郭毓熙 章懿濤 方祥位 姚志華 胡豐慧 申春妮

DOI： 10.11835/j.issn.2096-6717.2022.139

收稿日期：2022?08?22

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51978103）；重慶英才計(jì)劃優(yōu)秀科學(xué)家項(xiàng)目（cstc2021ycjh-bgzxm0051）；重慶英才計(jì)劃優(yōu)秀科學(xué)家項(xiàng)目（cstc2021ycjh-bgzxm0051）；基礎(chǔ)加強(qiáng)計(jì)劃技術(shù)領(lǐng)域基金（2019-JCJQ-JJ-082）

作者簡(jiǎn)介：郭毓熙（1996- ），男，主要從事巖土微生物技術(shù)及應(yīng)用研究，E-mail：54gyx@163.com。

通信作者：方祥位（通信作者），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：fangxiangwei1975@163.com。

Received： 2022?08?22

Foundation items： National Natural Science Foundation of China （No. 51978103）; Chongqing Talents Program （No. cstc2021ycjh-bgzxm0051）; Chongqing Talents Program （No.cstc2021ycjh-bgzxm0051）; Foundation Strengthening Plan Technical Field Fund （No. 2019-JCJQ-JJ-082）

Author brief： GUO Yuxi （1996- ）， main research interests： geotechnical microbiology technology and application， E-mail： 54gyx@163.com.

corresponding author：FANG Xiangwei （corresponding author）， PhD， professor， doctorial supervisor， E-mail： fangxiangwei1975@163.com.

摘要：珊瑚砂工程性質(zhì)特殊，研究珊瑚砂地基的承載特性對(duì)島礁工程建設(shè)具有重要意義。通過(guò)不同相對(duì)密實(shí)度（50%、65%、72%、80%和85%）、不同含水狀態(tài)（干燥和飽和）及水位升降等工況下的珊瑚砂地基平板載荷模型試驗(yàn)，研究相對(duì)密實(shí)度和含水狀態(tài)對(duì)珊瑚砂地基承載特性、顆粒破碎、分層沉降和土壓力傳遞規(guī)律等的影響。結(jié)果表明：隨著相對(duì)密實(shí)度的增大，干燥狀態(tài)下珊瑚砂地基極限承載力增大，沉降減小；相對(duì)密實(shí)度80%以上的珊瑚砂顆粒破碎較明顯；承壓板正下方的土壓力隨深度增大而減小。飽和珊瑚砂地基的極限承載力約為干燥狀態(tài)的44%，地基破壞時(shí)的沉降約為干燥狀態(tài)的2倍，兩次水位升降對(duì)地基承載力和沉降影響較?。痪嚯x承壓板中心不同位置處，飽和（含水位升降）與干燥狀態(tài)下珊瑚砂地基分層沉降呈現(xiàn)出不同的規(guī)律；3種工況下土壓力傳遞規(guī)律相似。

關(guān)鍵詞：珊瑚砂地基；承載特性；顆粒破碎；土壓力傳遞規(guī)律；水位升降；模型試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU441 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：2096-6717（2023）05-0049-09

Experimental study on bearing characteristics of coral sand foundation under different water content states and relative compactnesses

GUO Yuxi1， ZHANG Yitao1，2， FANG Xiangwei1， YAO Zhihua3，

HU Fenghui1， SHEN Chunni4

（1. School of Civil Engineering， Chongqing University， Chongqing 400045， P. R. China； 2. Guixi Smelter Jiangxi Copper Company Limited， Guixi 335424， Jiangxi， P. R. China； 3. Department of Airdrome Construction Engineering， Air force Engineering University， Xi，an 710038， P. R. China； 4. School of Civil Engineering and Architecture， Chongqing University of Science and Technology， Chongqing 401331， P. R. China）

Abstract： The engineering properties of coral sand are special， so it is important to study the bearing characteristics of coral sand foundation for island construction. The influences of relative compactness and water content state on the bearing deformation characteristics， particle breakage， layered settlement and the pattern of earth pressure transfer of coral sand foundation are studied through the plate loading model test of coral sand foundation under different working conditions， such as different relative compactness （50%， 65%， 72%， 80% and 85%）， different water content states （dry or saturated） and water level variations. The results show that the bearing capacity of coral sand foundation increases and the settlement decreases with the increase of relative density in dry condition. The coral sand particles are broken more significantly while the relative compactness is greater than 80%. The earth pressure directly below the bearing plate decreases with increase of depth. The bearing capacity of coral sand foundation in saturated state is about 44% of that in dry state， the settlement in the failure is about 2 times of that in dry state， and the influence of two times of water level variation on the bearing capacity and settlement of foundation is small. At different locations from the center of the bearing plate， the developments of the layered settlement of coral sand foundations in saturated， water level variation and dry state are different. The pattern of earth pressure transfer is similar in the three states.

