付金鑫　雷學(xué)文　孟慶山　潘劍鋒

摘要：島礁在吹填過程中會形成珊瑚砂與珊瑚礫石相互交替的層狀地基。為研究珊瑚砂礫交互地層地基的承載特性，通過室內(nèi)模型試驗，開展了純砂、純礫均質(zhì)地基以及不同層厚比例砂礫互層地基的承載特性研究。試驗結(jié)果表明：純砂地基的承載力和變形模量隨相對密實度的增大而增大，且密實地基的承載力明顯高于中等密實地基；相同相對密實度下，純礫地基的承載力和變形模量是純砂地基的2倍以上；上礫下砂地基的承載力隨礫層厚度的增大而增加，礫層具有一定的應(yīng)力擴散作用，厚度越大，應(yīng)力擴散越明顯；上砂下礫地基的承載力隨礫層埋深的減小而增大，地基下臥礫石層能使地基內(nèi)一定深度處應(yīng)力集中程度減弱，埋深越淺，減弱程度越大。試驗結(jié)果對于確定砂礫互層地基的天然承載力及持力層選擇具有重要意義。

關(guān) 鍵 詞：珊瑚砂礫互層地基； 地基承載力； 變形模量； 土壓力分布； p-s曲線

中圖法分類號： TU411

文獻標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.04.026

0 引 言

南海島礁資源對于中國而言在國防和經(jīng)濟上都具有重要的戰(zhàn)略意義。近年來，南海島礁建設(shè)不斷加速推進，通過陸域吹填工程的實施，島礁的面積逐漸擴大。然而在實際水力吹填過程中，粗礫石主要堆積在靠近吹填管口處，大顆粒的尺寸在10 cm以上，隨著水流的搬運能力向邊緣減弱，在遠離吹填管口處堆積物逐漸變細，一般為砂、粉細砂［1］。在吹填過程中，隨著吹填管口的不斷轉(zhuǎn)移，必然會形成砂礫互層的吹填地基，一層為高壓縮性的砂層，另一層為具有粗粒土性質(zhì)的塊狀珊瑚礫石。在實際建設(shè)工程中，層狀地基也表現(xiàn)出獨特的承載特性，因此對砂礫互層地基的承載特性進行研究成為島礁建設(shè)過程中的關(guān)鍵性一環(huán)。

珊瑚砂作為特殊的海洋生物殘體，其主要成分為碳酸鈣，擁有著多孔隙［2］、顆粒強度低［3］、易破碎等特征［4-5］，其工程力學(xué)特性與陸源土有著顯著的不同。針對珊瑚砂的特殊性，國內(nèi)外學(xué)者先后展開了大量關(guān)于珊瑚砂地基承載特性的相關(guān)研究。王新志等［6］開展了室內(nèi)平板載荷試驗，發(fā)現(xiàn)其地基承載力隨密實度增大而增大，并比同密實度石英砂地基承載力大得多，地基中土壓力隨深度快速衰減。汪正金等［7］在現(xiàn)場平板載荷試驗中發(fā)現(xiàn)地下水會對鈣質(zhì)砂地基承載力和變形模量產(chǎn)生影響。李洋洋等［8］分析了鈣質(zhì)砂地基的實際沉降量與經(jīng)驗公式計算值的關(guān)系，得出了前者為后者50%～67%的結(jié)論。饒佩森等［9］開展了循環(huán)荷載作用下不同密實度鈣質(zhì)砂地基土壓力動力響應(yīng)的模型試驗，揭示了鈣質(zhì)砂地基土壓力的響應(yīng)特征和衰減規(guī)律。沈揚等［10］提出了適用于珊瑚砂的地基承載力公式，對珊瑚砂的地基承載力系數(shù)進行了修正。劉特等［11］對吹填礁砂層狀地基開展了大型推剪試驗，研究了其剪切強度及破壞特征。

針對互層地基，國內(nèi)外許多學(xué)者也對其承載特性開展了大量研究。Hanna等［12］建立了非均質(zhì)地基的沖剪破壞模型，并對軟黏土上覆砂層地基的情況提出了極限承載力的半經(jīng)驗公式。關(guān)宇等［13］針對砂-黏土雙層地基的極限承載力提出了一個多項式回歸公式，并對其進行了驗證和不確定分析。胡振華等［14］分析了人工硬殼層的存在對地基承載力和擴散角的影響。秦會來等［15］針對雙層地基極限承載力的計算，提出了一種新的多塊體離散模式的上限方法，并與已有計算方法對比，驗證了該方法的有效性。Yu等［16］模擬了雙層黏土中方形基礎(chǔ)的貫入效應(yīng)。

