑或骨骼残骸形成的富含碳酸钙等难溶物质的特殊砂土,碳酸钙含量可达90%以上,学者们又称之为钙质
珊瑚砂富含内孔隙,颗粒易破碎,珊瑚砂地基的承载特性受颗粒破碎影响。由珊瑚砂组成的地基与硅砂地基工程性质差别较大,并且岛礁上的珊瑚砂地基长期被海水淹没,同时受到潮水涨落影响。笔者通过不同工况下的珊瑚砂地基平板载荷模型试验,研究相对密实度和含水状态对珊瑚砂地基承载特性、颗粒破碎、分层沉降和土压力传递规律等的影响规律。
平板载荷模型试验用珊瑚砂取自南海某岛礁,经过5 mm筛得到试验用
比重Gs | 最小孔隙比emin | 最大孔隙比emax | 曲率系数Cc | 不均匀系数Cu |
---|---|---|---|---|
2.76 | 0.72 | 1.24 | 1.04 | 3.94 |

图1 颗粒级配曲线
Fig. 1 Particle size distribution curve
模型箱尺寸为1.0 m×1.0 m×1.0 m(长×宽×高),由8 mm厚的钢板组装和焊接而成,在箱体内部用钢板划分0.6 m×0.6 m×1.0 m的区域用于珊瑚砂地基平板载荷模型试验。为减小试验加载过程中模型箱的变形,采用钢杆对模型箱进行支撑。在模型箱的一侧设置钢化玻璃板,用于试验过程中观察土体变化。为了减小模型试验进行时模型箱内侧箱壁摩擦力对珊瑚砂的影响,填砂前在模型箱内侧箱壁粘贴塑料薄膜。在进行饱和状态与水位升降条件下的模型试验时,在玻璃板上粘贴一根透明玻璃管用于观察水位。
模型试验数据测量采集系统包括应力应变采集箱、土压力盒、荷载传感器、孔隙水压力传感器、位移计及数显百分表。应力应变采集箱为DH3816N静态应力应变测试分析系统,将该系统连接电脑,对试验加载过程中土压力盒、压力传感器、孔压传感器等测量的数据进行采集,采集箱每组12个通道,共72个通道,可同时采集应力和应变。
通过室内平板载荷模型试验研究相对密实度和含水状态对珊瑚砂地基承载特性、颗粒破碎、分层沉降和土压力传递规律等的影响。
模型试验中采用的承压板为10 cm×10 cm的方形钢板,厚度均为10 mm,材料为Q235B级钢板。
珊瑚砂相对密实度Dr综合了颗粒级配和孔隙比等影响,对地基承载特性有重要影响,能够较好体现珊瑚砂的松散和密实程度,其计算公式
(1) |
式中:emax、emin为珊瑚砂最大、最小孔隙比;e为珊瑚砂天然孔隙比。
为研究相对密实度和含水状态对珊瑚砂地基承载特性的影响,在珊瑚砂干燥状态(含水率在6%左右)下选用5种不同的相对密实度,分别为50%、65%、72%、80%和85%,属于中密和密实珊瑚砂地基;在此基础上对密实度为72%的珊瑚砂地基开展饱和状态和水位升降下的平板载荷对比试验。试验方案见
试验序号 | 珊瑚砂含水状态 | 相对密实度/% | 荷载板尺寸 |
---|---|---|---|
1 | 干燥状态 | 50 | 10 cm×10 cm |
2 | 干燥状态 | 65 | 10 cm×10 cm |
3 | 干燥状态 | 72 | 10 cm×10 cm |
4 | 干燥状态 | 80 | 10 cm×10 cm |
5 | 干燥状态 | 85 | 10 cm×10 cm |
6 | 饱和状态 | 72 | 10 cm×10 cm |
7 | 水位升降 | 72 | 10 cm×10 cm |
需要指出的是,相关研究表明,珊瑚砂在水平方向的传递距离约为载荷板宽度或直径的1~2倍以上时,尺寸效应影响较小,可不考虑尺寸效
1)珊瑚砂地基填筑和测量元器件埋设安装。为了较均匀地控制珊瑚砂的相对密实度,试验前按5 cm一层在模型箱内壁标好刻度;将珊瑚砂分16层填筑到模型箱中,每层5 cm,填筑高度共80 cm。依据试验设计的相对密实度和珊瑚砂物理力学参数计算出每层填筑的珊瑚砂质量,将称量好的珊瑚砂分层压实到相应的刻度线,按照试验方案埋设沉降板、土压力盒等测量元器件。填筑完毕后整平表面并检测表面平整度,然后在模型箱正中央放置承压板和架设千斤顶。试验准备完毕并检查无误后开始加载和采集数据。模型试验测量元器件实物布置如