Keywords： coral sand foundation； bearing characteristics； particle breakage； the law of earth pressure transmission； water level variation； model test

隨著經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程的推進(jìn)和海上絲綢之路的提出，海洋對(duì)全球各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響越來(lái)越大，人類(lèi)進(jìn)入了一個(gè)大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用海洋資源的時(shí)期[1-2]。珊瑚島礁作為海洋權(quán)益維護(hù)的立足點(diǎn)和海洋資源開(kāi)發(fā)的平臺(tái)，對(duì)海洋開(kāi)發(fā)、科學(xué)研究及經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義[3]。珊瑚島礁主要由珊瑚砂構(gòu)成，珊瑚砂工程力學(xué)特性和珊瑚砂地基承載特性研究已成為巖土領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

珊瑚砂是指由珊瑚、貝類(lèi)等海洋生物碎屑或骨骼殘骸形成的富含碳酸鈣等難溶物質(zhì)的特殊砂土，碳酸鈣含量可達(dá)90%以上，學(xué)者們又稱(chēng)之為鈣質(zhì)砂[4-5]。珊瑚砂發(fā)育于熱帶海洋環(huán)境中，特殊的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和形成環(huán)境使其物理力學(xué)及工程性質(zhì)同陸相沉積物相比具有顯著的差異。由于珊瑚砂在沉積周期中并未發(fā)生長(zhǎng)途搬運(yùn)，使得生物骨架中的一些孔隙得以保留，故而形成的砂顆?？紫都皟?nèi)孔隙較多、磨圓程度低，在外力作用下易發(fā)生破碎[6-8]。Coop等[9]基于壓縮試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在壓力較大的情況下，顆粒的破碎對(duì)珊瑚砂壓縮性影響較大，珊瑚砂的壓縮特性受碳酸鈣含量、沉積年代及其所處的水文地質(zhì)條件等影響。Allman等[10]對(duì)不同膠結(jié)物含量的珊瑚砂開(kāi)展三軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，珊瑚砂的內(nèi)聚力和剪切峰值強(qiáng)度隨珊瑚砂膠結(jié)物含量的增大而增大。Datta等[11]對(duì)印度西海岸的4種珊瑚砂進(jìn)行了低圍壓和高圍壓兩種情況下的三軸試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，珊瑚砂的破碎程度會(huì)隨著顆粒內(nèi)孔隙的增加、粒徑的增大、剪應(yīng)力的施加、圍壓的增大及顆粒棱角的增多而加深。Dutt等[12]發(fā)現(xiàn)，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比，常規(guī)三軸試驗(yàn)測(cè)得的珊瑚砂摩擦角偏高，而等體積直接單剪試驗(yàn)所得到的摩擦角偏小，但總體處于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)。中國(guó)學(xué)者對(duì)珊瑚砂研究起步較晚，但近40年來(lái)隨著南沙群島綜合科學(xué)考察的全面展開(kāi)，珊瑚礁工程地質(zhì)和珊瑚砂特性進(jìn)入系統(tǒng)研究階段，并取得了豐碩成果。汪稔等[13]編著了《南沙群島珊瑚礁工程地質(zhì)》，是中國(guó)第一部論述區(qū)域性珊瑚礁工程地質(zhì)及其物理力學(xué)性質(zhì)的專(zhuān)著。孫宗勛[4]綜述了珊瑚砂的壓縮性、破碎性、剪切特性和強(qiáng)度特性，指出顆粒破碎是影響珊瑚砂變形和強(qiáng)度特性的主要因素。張梅英等[14]、張家銘等[15]、紀(jì)文棟等[16]研究了壓縮和剪切下珊瑚砂顆粒破碎情況及其對(duì)力學(xué)特性的影響。張小燕等[17]研究了蠕變?cè)囼?yàn)過(guò)程中珊瑚砂顆粒破碎情況。在珊瑚砂地基承載特性方面，王新志等[18]進(jìn)行了室內(nèi)載荷試驗(yàn)，確定了不同密實(shí)度鈣質(zhì)砂的承載力及變形特性；李洋洋等[19]通過(guò)平板載荷試驗(yàn)研究了承壓板尺寸和密實(shí)度對(duì)珊瑚砂承載特性的影響；沈揚(yáng)等[20]通過(guò)自制平板載荷室內(nèi)模型裝置量化研究珊瑚砂密實(shí)度、級(jí)配及載荷板的形狀、尺寸對(duì)珊瑚砂地基承載力的影響，并對(duì)比了珊瑚砂與石英砂承載力的差異性。但這些研究以干砂為主，較少考慮飽和珊瑚砂和水位升降的影響，且模型試驗(yàn)中沒(méi)有考慮顆粒破碎的影響。

