中國南海島礁吹填珊瑚砂剪切力學(xué)特性*

文 哲 段志剛 李守定 王建平 馬 彬 李 曉周忠鳴 李志清

(①中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，中國科學(xué)院頁巖氣與地質(zhì)工程重點實驗室， 北京 100029， 中國)(②華北水利水電大學(xué)， 鄭州 450046， 中國)(③海軍研究院， 北京 102202， 中國)(④中國科學(xué)院地球科學(xué)研究院， 北京 100029， 中國)(⑤中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049， 中國)

0 引 言

珊瑚砂通常指海洋生物成因的碳酸鈣礦物含量超50%的特殊巖土介質(zhì)(劉崇權(quán)， 1995)。珊瑚礁的分布主要在赤道兩側(cè)30°之間的熱帶或亞熱帶氣候的大陸架和海岸線一帶，在中國南海諸島、紅海以及澳大利亞西部大陸架和巴斯海峽等地都廣泛分布，從20世紀(jì)60年代海洋石油平臺建設(shè)的興起，世界許多地區(qū)工程中都遇到了珊瑚砂，并出現(xiàn)一系列珊瑚砂工程地質(zhì)問題，隨著當(dāng)今海洋資源開發(fā)與工程建設(shè)越來越多，規(guī)模也越來越大，加強珊瑚砂工程地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)研究迫在眉睫。