图2 测量元器件实物布置图
Fig. 2 Measuring sensors layout
2)饱和状态和水位升降下珊瑚砂地基平板载荷模型试验。在反力梁上安放水箱,水箱阀门连接软管使水流入埋于珊瑚砂的水管中,水通过模型箱底部龙头连接导管流出。试验中,保持与珊瑚砂地基表面平齐水位浸泡珊瑚砂1 d认为地基基本达到饱和状态,可开始试验。珊瑚砂地基平板载荷试验水位升降流程为:在饱和状态下将荷载加载到地基承载力特征值的50%左右,将水位匀速缓慢下降50 cm后维持0.5 h不变,随后将水位匀速缓慢上升50 cm后维持0.5 h不变。重复上述水位变化过程,水位升降两次完毕后继续后面各级荷载的加载直至试验完成。
3)测量元器件的布置。采用土压力盒测量土体内部土压力,采用电子百分表测量沉降,对于饱和与水位升降工况,采用孔压计测量孔隙水压力,通过土压力盒数据减去孔压计数据得到真实土压力。在承压板正下方及距离承压板中心10、20 cm位置、深度10、20、30、40 cm处安置土压力盒采集土体内部土压力。在距离承压板中心10、20 cm位置,深度15、30、45 cm处埋设沉降板测量沉降。在承压板正下方深度10、20、30、40 cm处埋设孔压计测量孔隙水压力。土压力盒、沉降板及孔压计布置如

图3 土压力盒、沉降板及孔压传感器布置示意图
Fig. 3 Layout of earth pressure cell, settlement board and pore water pressure sensor

图4 不同相对密实度珊瑚砂地基p-s曲线
Fig. 4 p-s curves of coral sand foundation with different relative density

图5 珊瑚砂地基极限承载力与相对密实度关系曲线
Fig. 5 Relationship between bearing capacity of coral sand foundation and relative density
试验结果表明,由于荷载不是很大,珊瑚砂地基加载后颗粒破碎不是很明显,承压板正下方靠近表面的珊瑚砂颗粒破碎比其他地方明显。为研究颗粒破碎对地基承载力的影响,试验结束后对承压板下方10 cm范围的珊瑚砂进行了颗粒级配分析,并与试验前珊瑚砂颗粒级配进行对比,分析珊瑚砂颗粒的破碎情况。由于相对密实度80%以下地基加载后颗粒破碎不明显(试验前后的颗粒级配曲线基本重合),

图6 不同相对密实度下珊瑚砂加载后颗粒级配曲线分布图
Fig. 6 Particle size distribution curves of coral sand with different relative densities after loaded
从
为了对颗粒破碎程度进行量化,Hardi
(2) |
式中:bp为某一粒径颗粒的破碎势;d为颗粒粒径,当d <0.074 mm时,bp=0。
对于每一条颗粒级配曲线,破碎势可表示为
(3) |
式中:df为bp对应粒径的筛分通过百分比。
试验前后的总体破碎势之差为总破碎Bt,即
(4) |
式中:bp0为试验前的bp;bp1为试验后的bp。
总破碎Bt与初始破碎势Bp0之比即为相对破碎指标Br
(5) |
根据式(2)~
为了研究荷载对珊瑚砂地基沉降的影响范围,以相对密实度为72%的珊瑚砂地基平板载荷试验为例进行分析。

(a) 距离承压板中心10 cm

(b) 距离承压板中心20 cm
图7 不同深度土层沉降图
Fig. 7 Solum settlement at different depths
在地基载荷试验中,上部荷载将会传递到下部砂土中,以相对密实度为72%的珊瑚砂地基平板载荷试验为例对土压力传递规律进行分析。

(a) 距离承压板中心0 cm

(b) 距离承压板中心10 cm

(c) 距离承压板中心20 cm
图8 土压力随深度分布图
Fig. 8 Earth pressure distribution with depth
从
在距离承压板中心10 cm处,在10~20 cm深度范围内土压力随深度增加而增大,随后土压力不断减小。这是因为承压板受到荷载时,地基表面土体受到的力很小,因而土压力较小,深度增加,颗粒间的作用力增大导致土压力增大,故在20 cm深度左右达到最大值,随后因土压力向四周扩散衰减而发生下降。
在距离承压板中心20 cm处,当荷载小于180 kPa时,土压力随深度增大而增大;当荷载大于300 kPa时,土压力随深度先增大后减小,随后缓慢增大。这是由于珊瑚砂颗粒孔隙及内孔隙较多、表面较粗糙,颗粒与颗粒之间的作用力大于硅砂;当上部荷载较小时,颗粒间的作用力大于荷载对土体产生的作用力,颗粒与颗粒的作用力随深度增大而增大,因而土压力随深度增大而增大;当上部荷载较大时,荷载对土体产生的作用力大于颗粒间的作用力,土压力随深度增大而减小。
由此可见,在各级荷载作用下,对于距离承压板中心不同位置处的土压力传递呈现出不同的规律。
珊瑚砂处于饱和与水位升降状态时对珊瑚砂地基的承载特性有重要影响。