珊瑚砂富含內(nèi)孔隙，顆粒易破碎，珊瑚砂地基的承載特性受顆粒破碎影響。由珊瑚砂組成的地基與硅砂地基工程性質(zhì)差別較大，并且島礁上的珊瑚砂地基長(zhǎng)期被海水淹沒(méi)，同時(shí)受到潮水漲落影響。筆者通過(guò)不同工況下的珊瑚砂地基平板載荷模型試驗(yàn)，研究相對(duì)密實(shí)度和含水狀態(tài)對(duì)珊瑚砂地基承載特性、顆粒破碎、分層沉降和土壓力傳遞規(guī)律等的影響規(guī)律。

1 模型試驗(yàn)概況

1.1 珊瑚砂

平板載荷模型試驗(yàn)用珊瑚砂取自南海某島礁，經(jīng)過(guò)5 mm篩得到試驗(yàn)用砂[20]，根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）[21]相關(guān)規(guī)定，對(duì)試驗(yàn)所用珊瑚砂進(jìn)行了土粒比重和顆粒分析等試驗(yàn)，為模型試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。珊瑚砂各項(xiàng)基本物性參數(shù)如表1所示，珊瑚砂顆粒級(jí)配曲線如圖1所示。

1.2 模型箱及數(shù)據(jù)測(cè)量采集系統(tǒng)

模型箱尺寸為1.0 m×1.0 m×1.0 m（長(zhǎng)×寬×高），由8 mm厚的鋼板組裝和焊接而成，在箱體內(nèi)部用鋼板劃分0.6 m×0.6 m×1.0 m的區(qū)域用于珊瑚砂地基平板載荷模型試驗(yàn)。為減小試驗(yàn)加載過(guò)程中模型箱的變形，采用鋼桿對(duì)模型箱進(jìn)行支撐。在模型箱的一側(cè)設(shè)置鋼化玻璃板，用于試驗(yàn)過(guò)程中觀察土體變化。為了減小模型試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)模型箱內(nèi)側(cè)箱壁摩擦力對(duì)珊瑚砂的影響，填砂前在模型箱內(nèi)側(cè)箱壁粘貼塑料薄膜。在進(jìn)行飽和狀態(tài)與水位升降條件下的模型試驗(yàn)時(shí)，在玻璃板上粘貼一根透明玻璃管用于觀察水位。

模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量采集系統(tǒng)包括應(yīng)力應(yīng)變采集箱、土壓力盒、荷載傳感器、孔隙水壓力傳感器、位移計(jì)及數(shù)顯百分表。應(yīng)力應(yīng)變采集箱為DH3816N靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)，將該系統(tǒng)連接電腦，對(duì)試驗(yàn)加載過(guò)程中土壓力盒、壓力傳感器、孔壓傳感器等測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集箱每組12個(gè)通道，共72個(gè)通道，可同時(shí)采集應(yīng)力和應(yīng)變。

1.3 試驗(yàn)方案

通過(guò)室內(nèi)平板載荷模型試驗(yàn)研究相對(duì)密實(shí)度和含水狀態(tài)對(duì)珊瑚砂地基承載特性、顆粒破碎、分層沉降和土壓力傳遞規(guī)律等的影響。