Morrison(1988)通過對南非近海兩種不同鈣質(zhì)砂進行循環(huán)直剪實驗，研究表明等體積時，碳酸鈣含量高的鈣質(zhì)砂剪切應(yīng)力衰減較碳酸鈣含量低的鈣質(zhì)砂快的多。Fahey(1988)通過對鈣質(zhì)砂的動三軸實驗，提出了鈣質(zhì)砂循環(huán)剪應(yīng)力比的說法。Aiery et al.(1991)通過對原狀鈣質(zhì)砂土進行循環(huán)剪切試驗，研究兩種膠結(jié)狀態(tài)鈣質(zhì)砂，結(jié)果為未膠結(jié)狀態(tài)的鈣質(zhì)砂與其他無黏性土的動力學(xué)特性相似； 而膠結(jié)狀態(tài)的鈣質(zhì)砂，隨膠結(jié)程度的增加，所能承受的應(yīng)力水平越大。劉崇權(quán)等(1995)研究表明，鈣質(zhì)砂剪切試驗中，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系受應(yīng)力路徑的影響，低圍壓時，總體與普通陸源砂相似，即可能發(fā)生剪脹亦可能發(fā)生剪縮，受初始孔隙度的影響； 高圍壓時則類似于松砂，表現(xiàn)為極限壓縮。趙光思等(2008)通過對砂土的直剪試驗研究發(fā)現(xiàn)，土的強度特性與顆粒破碎率具有相關(guān)性，緣由是土體顆粒在土體超過一定的強度和密實度之后，土體的相對密實度、顆粒的級配、粒間接觸力會發(fā)生變化，土體顆粒位置重新排列，巖土材料的抗剪強度降低。張家銘等(2008)通過控制圍壓、應(yīng)變來對南沙永暑礁海域鈣質(zhì)砂進行三軸剪切試驗，研究出鈣質(zhì)砂在三軸剪切作用下顆粒破碎十分嚴(yán)重。劉堯等(2009)通過對粗顆粒大型單剪試驗研究表明，顆粒破碎率隨著法向應(yīng)力的增大而增大，顆粒破碎率受剪應(yīng)力大小的影響程度隨著法向大應(yīng)力的增大而減小。王光進等(2009)通過大型直剪試驗得到在垂向應(yīng)力大于400ikPa時，顆粒的破碎率隨著垂向應(yīng)力增大而增加明顯。當(dāng)顆粒破碎率較小時，內(nèi)摩擦角的變化很小； 當(dāng)顆粒的破碎率較大時，在垂向應(yīng)力大于400ikPa下得到的內(nèi)摩擦角比垂向應(yīng)力小于400ikPa時的內(nèi)摩擦角值低很多。沈建華等(2010)詳細介紹了珊瑚砂的成因與分布、力學(xué)性質(zhì)、基礎(chǔ)類型。王子寒等(2013)通過對粗粒土大型直剪試驗研究表明，粗粒土屬于剪切硬化型材料，不良級配材料強度非線性特性明顯，呈現(xiàn)較大假黏聚力，摩擦強度變化較??； 垂向應(yīng)力增大，顆粒破碎率增大，兩者符合雙曲線關(guān)系，其擬合參數(shù)與級配及顆粒尺寸等密切相關(guān)。徐肖峰等(2013)通過對粗粒土的大型直剪試驗研究表明，剪切速率對顆粒破碎有影響作用，隨著剪切速率的減小，破碎量逐漸增大。王來貴等(2015)采用直剪試驗測定不同含水量及壓實度狀態(tài)下巖土的抗剪強度，得到巖土的抗剪強度、黏聚力和內(nèi)摩擦角是含水量和壓實度共同影響的?；粽渖?2015)對南海某島礁鈣質(zhì)砂直剪試驗表明正應(yīng)力、含礫率對鈣質(zhì)砂的抗剪特性影響較大。錢煒(2016)進行鈣質(zhì)砂室內(nèi)大直剪試驗表明珊瑚砂礫混合碎屑物的壓縮變形與珊瑚礫塊和珊瑚砂的質(zhì)量組成有關(guān)，同時也受到含水量的影響。Wang et al.(2016)通過對南海鈣質(zhì)砂進行室內(nèi)大型直剪試驗表明鈣質(zhì)砂的黏聚力明顯高于石英砂，并且隨D50增加顯著增加； 在水的軟化作用下，飽和狀態(tài)下剪切強度顯著下降； 鈣質(zhì)砂的黏聚力和摩擦角隨干密度增加而增加； 鈣質(zhì)砂剪切破壞后殘余強度仍然很高。張早輝等(2017)研究含水率對鈣質(zhì)砂抗剪強度的影響，發(fā)現(xiàn)含水率增大，剪漲更為明顯，c值減小，φ值反之增大。佘殷鵬等(2017)通過珊瑚砂直剪試驗，提出將珊瑚砂破碎顆粒質(zhì)量占試樣總質(zhì)量的比重定義為顆粒破碎率，顆粒破碎率隨珊瑚砂粒徑的增大呈現(xiàn)對數(shù)增大，隨軸向應(yīng)力的增大呈指數(shù)增大。李金戈等(2017)對鈣質(zhì)砂進行大型剪切試驗得出鈣質(zhì)砂的抗剪強度隨著剪切速率的降低和軸壓增大，抗剪強度持續(xù)增加，最終達到穩(wěn)定。內(nèi)摩擦角φ受剪切速率影響不大，咬合力c隨著剪切速率增大而降低。鈣質(zhì)砂隨圍壓的增大顆粒破碎增量逐漸減小，并且會達到一個上限值，顆粒破碎受圍壓和相對密度影響小(陳火東等， 2018)。汪稔等(2019)對我國研究珊瑚礁30ia的歷程進行總結(jié)，并積極號召促進珊瑚礁的研究。