图9 干燥、饱和与水位升降下珊瑚砂地基p-s曲线
Fig. 9 p-s curves of coral sand foundation under dry, saturated and water level variation
当荷载相同时,饱和与水位升降下珊瑚砂地基的沉降明显大于干燥珊瑚砂地基,与饱和状态下相比,两次水位升降后的珊瑚砂地基沉降略有增大。干燥珊瑚砂地基初始加载阶段变形量较小,并且随着荷载的增大稳定发展,在相同荷载条件下,饱和与水位升降下珊瑚砂地基变形量明显大于干燥珊瑚砂地基变形量。饱和与水位升降下珊瑚砂地基发生破坏后加载板下方土体的位移发生陡增,而干燥珊瑚砂地基破坏后加载板下方土体的位移发展相比饱和与水位升降下珊瑚砂地基较为缓和。地基破坏时,饱和与水位升降下珊瑚砂地基的沉降约为干燥状态的2倍。这是因为地基中的水会对珊瑚砂颗粒之间的摩擦起到润滑作用,导致颗粒之间的咬合和嵌入作用降低,珊瑚砂骨架容易发生变形,造成力学承载性质降低。
相同条件时荷载对饱和与水位升降下珊瑚砂地基沉降的影响规律基本相同,以饱和状态下珊瑚砂地基为例进行分层沉降分析。

(a) 距离承压板中心10 cm

(b) 距离承压板中心20 cm
图10 干燥和饱和时不同深度土层沉降图
Fig. 10 Solum settlement at different depths under dry and saturated state
距离承压板中心10 cm时,饱和与干燥状态下珊瑚砂地基土体位移均随深度的增大而减小,饱和珊瑚砂地基的位移大于干燥状态下地基位移的2倍,且饱和状态下地基位移随深度衰减速度大于干燥状态。
距离承压板中心20 cm时,随着深度的增大,饱和珊瑚砂地基土体位移先减小后增大,而干燥状态下珊瑚砂地基土体位移一直减小。这是因为在饱和状态下,水对珊瑚砂起到了润滑作用,导致颗粒之间的咬合和嵌入作用降低,承压板正下方的土体受到荷载发生沉降时,珊瑚砂挤向周边导致隆起,与土体受压沉降引起的位移方向相反。因此,在深度小于30 cm时饱和状态下珊瑚砂地基的位移小于干燥状态下,随着深度增大,这种挤压隆起作用逐渐减弱,饱和珊瑚砂地基的位移逐渐大于干燥状态下。与距离承压板中心10 cm时相比,距离承压板稍远处位于珊瑚砂滑动面边缘一侧,导致周边隆起更为显著,因此二者沉降规律差异较大。
饱和与水位升降下珊瑚砂地基土压力应为土压力盒测得的土压力减去同深度处孔隙水压力。相同条件下饱和与水位升降下珊瑚砂地基土压力传递规律基本相同,以相对密实度为72%的饱和珊瑚砂地基为例进行土压力传递规律分析。

(a) 距离承压板中心0 cm

(b) 距离承压板中心10 cm

(c) 距离承压板中心20 cm
图11 干燥和饱和时土压力随深度分布图
Fig. 11 Earth pressure distribution with depth under dry and saturated state
从
在距离承压板中心10 cm处,干燥状态下珊瑚砂地基在10~20 cm深度范围内土压力随着深度的增大而增大,随后土压力不断减小;而饱和状态下珊瑚砂地基在10~30 cm深度范围内土压力随着深度增大而增大,随后土压力不断减小。这是因为承压板受到荷载时,饱和与干燥状态下珊瑚砂地基浅层附近的土体受到的力很小,且饱和珊瑚砂地基浅层附近的土体受到的力比干燥状态小,故饱和珊瑚砂地基土压力达到最大值的深度大于干燥珊瑚砂地基。
在距离承压板中心20 cm处,饱和与干燥状态下承压板正下方的土压力均随深度增大而增大。这是因为承压板受到荷载时,距离承压板中心20 cm位置处浅层的珊瑚砂受到的力很小,故浅层的珊瑚砂土压力较小,随着深度的增大,颗粒间作用力增大,土压力增大。
综上,在各级荷载作用下,对于距离承压板中心不同位置处,饱和与干燥状态下珊瑚砂地基土压力传递呈现出不同的规律。
1)干燥状态下,随着相对密实度的增大,珊瑚砂地基承载力增大,沉降减小;相对密实度80%的珊瑚砂地基的相对破碎指标是相对密实度85%的2.85倍;颗粒破碎使地基承载力增大趋势变缓。
2)干燥状态下,承压板正下方的土压力随深度增加而减小;在距离承压板中心大于10 cm及土层深度超过30 cm时,上部荷载对珊瑚砂地基沉降影响较小。
3)饱和状态珊瑚砂地基的极限承载力约为干燥状态的44%,地基破坏时的沉降约为干燥状态的2倍;两次水位升降对地基承载力和沉降影响较小。
4)距离承压板中心10 cm处,不同含水状态下珊瑚砂地基土体位移均随深度增大而减小;距离承压板中心20 cm处,饱和(含水位升降)状态下珊瑚砂地基土体位移随深度增大先减小后增大,而干燥状态下珊瑚砂地基土体位移一直减小。不同含水状态下珊瑚砂地基土压力传递规律相似。
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