不同含水和密实状态下珊瑚砂地基承载特性试验研究.pdf
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1、第 45 卷第 5 期2023 年 10 月Vol.45 No.5Oct.2023土 木 与 环 境 工 程 学 报(中 英 文)Journal of Civil and Environmental Engineering不同含水和密实状态下珊瑚砂地基承载特性试验研究郭毓熙1,章懿涛1,2,方祥位1,姚志华3,胡丰慧1,申春妮4(1.重庆大学 土木工程学院,重庆 400045;2.江西铜业股份有限公司贵溪冶炼厂,江西 贵溪 335424;3.空军工程大学 机场建筑工程系,西安 710038;4.重庆科技学院 建筑工程学院,重庆 401331)摘要:珊瑚砂工程性质特殊,研究珊瑚砂地基的承载特性对
2、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
3、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。关键词:珊瑚砂地基;承载特性;颗粒破碎;土压力传递规律;水位升降;模型试验中图分类号:TU441 文献标志码:A 文章编号:2096-6717(2023)05-0049-09Experimental study on bearing characteristics of coral sand foundation under different water content states and relative compactnessesGUO Yuxi1,ZHANG Yitao1,2,FANG Xiangwei1,YAO Zhihu
4、a3,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 o
5、f 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 rela
6、tive compactness and water DOI:10.11835/j.issn.2096-6717.2022.139收稿日期:20220822基金项目:国家自然科学基金(51978103);重庆英才计划优秀科学家项目(cstc2021ycjh-bgzxm0051);重庆英才计划优秀科学家项目(cstc2021ycjh-bgzxm0051);基础加强计划技术领域基金(2019-JCJQ-JJ-082)作者简介:郭毓熙(1996-),男,主要从事岩土微生物技术及应用研究,E-mail:。方祥位(通信作者),男,博士,教授,博士生导师,E-mail:。Received:20220822
7、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 inter
8、ests:geotechnical microbiology technology and application,E-mail:.FANG Xiangwei(corresponding author),PhD,professor,doctorial supervisor,E-mail:.开放科学(资源服务)标识码OSID:第 45 卷土 木 与 环 境 工 程 学 报(中 英 文)content state on the bearing deformation characteristics,particle breakage,layered settlement and the patte
9、rn 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 variation
10、s.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 be
11、low 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
12、 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
13、.Keywords:coral sand foundation;bearing characteristics;particle breakage;the law of earth pressure transmission;water level variation;model test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期1-2。珊瑚岛礁作为海洋权益维护的立足点和海洋资源开发的平台,对海洋开发、科学研究及经济发展具有重要意义3。珊瑚岛礁主要由珊瑚砂构成,珊瑚砂工程力学特性和珊瑚砂地基承载特性研究已成为岩
14、土领域研究的热点。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砂4-5。珊瑚砂发育于热带海洋环境中,特殊的物质组成、结构和形成环境使其物理力学及工程性质同陆相沉积物相比具有显著的差异。由于珊瑚砂在沉积周期中并未发生长途搬运,使得生物骨架中的一些孔隙得以保留,故而形成的砂颗粒孔隙及内孔隙较多、磨圆程度低,在外力作用下易发生破碎6-8。Coop 等9基于压缩试验研究发现,在压力较大的情况下,颗粒的破碎对珊瑚砂压缩性影响较大,珊瑚砂的压缩特性受碳酸钙含量、沉积年代及其所处的水文地质条件等影响。Allman 等10对
15、不同胶结物含量的珊瑚砂开展三轴试验发现,珊瑚砂的内聚力和剪切峰值强度随珊瑚砂胶结物含量的增大而增大。Datta 等11对印度西海岸的 4 种珊瑚砂进行了低围压和高围压两种情况下的三轴试验研究,结果表明,珊瑚砂的破碎程度会随着颗粒内孔隙的增加、粒径的增大、剪应力的施加、围压的增大及颗粒棱角的增多而加深。Dutt等12发现,与现场实测数据相比,常规三轴试验测得的珊瑚砂摩擦角偏高,而等体积直接单剪试验所得到的摩擦角偏小,但总体处于现场实测数据范围内。中国学者对珊瑚砂研究起步较晚,但近 40年来随着南沙群岛综合科学考察的全面展开,珊瑚礁工程地质和珊瑚砂特性进入系统研究阶段,并取得了丰硕成果。汪稔等13
16、编著了 南沙群岛珊瑚礁工程地质,是中国第一部论述区域性珊瑚礁工程地质及其物理力学性质的专著。孙宗勋4综述了珊瑚砂的压缩性、破碎性、剪切特性和强度特性,指出颗粒破碎是影响珊瑚砂变形和强度特性的主要因素。张梅英等14、张家铭等15、纪文栋等16研究了压缩和剪切下珊瑚砂颗粒破碎情况及其对力学特性的影响。张小燕等17研究了蠕变试验过程中珊瑚砂颗粒破碎情况。在珊瑚砂地基承载特性方面,王新志等18进行了室内载荷试验,确定了不同密实度钙质砂的承载力及变形特性;李洋洋等19通过平板载荷试验研究了承压板尺寸和密实度对珊瑚砂承载特性的影响;沈扬等20通过自制平板载荷室内模型装置量化研究珊瑚砂密实度、级配及载荷板的
17、形状、尺寸对珊瑚砂地基承载力的影响,并对比了珊瑚砂与石英砂承载力的差异性。但这些研究以干砂为主,较少考虑饱和珊瑚砂和水位升降的影响,且模型试验中没有考虑颗粒破碎的影响。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。1模型试验概况1.1珊瑚砂平板载荷模型试验用珊瑚砂取自南海某岛礁,经过 5 mm 筛得到试验用砂20,根据 土工试验方
18、法标准(GB/T 501232019)21相关规定,对试验所用珊瑚砂进行了土粒比重和颗粒分析等试验,为模型试验奠定基础。珊瑚砂各项基本物性参数如表 1所示,珊瑚砂颗粒级配曲线如图 1所示。1.2模型箱及数据测量采集系统模 型 箱 尺 寸 为 1.0 m1.0 m1.0 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 m0.6 m1.0 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
19、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。1.3试验方案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
20、压板为 10 cm10 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,其计算公式为21Dr=emax-eemax-emin(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
21、的平板载荷对比试验。试验方案见表 2。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 12 倍以上时,尺寸效应影响较小,可不考虑尺寸效应22。荷载板尺寸为10 cm10 cm,而模型箱尺寸为60 cm,因此,可不考虑尺寸效应。1.4试验流程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
22、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所示。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,保持与珊瑚砂地表 1珊瑚砂基本物性参数Table 1The basic physical property parameters of coral sand图 1颗粒级配曲线Fig.1Particle size distribution curve表 2
23、试验方案Table 2Experimental scheme50第 5 期郭毓熙,等:不同含水和密实状态下珊瑚砂地基承载特性试验研究经过 5 mm 筛得到试验用砂20,根据 土工试验方法标准(GB/T 501232019)21相关规定,对试验所用珊瑚砂进行了土粒比重和颗粒分析等试验,为模型试验奠定基础。珊瑚砂各项基本物性参数如表 1所示,珊瑚砂颗粒级配曲线如图 1所示。1.2模型箱及数据测量采集系统模 型 箱 尺 寸 为 1.0 m1.0 m1.0 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 m0.6 m1.0 m 的区域用于珊瑚砂地基平板载荷模型试验。
24、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,
25、共 72个通道,可同时采集应力和应变。1.3试验方案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 cm10 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,其计算公式为21Dr=emax-eemax-emin(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
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