如上所述，以往針對島礁地基的承載特性研究，研究對象主要集中在均質(zhì)珊瑚砂體，互層地基的相關(guān)研究主要針對陸源土，而對于島礁吹填工程中遇到的珊瑚砂和珊瑚礫交替互層地基的力學(xué)特性研究相對匱乏。因此，本文通過對珊瑚砂礫互層地基開展室內(nèi)平板載荷模型試驗，分析砂礫互層地基在荷載作用下的承載特性，研究結(jié)果可為島礁吹填地基的工程基礎(chǔ)設(shè)計提供參考。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

室內(nèi)平板載荷試驗所用珊瑚砂和珊瑚礫基本物理參數(shù)如表1所列，其篩分后的顆粒級配曲線見圖1。

1.2 試驗裝置及儀器

模型試驗所用模型箱為直徑1.0 m，高1.4 m的圓筒，其筒壁采用45號鋼，上下各通過反力框架安裝上下蓋板。上蓋板中心安裝20 t的千斤頂，千斤頂?shù)某鲇突赜涂诰c武漢中巖科技研制的RSM-JC5（D）靜荷載測試儀相配套的油泵連接。通過該靜荷載測試儀控制千斤頂分級施加垂直荷載，該儀器能自動控載并對試驗過程進行實時監(jiān)測，可繪制多種數(shù)據(jù)曲線。試驗所用裝置如圖2所示。

1.3 土壓力計的埋設(shè)與布置

地基土中埋設(shè)的土壓力傳感器為日本共和BEC-A型應(yīng)變式土壓力計，量程最大為1 MPa。為測定地基中豎向土壓力，試驗中將土壓力計水平埋設(shè)。土壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為TDS-540靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，能實時監(jiān)測并記錄試驗加載過程中土壓力值。土壓力計埋設(shè)在載荷板中心及距離中心10，20，30，40 cm的位置，埋深分別為40，60，80 cm，共15個土壓力計，布置情況見圖3。

1.4 試驗方案

本文通過室內(nèi)平板載荷試驗，探究不同相對密實度的純砂地基、純砂與純礫地基，以及不同層厚比例的砂礫互層地基承載特性的差異，具體試驗方案見表2。試驗前沿豎向在模型筒內(nèi)壁每隔10 cm標(biāo)好刻度線，裝樣過程中地基土共分8層填筑，每層控制厚度10 cm，共填筑80 cm。根據(jù)試驗所需的相對密實度并結(jié)合物理參數(shù)計算每層地基土填筑的重量，分層夯實，確保每層試樣的頂面與模型筒內(nèi)壁上的刻度線對齊，每層夯實刮平后在相應(yīng)位置埋設(shè)土壓力計，在地基土填筑完畢后安裝載荷板和位移計。試驗?zāi)M方形基礎(chǔ)，載荷板尺寸為200 mm×200 mm，厚40 mm，滿足剛度和變形要求。加載方式按照GB 50007－2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》［17］進行，每組試驗分級加載控制，首級荷載為50 kPa，每級荷載加載量為100 kPa，通過位移計測定每級荷載下地基沉降量。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 相對密實度對地基承載特性的影響

2.1.1 相對密實度對p-s曲線的影響

圖4為不同相對密實度純砂地基的p-s曲線。由圖4可見，隨相對密實度的增大，純砂地基的沉降量明顯減小，在荷載達到1 050 kPa時，Dr為0.6的地基已產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，沉降量已達到25.0 mm，而Dr為0.7和0.8的地基沉降量僅為7.1 mm和4.7 mm。在地基沉降量為4.0 mm左右時，Dr為0.6的地基其上部荷載僅為300 kPa，而Dr為0.7和0.8的地基其上部荷載可達到550 kPa和850 kPa，表明地基在相同沉降量時，密實度越高，需要上部荷載越大。

地基的承載力特征值和變形模量按GB 50007－2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》［17］的相關(guān)規(guī)定，通過p-s曲線確定。不同相對密實度純砂地基的承載力特征值與變形模量見表3。

由表3可知，相對密實度Dr對地基變形模量、承載力特征值有很大影響。Dr從0.6增加到0.7，0.8時，地基土從中等密實變?yōu)槊軐崰顟B(tài)，變形模量相應(yīng)增加了約39%，66%，承載力特征值相應(yīng)增加了約37.2%，49.4%。由此可見，相對密實度對珊瑚砂地基承載力的影響十分明顯，密實地基相對中等密實地基，其承載力提升效果顯著，在實際工程中夯實地基到密實程度能更好地確保天然地基安全。