模型試驗(yàn)中采用的承壓板為10 cm×10 cm的方形鋼板，厚度均為10 mm，材料為Q235B級(jí)鋼板。

珊瑚砂相對(duì)密實(shí)度Dr綜合了顆粒級(jí)配和孔隙比等影響，對(duì)地基承載特性有重要影響，能夠較好體現(xiàn)珊瑚砂的松散和密實(shí)程度，其計(jì)算公式為[21]

D_r=（e_max-e）/（e_max-e_min ） （1）

式中：emax、emin為珊瑚砂最大、最小孔隙比；e為珊瑚砂天然孔隙比。

為研究相對(duì)密實(shí)度和含水狀態(tài)對(duì)珊瑚砂地基承載特性的影響，在珊瑚砂干燥狀態(tài)（含水率在6%左右）下選用5種不同的相對(duì)密實(shí)度，分別為50%、65%、72%、80%和85%，屬于中密和密實(shí)珊瑚砂地基；在此基礎(chǔ)上對(duì)密實(shí)度為72%的珊瑚砂地基開(kāi)展飽和狀態(tài)和水位升降下的平板載荷對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

需要指出的是，相關(guān)研究表明，珊瑚砂在水平方向的傳遞距離約為載荷板寬度或直徑的1～2倍以上時(shí)，尺寸效應(yīng)影響較小，可不考慮尺寸效應(yīng)[22]。荷載板尺寸為10 cm×10 cm，而模型箱尺寸為60 cm，因此，可不考慮尺寸效應(yīng)。

1.4 試驗(yàn)流程

1）珊瑚砂地基填筑和測(cè)量元器件埋設(shè)安裝。為了較均勻地控制珊瑚砂的相對(duì)密實(shí)度，試驗(yàn)前按5 cm一層在模型箱內(nèi)壁標(biāo)好刻度；將珊瑚砂分16層填筑到模型箱中，每層5 cm，填筑高度共80 cm。依據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的相對(duì)密實(shí)度和珊瑚砂物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算出每層填筑的珊瑚砂質(zhì)量，將稱(chēng)量好的珊瑚砂分層壓實(shí)到相應(yīng)的刻度線，按照試驗(yàn)方案埋設(shè)沉降板、土壓力盒等測(cè)量元器件。填筑完畢后整平表面并檢測(cè)表面平整度，然后在模型箱正中央放置承壓板和架設(shè)千斤頂。試驗(yàn)準(zhǔn)備完畢并檢查無(wú)誤后開(kāi)始加載和采集數(shù)據(jù)。模型試驗(yàn)測(cè)量元器件實(shí)物布置如圖2所示。

2）飽和狀態(tài)和水位升降下珊瑚砂地基平板載荷模型試驗(yàn)。在反力梁上安放水箱，水箱閥門(mén)連接軟管使水流入埋于珊瑚砂的水管中，水通過(guò)模型箱底部龍頭連接導(dǎo)管流出。試驗(yàn)中，保持與珊瑚砂地基表面平齊水位浸泡珊瑚砂1 d認(rèn)為地基基本達(dá)到飽和狀態(tài)，可開(kāi)始試驗(yàn)。珊瑚砂地基平板載荷試驗(yàn)水位升降流程為：在飽和狀態(tài)下將荷載加載到地基承載力特征值的50%左右，將水位勻速緩慢下降50 cm后維持0.5 h不變，隨后將水位勻速緩慢上升50 cm后維持0.5 h不變。重復(fù)上述水位變化過(guò)程，水位升降兩次完畢后繼續(xù)后面各級(jí)荷載的加載直至試驗(yàn)完成。

3）測(cè)量元器件的布置。采用土壓力盒測(cè)量土體內(nèi)部土壓力，采用電子百分表測(cè)量沉降，對(duì)于飽和與水位升降工況，采用孔壓計(jì)測(cè)量孔隙水壓力，通過(guò)土壓力盒數(shù)據(jù)減去孔壓計(jì)數(shù)據(jù)得到真實(shí)土壓力。在承壓板正下方及距離承壓板中心10、20 cm位置、深度10、20、30、40 cm處安置土壓力盒采集土體內(nèi)部土壓力。在距離承壓板中心10、20 cm位置，深度15、30、45 cm處埋設(shè)沉降板測(cè)量沉降。在承壓板正下方深度10、20、30、40 cm處埋設(shè)孔壓計(jì)測(cè)量孔隙水壓力。土壓力盒、沉降板及孔壓計(jì)布置如圖3所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 干燥狀態(tài)下試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 地基承載力及變形分析