當(dāng)前對珊瑚砂的力學(xué)特性研究現(xiàn)狀來看，主要通過固結(jié)、三軸、直剪等試驗來研究珊瑚砂的相關(guān)力學(xué)特性。珊瑚砂作為一種特殊的生物碎屑沉積物，具有多孔、非均質(zhì)、非連續(xù)等工程特性，由于尺寸效應(yīng)，具有一定樣品尺度的大型力學(xué)試驗相對比較準(zhǔn)確，但是由于樣品量限制，當(dāng)前大部分大型力學(xué)試驗多根據(jù)原地樣品級配進行顆粒配比樣試驗，與真實的珊瑚砂有一定的差距，很難反映珊瑚砂真實的力學(xué)特性。對于我國南海廣泛分布的珊瑚砂，作為填島的材料和工程建設(shè)的基礎(chǔ)，吹填珊瑚砂的力學(xué)特性是珊瑚島礁工程研究的關(guān)鍵科學(xué)問題。中國南海降雨量大，吹填珊瑚砂滲透性好，未來工程荷載高，含水性和高荷載對于吹填珊瑚砂剪切力學(xué)特性的影響非常顯著，因此，研究高荷載條件下含水量和密實度對吹填珊瑚砂剪切力學(xué)特性的影響，對于島礁吹填工程施工控制，吹填珊瑚砂基礎(chǔ)及工程設(shè)計，具有重要的理論意義與應(yīng)用價值。利用中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所自主研制的土石混合體大型剪切力學(xué)試驗機，采用中國南沙某島礁吹填珊瑚砂，在級配和組分分析的基礎(chǔ)上，研究了高軸向荷載條件下不同密實度、含水量對吹填珊瑚砂的剪切力學(xué)特性的影響。

1 原地吹填珊瑚砂級配組分特性

珊瑚砂物理力學(xué)性質(zhì)與一般陸相、海相沉積物相比具有顯著差異，珊瑚砂顆粒形狀不規(guī)則、多孔隙、易破碎。采取中國南沙某島礁吹填珊瑚砂，將原地珊瑚砂試驗前烘干，烘干溫度105i℃，烘干時間12ih，然后進行篩分(圖1)，各粒組所占質(zhì)量百分比如圖2。

圖1 不同粒徑吹填珊瑚砂篩分試驗Fig. 1 Screening test of different particle size reclamation coral sand

圖2 吹填珊瑚砂不同粒組質(zhì)量百分比Fig. 2 iMass percentage of different particle groups of reclamation coral sand

吹填珊瑚砂粒徑級配曲線如圖3。78%含量的砂樣粒徑分布在0～5imm； 62.82%含量的砂樣粒徑小于2imm； 只有約占9.65%的砂樣粒徑小于0.25imm。吹填珊瑚砂的基本物理參數(shù)如表1所示。

圖3 珊瑚砂粒徑級配曲線Fig. 3 Grain size grading curve of coral sand

表1 珊瑚砂基本物理參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of the coral sand

2 吹填珊瑚砂大型剪切力學(xué)試驗方法

室內(nèi)大型剪切力學(xué)試驗是研究碎石土、粗粒土、土石混合體及珊瑚砂等非均質(zhì)地質(zhì)材料剪切特性的試驗手段。

2.1 試驗儀器

試驗所采用的大型土石混合體力學(xué)試驗機，為中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研制設(shè)備，主要由外框架、水平及豎向液壓加載系統(tǒng)、試樣盒、量測系統(tǒng)等組成，試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4，大型土石混合體力學(xué)試驗機如圖5。設(shè)計最大水平及法向荷載均為200ikN。試樣尺寸長、寬、高為35icm×35icm×25icm。該儀器測量精度高，滿足一維垂直應(yīng)力固結(jié)加載要求，可以進行應(yīng)變控制式加載，可以量測大尺度土石混合體的結(jié)構(gòu)性強度及土石混合體與土工織物間的摩擦強度，適用于土木工程中遇到的各種堆積體、土石混合體室內(nèi)強度試驗。

圖4 大型土石混合體力學(xué)試驗機試驗儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 4 Test instrument system1. 滾動隔膜； 2. 活塞； 3. 活塞桿； 4. 軸承； 5. 加壓板； 6. 第一活動千斤頂； 7. 第一固定螺栓； 8. 第一液壓電機； 9. 第二液壓電機； 10. 垂直位移傳感器； 11. 試樣框架； 12. 機械框架； 13. 第二活動千斤頂； 14. 上部分土石混合體； 15. 第二固定螺栓； 16. 水平位移傳感器； 17. 滑動試樣盒； 18. 下部分土石混合體； 19. 滾珠軸排； 20. 第一 壓力傳感器； 21. 第二壓力傳感器