2.1.2 相對密實度對土壓力分布的影響

以豎向荷載250 kPa加載情況為例，此荷載下地基處于穩(wěn)定狀態(tài)，將基底中軸線下2，3，4倍板寬深度處的土壓力實測值與對應(yīng)的相對密實度進行匯總比較分析，繪制出圖5所示的線性回歸方程。三點處的測值線性擬合程度好，相關(guān)系數(shù)均大于0.9；中心荷載下，各測點處的土壓力隨著相對密實度的增大呈逐漸增大的趨勢。可通過擬合方程計算出中心荷載下各測點不同相對密實度的土壓力值。

圖6為3種相對密實度純砂地基中軸線上2倍板寬深度處的土壓力隨荷載變化情況。圖中，隨著荷載值的增加，Dr為0.6的地基該深度土壓力增加幅度增大，即表現(xiàn)為該測點土壓力實測值占加載值的比例在逐漸增加。由于該相對密實度地基承載力較小，在加載初期，地基處于穩(wěn)定狀態(tài)，該測點土壓力占比維持在50%以內(nèi)，隨著加載值增加，地基逐步失穩(wěn)，土壓力增加幅度越來越大，占比逐漸增加，加載到1 250 kPa時，地基發(fā)生失穩(wěn)破壞，占比已達到87%，砂體失去承載能力。而Dr為0.7，0.8的地基屬于密實地基，承載性能好，隨著加載值增加，地基并未發(fā)生失穩(wěn)破壞，該測點土壓力占比始終維持在50%左右。

2.2 均質(zhì)地基承載特性

2.2.1 均質(zhì)地基p-s曲線對比

試驗控制純珊瑚砂、純珊瑚礫地基的相對密實度均為0.6，比較兩種地基的承載特性，其p-s曲線如圖7所示，承載力特征值與變形模量見表4。

圖7中，同一加載條件下，純砂地基的沉降量要明顯大于純礫地基，純砂地基在荷載1 050 kPa時已經(jīng)產(chǎn)生明顯破壞，沉降量達到25.0 mm，而純礫地基僅為6.2 mm。繼續(xù)加載，純砂地基沉降量急劇增加，產(chǎn)生更大的破壞，而純礫地基沉降量保持相對穩(wěn)定，在上部荷載達到2 MPa時，純礫地基沉降量僅為14.9 mm。

由表4可見，純礫地基的變形模量和承載力特征值遠高于純砂地基。同等密實度的條件下，純礫地基的變形模量為28.59 MPa，約為純砂地基的2.2倍。純礫地基的承載力特征值高達437.8 kPa，而純砂地基僅為199.3 kPa，不足純礫地基的50%。因此，在島礁地質(zhì)條件允許的情況下，為改善地基類型，將砂類地基換填為礫石地基，或選擇礫石層為持力層能大幅增加地基的變形模量，提高地基的承載能力。

2.2.2 均質(zhì)地基土壓力分布對比

均質(zhì)地基土砂礫粗細程度的不同不僅對地基變形有影響，其地基土壓力分布也有較大差異。圖8為純砂、純礫地基中軸線上2倍板寬深度處土壓力隨荷載變化情況。

由圖8可知：在Dr相同情況下，純砂地基在加載初期其測點土壓力增加幅度較穩(wěn)定，其占豎向荷載百分比維持在50%以內(nèi)。加載到550 kPa時，土壓力占比已達到54%，地基已產(chǎn)生失穩(wěn)破壞現(xiàn)象。土壓力在載荷板中心下產(chǎn)生集中，荷載越大，土體進一步破壞，失去承載能力，土壓力更加集中，土壓力占比越來越大。而純礫地基硬度大，強度高，隨著荷載的增大，該測點土壓力增加幅度呈降低趨勢，即土壓力占荷載比逐漸減小，從加載初期的43%一直減小到終止加載值時的36%。分析原因可知，純礫地基在加載過程中一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，并未產(chǎn)生破壞，隨著上部荷載增大，下部土體的密實度也在不斷提高，土體的結(jié)構(gòu)性和整體性在不斷增強，使得更多的土體參與承擔(dān)上部荷載的壓力，土中應(yīng)力擴散范圍變得更大，荷載中心下土體的荷載占比隨之減小。