圖4給出了珊瑚砂地基在不同相對(duì)密實(shí)度下的p-s曲線。在地基達(dá)到破壞之前，珊瑚砂地基的p-s曲線近似成直線，地基的變形主要是荷載作用下珊瑚砂顆粒間孔隙減小引起的，變形較穩(wěn)定；當(dāng)荷載超過(guò)一定值之后，珊瑚砂地基發(fā)生破壞，地基中形成連續(xù)滑動(dòng)面，變形急劇增大。隨著相對(duì)密實(shí)度的增大，珊瑚砂顆粒間相互作用增強(qiáng)，使得珊瑚砂地基極限承載力提高，相同荷載下地基的沉降量也大大減小。

圖5給出了試驗(yàn)珊瑚砂地基極限承載力隨相對(duì)密實(shí)度的變化關(guān)系。從圖中可以看出，珊瑚砂地基極限承載力隨相對(duì)密實(shí)度的增大而增大，相對(duì)密實(shí)度從50%增大到80%時(shí)，地基極限承載力增長(zhǎng)速率越來(lái)越大，相對(duì)密實(shí)度從80%增大到85%時(shí)，地基極限承載力增長(zhǎng)速率減小。當(dāng)相對(duì)密實(shí)度為85%時(shí)，施加的荷載較大，造成珊瑚砂顆粒發(fā)生了一定程度的破碎，影響了珊瑚砂的極限承載力，使得相對(duì)密實(shí)度從80%增大到85%時(shí)地基極限承載力增長(zhǎng)速率減小。總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)夯實(shí)珊瑚砂，提高相對(duì)密實(shí)度的方法能夠大幅提高珊瑚砂地基的極限承載力，減小地基沉降。

2.1.2 顆粒破碎分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，由于荷載不是很大，珊瑚砂地基加載后顆粒破碎不是很明顯，承壓板正下方靠近表面的珊瑚砂顆粒破碎比其他地方明顯。為研究顆粒破碎對(duì)地基承載力的影響，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)承壓板下方10 cm范圍的珊瑚砂進(jìn)行了顆粒級(jí)配分析，并與試驗(yàn)前珊瑚砂顆粒級(jí)配進(jìn)行對(duì)比，分析珊瑚砂顆粒的破碎情況。由于相對(duì)密實(shí)度80%以下地基加載后顆粒破碎不明顯（試驗(yàn)前后的顆粒級(jí)配曲線基本重合），圖6僅給出了相對(duì)密實(shí)度為80%和85%的珊瑚砂加載后的顆粒級(jí)配曲線。

從圖6可以看出，加載后珊瑚砂地基承壓板下方地基發(fā)生了顆粒破碎，受到較大荷載后珊瑚砂顆粒級(jí)配曲線發(fā)生了變化。隨著地基相對(duì)密實(shí)度增大，顆粒破碎程度提高，表現(xiàn)為1.0～2.0 mm、0.5～1.0 mm、0.15～0.5 mm及0.075～0.15 mm粒徑范圍的顆粒占比減小，其中0.075～0.15 mm的顆粒占比減小幅度較小，而<0.075 mm的顆粒占比增加。

為了對(duì)顆粒破碎程度進(jìn)行量化，Hardin[23]建立了破碎勢(shì)Bp和相對(duì)破碎指標(biāo)Br。破碎勢(shì)Bp表示的是砂顆粒破碎的潛能，認(rèn)為粒徑大的顆粒受到高應(yīng)力將破碎成粉粒，而粉粒是不可破碎的，因此，采用粉粒粒徑上限值0.074 mm作為破碎極限粒徑。相對(duì)破碎指標(biāo)Br的最小值為0，代表所有顆粒沒(méi)有發(fā)生破碎；理論上限值為1，代表所有顆粒都破碎成粉粒。相對(duì)破碎指標(biāo)Br基于式（2）先計(jì)算bp[23]。