圖5 大型土石混合體力學(xué)試驗機Fig. 5 Large-scale mechanical testing machine for soil-rock mixture

2.2 試驗方法及流程

采用原地吹填珊瑚砂，烘干后根據(jù)剪切盒的尺寸和鈣質(zhì)砂的天然密度分為80%密實度和90%密實度珊瑚砂樣稱重，裝樣時將珊瑚砂樣分為5次進行填裝，每5icm一層用擊實錘擊實至控制高度，同時將剪切盒內(nèi)的試樣均勻分布填裝。

為研究含水量及密實度對吹填珊瑚砂剪切力學(xué)特性影響，在不同含水量及密實度狀態(tài)下對珊瑚砂進行大型直接剪切試驗，含水量分別選取干燥、5%、10%和15%，密實度采用80%和90%，在不同軸向壓力下對其進行直接剪切試驗，試驗共8組。在法向分別施加0.425iMPa、0.913iMPa和1.320iMPa法向應(yīng)力，剪切面尺寸為30icm×25icm，水平方向按照1imm·min-1的剪切速率加載，剪切位移每4imm記錄一次水平加載力。通過試驗得到每一組的水平方向抗剪強度，根據(jù)法向應(yīng)力與抗剪強度關(guān)系曲線進行線性擬合，得到吹填珊瑚砂的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，分析得出含水量和密實度對原位珊瑚砂剪切力學(xué)特性的影響。

3 吹填珊瑚砂剪切力學(xué)特性試驗結(jié)果分析

圖6 抗剪強度-密實度關(guān)系曲線Fig. 6 Shear strength versus dense degree curve

通過大型直接剪切試驗，得到吹填珊瑚砂不同法向應(yīng)力條件下抗剪強度-密實度關(guān)系曲線(圖6)，不同含水量80%密實度吹填珊瑚砂抗剪強度-法向應(yīng)力曲線(圖7)，不同含水量90%密實度吹填珊瑚砂抗剪強度-法向應(yīng)力曲線(圖8)。當(dāng)含水量不變時，在不同法向應(yīng)力條件下，密實度增加時抗剪強度增大，當(dāng)法向應(yīng)力0.913iMPa時增大最為顯著。

圖7 80%密實度情況下抗剪強度-法向應(yīng)力圖Fig. 7 Shear strength versus normal stress diagram under 80% compactness

圖8 90%密實度條件下抗剪強度-法向應(yīng)力圖Fig. 8 Shear strength versus normal stress diagram under 90% compactness

同時可得80%密實度吹填珊瑚砂抗剪強度-含水量曲線(圖9)，含水量90%密實度吹填珊瑚砂抗剪強度-含水量曲線(圖10)。由圖9、圖10可知，在相同密實度條件下，含水量從干燥到15%范圍內(nèi)，隨著含水量的減小抗剪強度增加，當(dāng)含水量大于5%時，抗剪強度減小幅度較小。

圖9 80%密實度條件下不同含水量抗剪強度變化Fig. 9 Change of shear strength with different moisture contents under 80% compactness

圖10 90%密實度條件下不同含水量抗剪強度變化Fig. 10 Change of shear strength with different moisture contents under 90% compactness

表2 密實度80%不同含水量珊瑚砂C、φ值Table 2 C and φ value of coral sand with differentwater contents when compactness is 80%

表3 密實度90%不同含水量珊瑚砂C、φ值Table 3 C and φ value of coral sand with differentwater contents when compactness is 90%