2.3 互層地基承載特性

針對在島礁吹填過程中出現(xiàn)珊瑚砂與珊瑚礫構(gòu)成砂礫互層地基，圍繞上下層地基土厚度比不同展開研究，上下層地基土相對密實度均取0.6。

2.3.1 上礫下砂地基承載特性

圖9為上層珊瑚礫石、下層珊瑚砂地基不同厚度比條件下載荷試驗的p-s曲線。分析可知：上覆礫石層硬度高，變形模量大，具有“硬殼層效應(yīng)”［14］，其承載特性相比于純砂地基明顯提高。當(dāng)荷載加載到1 050 kPa時，礫-砂厚度比為1∶3時的地基沉降量為10.3 mm，比純砂地基減少了56.6%；礫-砂厚度比為1∶1時的地基沉降量為8.9 mm，比純砂地基減少了64.8%。隨著上覆礫石厚度的增加，地基沉降量逐漸減少。

表5為上礫下砂地基承載力特征值對比，礫-砂厚度比為1∶3的地基和厚度比1∶1的地基其承載力特征值相比純砂地基分別增加了58.5%和69.3%。相比純砂地基，上覆礫石層的存在使得地基承載特性有很大的提高，但礫石層厚度比由1∶3提高到1∶1時，地基承載力特征值變化幅度并不大，僅增加了6.8%，這是由于珊瑚礫石土硬度大，變形模量大，在純砂地基上上覆一層礫石對地基承載特性的提高效果已非常明顯，增加礫石層厚度雖能更好地改善地基承載力，但改善程度有限。

圖10為上礫下砂地基3倍板寬深度處土壓力分布圖。

分析圖10可知，當(dāng)存在上部礫石層時，下部砂層中會出現(xiàn)應(yīng)力擴散現(xiàn)象，且礫石層厚度越大時，荷載作用下該深度處應(yīng)力擴散作用越強，且在中軸線處擴散效果越明顯。礫石層厚度為20 cm時，中軸線處土壓力相對均質(zhì)砂地基減小28.1%，而礫石層厚度為40 cm時，土壓力相對均質(zhì)砂地基減小37.7%。當(dāng)離中軸線距離大于20 cm時，在礫-砂厚度比為1∶3的地基中產(chǎn)生了土壓力實測值大于均質(zhì)砂地基土壓力的現(xiàn)象，距中軸線越遠，應(yīng)力擴散作用減弱，該深度界面土壓力趨于均勻。而礫-砂厚度比為1∶1的地基，該深度處各測點土壓力值均小于純砂地基測值，界面土壓力更趨于均勻，擴散效果更明顯。這是由于礫石層厚度增大，礫石層能夠承受的上部荷載壓力也越大，這樣就減小了下層砂體的土壓力，同時上部荷載擴散到下層砂體的面積也隨之增大。

2.3.2 上砂下礫地基承載特性

圖11為不同厚度比上層珊瑚砂、下層珊瑚礫石地基的載荷試驗p-s曲線圖。這種地基具有珊瑚礫石下臥層，其沉降量較純砂地基有所減小。當(dāng)荷載加載到1 050 kPa時，砂-礫厚度比1∶3的地基沉降量為8.7 mm，比純砂地基減少了66.1%，砂-礫厚度比1∶1的地基沉降量為13.1 mm，比純砂地基減少了48.5%，說明下臥珊瑚礫石變形模量大，能有效地控制地基的沉降，礫石層埋深越淺，整個地基的沉降量越小。

表6為上砂下礫地基承載力特征值對比，砂-礫厚度比1∶1以及厚度比1∶3地基的承載力特征值相比純砂地基分別增加了22.7%，46.7%，下臥礫石層埋深對地基承載力影響較大，礫石層埋深由40 cm變化到20 cm后，地基承載力特征值提高了19.5%，礫石層埋深越淺，越有利于地基的穩(wěn)定性。

圖12為上砂下礫地基中軸線上3倍板寬深度處土壓力分布圖。這種地基礫石層作為下臥層，相比均質(zhì)砂地基，能使中軸線處應(yīng)力集中程度減弱，且礫石層埋深越淺，減弱程度越大。在礫石層埋深為40 cm時，中軸線處土壓力相對均質(zhì)砂地基減小了28.1%，而礫石層埋深為20 cm時，土壓力相對均質(zhì)砂地基減小了35.9%。隨著距中軸線水平距離的增加，三者相同測點的土壓力差值逐漸減小，該深度水平方向上土壓力分布相對均勻。主要是由于礫石層應(yīng)力擴散效應(yīng)較強，當(dāng)?shù)[石層埋深越淺，該深度測點距礫石層頂距離越大，有更大厚度的礫石層參與到承受上部砂層傳遞下來的荷載。同時發(fā)現(xiàn)，圖10中礫-砂厚度比1∶1地基3倍板寬深度處土壓力沿水平方向近似呈直線發(fā)展，而圖12中砂-礫厚度比1∶1地基同樣板寬深度處土壓力沿水平方向變化較平緩。這是由于礫石層作為下臥層，且礫石層埋深較深時，上部荷載經(jīng)砂層傳遞至礫石層后，在中軸線附近處發(fā)生了較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，中軸線附近的土壓力沿水平方向減小的幅度變小，表現(xiàn)出土壓力變化較平緩的現(xiàn)象。