b_p=lg[d/0.074] （2）

式中：bp為某一粒徑顆粒的破碎勢(shì)；d為顆粒粒徑，當(dāng)d <0.074 mm時(shí)，bp=0。

對(duì)于每一條顆粒級(jí)配曲線，破碎勢(shì)可表示為

B_p=∫_0^1?〖b_p df〗 （3）

式中：df為bp對(duì)應(yīng)粒徑的篩分通過(guò)百分比。

試驗(yàn)前后的總體破碎勢(shì)之差為總破碎Bt，即

B_t=∫_0^1?（b_p0-b_p1 ）df （4）

式中：bp0為試驗(yàn)前的bp；bp1為試驗(yàn)后的bp。

總破碎Bt與初始破碎勢(shì)Bp0之比即為相對(duì)破碎指標(biāo)Br

B_r=B_t/B_p0 （5）

根據(jù)式（2）～式（5），對(duì)相對(duì)密實(shí)度為80%和85%的珊瑚砂地基平板載荷試驗(yàn)顆粒破碎程度進(jìn)行量化，通過(guò)計(jì)算得到兩者的相對(duì)破碎指標(biāo)Br相比相對(duì)密實(shí)度為80%的珊瑚砂地基，分別為0.007、0.020，后者是前者的2.85倍，說(shuō)明相對(duì)密實(shí)度為85%的珊瑚砂地基平板載荷試驗(yàn)顆粒破碎程度比相對(duì)密實(shí)度為80%的珊瑚砂地基有大幅提高，而顆粒破碎會(huì)導(dǎo)致珊瑚砂強(qiáng)度降低和壓縮性增大[24-25]。從圖5可以看出，相對(duì)密實(shí)度從50%增大到80%時(shí)，地基極限承載力增長(zhǎng)速率不斷增大；相對(duì)密實(shí)度從80%增大到85%，地基極限承載力增長(zhǎng)速率沒(méi)有繼續(xù)增大，而是發(fā)生了減小。因此，顆粒破碎使地基承載力隨相對(duì)密實(shí)度增大的趨勢(shì)變緩。

2.1.3 分層沉降

為了研究荷載對(duì)珊瑚砂地基沉降的影響范圍，以相對(duì)密實(shí)度為72%的珊瑚砂地基平板載荷試驗(yàn)為例進(jìn)行分析。圖7給出了距離承壓板中心10、20 cm位置不同深度處的土層沉降。隨著深度的增加，上部荷載對(duì)土體的影響越來(lái)越小，在30 cm深度處（3倍承壓板寬），土體沉降位移不及總沉降的2%。因此，當(dāng)土層深度超過(guò)3倍承壓板寬時(shí)，上部荷載對(duì)珊瑚砂地基沉降影響很小，這與文獻(xiàn)[18]的研究結(jié)果相似。

2.1.4 土壓力傳遞規(guī)律

在地基載荷試驗(yàn)中，上部荷載將會(huì)傳遞到下部砂土中，以相對(duì)密實(shí)度為72%的珊瑚砂地基平板載荷試驗(yàn)為例對(duì)土壓力傳遞規(guī)律進(jìn)行分析。圖8為各級(jí)荷載下距離承壓板中心0、10、20 cm位置處土壓力隨深度的分布圖。

從圖8中可以看出，在距離承壓板中心0 cm時(shí)，承壓板正下方的土壓力隨著深度增加而減小，在10～20 cm深度范圍內(nèi)，土壓力下降幅度較大，超過(guò)50%；當(dāng)深度大于30 cm時(shí)，土壓力衰減速度放緩；當(dāng)深度大于3倍承壓板寬度時(shí)，土壓力小于上部荷載的20%。這是因?yàn)樯喜亢奢d在向下傳遞的同時(shí)也會(huì)向周?chē)较騻鬟f，導(dǎo)致土壓力隨深度方向發(fā)生衰減。

在距離承壓板中心10 cm處，在10～20 cm深度范圍內(nèi)土壓力隨深度增加而增大，隨后土壓力不斷減小。這是因?yàn)槌袎喊迨艿胶奢d時(shí)，地基表面土體受到的力很小，因而土壓力較小，深度增加，顆粒間的作用力增大導(dǎo)致土壓力增大，故在20 cm深度左右達(dá)到最大值，隨后因土壓力向四周擴(kuò)散衰減而發(fā)生下降。