對圖7和圖8中的數(shù)據(jù)進行線性擬合，得到黏聚力C和內(nèi)摩擦角φ，分別得到密實度80%不同含水量吹填珊瑚砂抗剪參數(shù)(表2)和密實度90%不同含水量吹填珊瑚砂抗剪參數(shù)(表3)。

圖11 不同密實度吹填珊瑚砂黏聚力與含水量關(guān)系曲線Fig. 11 Relationship between cohesion and water content of coral sand with different compactions

圖12 不同密實度吹填珊瑚砂內(nèi)摩擦角與含水量關(guān)系曲線Fig. 12 Relationship between the angle of internal friction and water content of coral sand with different compactions

采用表2、表3的數(shù)據(jù)，分析得到的C、φ值得到不同密實度吹填珊瑚砂黏聚力與含水量關(guān)系曲線(圖11)和不同密實度吹填珊瑚砂內(nèi)摩擦角與含水量關(guān)系曲線(圖12)，由圖11和圖12可知，含水量對吹填珊瑚砂內(nèi)摩擦角影響顯著，呈負相關(guān)關(guān)系。密實度為90%的時候，當(dāng)含水量由0增大到15%時，黏聚力緩慢減小，減小8.3%左右； 相比于含水量對于黏聚力的影響，含水量對于內(nèi)摩擦角的影響也是比較明顯，隨著含水量的增加，珊瑚砂內(nèi)摩擦角減小，當(dāng)含水量由0增大到15%時，內(nèi)摩擦角減小13.8%～20.2%，含水量大于10%，內(nèi)摩擦角降低較小。

密實度對吹填珊瑚砂的黏聚力影響較小，隨著密實度的增加黏聚力增大不明顯，密實度對內(nèi)摩擦角影響較顯著，當(dāng)含水量大于5%時，隨著密實度的增加內(nèi)摩擦角顯著增大； 隨著密實度的增大，珊瑚砂的黏聚力變化規(guī)律不明顯，珊瑚砂的內(nèi)摩擦角增大較為明顯，當(dāng)含水量為0，密實度為90%，黏聚力和內(nèi)摩擦角為最大值，黏聚力是0.391iMPa、內(nèi)摩擦角為65.09°。含水量較小時，密實度越大，珊瑚砂顆粒間的相互作用越顯著，水膜聯(lián)結(jié)力越大，顆粒膠結(jié)的越好，所以黏聚力更大。同樣狀態(tài)下，顆粒間的摩擦作用加強，珊瑚砂的摩擦系數(shù)就會增大，使得內(nèi)摩擦角也會上升。

4 結(jié) 論

利用自主研制的土石混合體大型剪切力學(xué)試驗機，采用中國南沙某島礁吹填珊瑚砂，在級配和組分分析的基礎(chǔ)上，研究不同密實度、含水量條件下高法向應(yīng)力珊瑚砂的剪切力學(xué)特性，通過試驗結(jié)果分析得出如下結(jié)論：

(1)含水量增加導(dǎo)致吹填珊瑚砂抗剪強度減小，呈負相關(guān)關(guān)系； 密實度增加引起抗剪強度增加，呈正相關(guān)關(guān)系。

(2)含水量對吹填珊瑚砂內(nèi)摩擦角影響顯著，呈負相關(guān)關(guān)系，含水量大于10%，內(nèi)摩擦角降低較??； 密實度90%時，含水量大于5%，黏聚力降低較小。

(3)密實度對吹填珊瑚砂的黏聚力影響規(guī)律不明顯，密實度對內(nèi)摩擦角影響較顯著，當(dāng)含水量大于5%時，隨著密實度的增加內(nèi)摩擦角顯著增大。

(4)在高荷載條件下，含水量和密實度對吹填珊瑚砂抗剪力學(xué)特性影響較為顯著，含水量小、密實度大的吹填珊瑚砂抗剪特性最強，對于島礁填島工程設(shè)計及場地條件改性具有指導(dǎo)意義。