結(jié)合上礫下砂、上砂下礫地基的試驗結(jié)果分析可得：礫石層不論作為上部持力層還是下臥層，其地基承載力均大于純砂地基，且上砂下礫地基中，砂-礫厚度比1∶3地基的承載力特征值最大，達到292.3 kPa；而上礫下砂地基中，礫-砂厚度比1∶3地基的承載力雖最小，但結(jié)果仍有315.9 kPa。這表明礫石層作為上部持力層對改善地基承載力的效果要優(yōu)于其作為下臥層帶來的效果。

3 結(jié) 論

針對島礁吹填地基土層構(gòu)成的差異性，通過室內(nèi)平板載荷模型試驗對不同類型地基的承載特性展開研究，對比分析了純砂、純礫地基承載力和土壓力分布情況，進一步研究了上礫下砂、上砂下礫不同層厚比對地基承載力和土壓力分布的影響，所得結(jié)論如下。

（1） 珊瑚砂地基的承載力和變形模量隨相對密實度的增加而增加，地基穩(wěn)定狀態(tài)時載荷板中心線上各測點土壓力值與相對密實度呈線性相關(guān)。

（2） 相同的相對密實度情況下，純礫地基的承載力和變形模量是純砂地基的2倍以上，實際工程中可優(yōu)選珊瑚礫石為持力層。

（3） 上覆珊瑚礫石層具有“硬殼層效應(yīng)”，能提高地基的承載性能，且可有效擴散上部荷載，使土壓力趨于均勻，且礫石層厚度越大，地基承載特性越好，應(yīng)力擴散現(xiàn)象越明顯。

（4） 礫石層作為下臥層，相比純砂地基，能提高地基穩(wěn)定性，使地基一定深度內(nèi)應(yīng)力集中程度減弱，且礫石層埋深越淺，應(yīng)力集中的減弱程度越大，地基越穩(wěn)定。

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（編輯：鄭 毅）

Model experimental study on bearing characteristics of coral sand and gravel interlayer foundation

FU Jinxin1，2，LEI Xuewen1，MENG Qingshan2，PAN Jianfeng1，2

（1.City Construction Institute，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430065，China； 2.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics of Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071，China）

Abstract：

During the dredger filling process of island reefs，a layered foundation of coral sand and coral gravel will be formed.We investigated the bearing characteristics of pure sand，pure gravel homogeneous foundation and sand-gravel interlayer foundation with different layer thickness ratio by indoor model tests.The test results showed that the bearing capacity and deformation modulus of pure sand foundation increased with the relative density，and the bearing capacity of dense foundation was obviously higher than that of medium dense foundation；the bearing capacity and deformation modulus of pure gravel foundation were more than twice of that of pure sand foundation under the same relative density；the bearing capacity of upper gravel and lower sand foundation increased with the increase of gravel layer thickness，and the gravel layer had a certain stress diffusion effect，and the larger the thickness，the more obvious the stress diffusion.The bearing capacity of upper sand and lower gravel foundation increased with the decreasing of gravel layer depth，and the lying gravel layer under the foundation can weaken the stress concentration at a certain depth in the foundation，the shallower the depth，the greater the weakening degree.The test results are of great significance for determining the natural bearing capacity of sand and gravel interlayer foundation and the selection of bearing layer.

Key words： coral sand and gravel interlayer foundation；foundation bearing capacity；modulus of deformation；soil pressure distribution；p-s curve

收稿日期：2022-01-15

基金項目：國家自然科學(xué)基金面上項目（41877267，41877260）；中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（A類）（XDA13010201）

作者簡介：付金鑫，男，碩士研究生，研究方向為珊瑚礁砂力學(xué)性質(zhì)研究。E-mail：740038460@qq.com

通信作者：孟慶山，男，研究員，博士生導(dǎo)師，博士，主要從事珊瑚礁工程地質(zhì)與力學(xué)特性方面的研究工作。E-mail：qsmeng@whrsm.ac.cn