在距離承壓板中心20 cm處，當(dāng)荷載小于180 kPa時(shí)，土壓力隨深度增大而增大；當(dāng)荷載大于300 kPa時(shí)，土壓力隨深度先增大后減小，隨后緩慢增大。這是由于珊瑚砂顆粒孔隙及內(nèi)孔隙較多、表面較粗糙，顆粒與顆粒之間的作用力大于硅砂；當(dāng)上部荷載較小時(shí)，顆粒間的作用力大于荷載對(duì)土體產(chǎn)生的作用力，顆粒與顆粒的作用力隨深度增大而增大，因而土壓力隨深度增大而增大；當(dāng)上部荷載較大時(shí)，荷載對(duì)土體產(chǎn)生的作用力大于顆粒間的作用力，土壓力隨深度增大而減小。

由此可見(jiàn)，在各級(jí)荷載作用下，對(duì)于距離承壓板中心不同位置處的土壓力傳遞呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。

2.2 飽和狀態(tài)與水位升降下試驗(yàn)結(jié)果分析

珊瑚砂處于飽和與水位升降狀態(tài)時(shí)對(duì)珊瑚砂地基的承載特性有重要影響。

2.2.1 承載力及變形分析

圖9為珊瑚砂地基在不同含水狀態(tài)下的p-s曲線。飽和與水位升降下珊瑚砂地基的極限承載力明顯低于干燥珊瑚砂地基。飽和狀態(tài)與水位升降下珊瑚砂地基在荷載加載到約210 kPa時(shí)地基發(fā)生破壞，干燥珊瑚砂的破壞荷載約為480 kPa，飽和珊瑚砂地基破壞荷載約為干燥狀態(tài)的44%。

當(dāng)荷載相同時(shí)，飽和與水位升降下珊瑚砂地基的沉降明顯大于干燥珊瑚砂地基，與飽和狀態(tài)下相比，兩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載階段變形量較小，并且隨著荷載的增大穩(wěn)定發(fā)展，在相同荷載條件下，飽和與水位升降下珊瑚砂地基變形量明顯大于干燥珊瑚砂地基變形量。飽和與水位升降下珊瑚砂地基發(fā)生破壞后加載板下方土體的位移發(fā)生陡增，而干燥珊瑚砂地基破壞后加載板下方土體的位移發(fā)展相比飽和與水位升降下珊瑚砂地基較為緩和。地基破壞時(shí)，飽和與水位升降下珊瑚砂地基的沉降約為干燥狀態(tài)的2倍。這是因?yàn)榈鼗械乃畷?huì)對(duì)珊瑚砂顆粒之間的摩擦起到潤(rùn)滑作用，導(dǎo)致顆粒之間的咬合和嵌入作用降低，珊瑚砂骨架容易發(fā)生變形，造成力學(xué)承載性質(zhì)降低。

2.2.2 分層沉降

相同條件時(shí)荷載對(duì)飽和與水位升降下珊瑚砂地基沉降的影響規(guī)律基本相同，以飽和狀態(tài)下珊瑚砂地基為例進(jìn)行分層沉降分析。圖10為飽和與干燥狀態(tài)珊瑚砂地基在距離承壓板中心10、20 cm位置不同深度處土層沉降的對(duì)比。

距離承壓板中心10 cm時(shí)，飽和與干燥狀態(tài)下珊瑚砂地基土體位移均隨深度的增大而減小，飽和珊瑚砂地基的位移大于干燥狀態(tài)下地基位移的2倍，且飽和狀態(tài)下地基位移隨深度衰減速度大于干燥狀態(tài)。

距離承壓板中心20 cm時(shí)，隨著深度的增大，飽和珊瑚砂地基土體位移先減小后增大，而干燥狀態(tài)下珊瑚砂地基土體位移一直減小。這是因?yàn)樵陲柡蜖顟B(tài)下，水對(duì)珊瑚砂起到了潤(rùn)滑作用，導(dǎo)致顆粒之間的咬合和嵌入作用降低，承壓板正下方的土體受到荷載發(fā)生沉降時(shí)，珊瑚砂擠向周邊導(dǎo)致隆起，與土體受壓沉降引起的位移方向相反。因此，在深度小于30 cm時(shí)飽和狀態(tài)下珊瑚砂地基的位移小于干燥狀態(tài)下，隨著深度增大，這種擠壓隆起作用逐漸減弱，飽和珊瑚砂地基的位移逐漸大于干燥狀態(tài)下。與距離承壓板中心10 cm時(shí)相比，距離承壓板稍遠(yuǎn)處位于珊瑚砂滑動(dòng)面邊緣一側(cè)，導(dǎo)致周邊隆起更為顯著，因此二者沉降規(guī)律差異較大。

2.2.3 土壓力傳遞規(guī)律

飽和與水位升降下珊瑚砂地基土壓力應(yīng)為土壓力盒測(cè)得的土壓力減去同深度處孔隙水壓力。相同條件下飽和與水位升降下珊瑚砂地基土壓力傳遞規(guī)律基本相同，以相對(duì)密實(shí)度為72%的飽和珊瑚砂地基為例進(jìn)行土壓力傳遞規(guī)律分析。圖11為各級(jí)荷載下距離承壓板中心0、10、20 cm位置處土壓力隨深度的分布圖。

從圖11可以看出，在距離承壓板中心0 cm處，飽和與干燥狀態(tài)下承壓板正下方的土壓力都隨著深度增大而減小，在相同荷載、同一深度下，飽和珊瑚砂地基的土壓力小于干燥狀態(tài)下。

在距離承壓板中心10 cm處，干燥狀態(tài)下珊瑚砂地基在10～20 cm深度范圍內(nèi)土壓力隨著深度的增大而增大，隨后土壓力不斷減??；而飽和狀態(tài)下珊瑚砂地基在10～30 cm深度范圍內(nèi)土壓力隨著深度增大而增大，隨后土壓力不斷減小。這是因?yàn)槌袎喊迨艿胶奢d時(shí)，飽和與干燥狀態(tài)下珊瑚砂地基淺層附近的土體受到的力很小，且飽和珊瑚砂地基淺層附近的土體受到的力比干燥狀態(tài)小，故飽和珊瑚砂地基土壓力達(dá)到最大值的深度大于干燥珊瑚砂地基。

在距離承壓板中心20 cm處，飽和與干燥狀態(tài)下承壓板正下方的土壓力均隨深度增大而增大。這是因?yàn)槌袎喊迨艿胶奢d時(shí)，距離承壓板中心20 cm位置處淺層的珊瑚砂受到的力很小，故淺層的珊瑚砂土壓力較小，隨著深度的增大，顆粒間作用力增大，土壓力增大。

綜上，在各級(jí)荷載作用下，對(duì)于距離承壓板中心不同位置處，飽和與干燥狀態(tài)下珊瑚砂地基土壓力傳遞呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。

3 結(jié)論

1）干燥狀態(tài)下，隨著相對(duì)密實(shí)度的增大，珊瑚砂地基承載力增大，沉降減?。幌鄬?duì)密實(shí)度80%的珊瑚砂地基的相對(duì)破碎指標(biāo)是相對(duì)密實(shí)度85%的2.85倍；顆粒破碎使地基承載力增大趨勢(shì)變緩。

2）干燥狀態(tài)下，承壓板正下方的土壓力隨深度增加而減??；在距離承壓板中心大于10 cm及土層深度超過(guò)30 cm時(shí)，上部荷載對(duì)珊瑚砂地基沉降影響較小。

3）飽和狀態(tài)珊瑚砂地基的極限承載力約為干燥狀態(tài)的44%，地基破壞時(shí)的沉降約為干燥狀態(tài)的2倍；兩次水位升降對(duì)地基承載力和沉降影響較小。

4）距離承壓板中心10 cm處，不同含水狀態(tài)下珊瑚砂地基土體位移均隨深度增大而減??；距離承壓板中心20 cm處，飽和（含水位升降）狀態(tài)下珊瑚砂地基土體位移隨深度增大先減小后增大，而干燥狀態(tài)下珊瑚砂地基土體位移一直減小。不同含水狀態(tài)下珊瑚砂地基土壓力傳遞規(guī)律相似。

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（編輯 ?胡玲）