考慮級配影響的珊瑚砂最大動剪切模量試驗研究

梁珂 岳沖 周正龍 杭天柱

摘要：對不同級配的南沙島礁珊瑚砂進行共振柱試驗，測試不同孔隙比e 的珊瑚砂在20～300kPa 圍壓下的最大動剪切模量G0，分析不均勻系數Cu、平均粒徑d50和細粒含量Fc對珊瑚砂G0的影響，并建立珊瑚砂的G0 經驗模型。結果表明：珊瑚砂的孔隙比e 普遍大于陸源砂礫土；同一有效圍壓σ'0 下，珊瑚砂的G0-e 曲線隨Cu的增大而降低，隨d50的增大而升高，以Fc≈20% 為界，隨Fc的增大先降低后緩慢升高；陸源砂礫土的G0經驗模型將低估珊瑚砂的G0值；Fc對G0影響的本質是不同細粒含量的珊瑚砂具有不同的Cu和d50，Cu和d50對G0的影響隱含了Fc對G0的影響。基于Hardin 模型給出考慮Cu、d50 影響的珊瑚砂G0 預測模型，并引入修正系數A'，以考慮顆粒類型等復雜因素的綜合影響，采用不同海洋珊瑚砂的試驗數據對G0預測模型進行驗證。

關鍵詞：珊瑚砂；最大動剪切模量；共振柱試驗；級配

中圖分類號：TU441；TU411.8???? 文獻標志碼：A???? 文章編號：2096-6717（2023）06-0095-09

Small-strain shear modulus prediction model related to grain gradation of coral sand

LIANG Ke1， YUE Chong1， ZHOU Zhenglong2， HANG Tianzhu2

（1. Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of China Ministry of Education， Beijing University of Technology， Beijing 100124， P. R. China； 2.Institute of Geotechnical Engineering， Nanjing Tech University， Nanjing 210009， P. R. China）

Abstract： A series of resonant column tests were conducted on coral sand taken from the Nansha Islands， South China Sea with different grain gradations. The small-strain shear modulus G0 of the coral sands with various void ratio e with the confining stress of 20～300 kPa was obtained. The influence of coefficients of uniformity Cu， mean particle size d50， and fines content Fc on G0 of coral sand was investigated， and the G0 formulation for coral sand was established. For the constant effective confining pressure σ， the curve of G0-e moves downward as the increasing Cu， and moves upward as the increasing d50. The G0 firstly decreases and then increases as the increasing Fc， and the G0 reaches the minimum value for Fc of about 20%. The G0 prediction equations of terrigenous sandy and gravelly soils will obviously underestimate the G0 value of coral sand. The influence of Fc on G0 essentially results from the change of Cu and d50 for coral sand with various Fc. The G0 prediction equation of coral sand related to Cu and d50， which implies the influence of Fc on G0， was proposed， and the correction factor A' related to the morphology and mineralogy of the particle form of coral sands was incorporated in the proposed G0 prediction equation. The validity of the G0 prediction equation was verified by comparing the measured and predicted G0 values of coral sands from different seas.

Keywords： coral sand； small-strain shear modulus； resonant column test； grain gradation

土的動剪切模量G 是場地地震反應分析必需的參數之一，G 隨剪應變幅值γa 的增大而衰減。當γa小于10-6時，土體可視為線彈性體，該狀態的G 稱為小應變（最大）動剪切模量G0。測試G0 的室內試驗主要有共振柱試驗和彎曲元試驗。Yang 等[1]對比了彎曲元和共振柱試驗測試的G0，彎曲元測得的G0略大于共振柱試驗測得的G0，但兩者誤差不超過10%；顧曉強等[2]對比了彎曲元、共振柱和循環扭剪試驗測得的干砂的G0，發現3 種試驗測試的G0 結果具有很好的一致性。現有研究表明，砂土G0受孔隙比e 和有效圍壓σ'0 的影響較顯著。G0隨σ'0 的增加呈冪函數增長關系；同一σ'0 下，G0 隨e 的增大而減小。Hardin 模型[3-4]是經典的砂土G0預測模型。

另一類常用的砂土G0預測模型修正了Hardin模型中的孔隙比項函數表達式。

式中：A、b、c、n為與材料有關的試驗參數；Pa為大氣壓，100 kPa。

研究表明，級配曲線、顆粒形狀、礦物成分等也是砂土G0 的重要影響因素。級配特征可以通過不均勻系數Cu、平均粒徑d50 和細粒含量Fc （粒徑小于0. 075 mm 顆粒的質量百分比）等參數來表征。Menq[5]通過共振柱試驗發現，相同e 和σ'0 條件下，砂土的G0 隨d50 的增加稍有增大，隨Cu 的增加而減小。Wichtmann 等[6]試驗發現，相同e 和σ'0 條件下，石英砂的G0 隨Cu 的增大顯著減小，而d50 對G0 的影響不明顯。Yang 等[1]試驗發現，G0 隨d50 的增加略有減小。Liu 等[7]定義復合粒徑差Γcom 為砂-細粒混合物中純砂（clean sand）平均粒徑與混合物平均粒徑之差，建立了砂-細粒混合物G0 與相應的純砂G0 的比值與Γcom 的經驗模型。畢昇等[8]采用共振柱試驗研究了Fc 對南通某海域灘涂砂土動剪切模量特性的影響，發現σ'0 和e 相同時，以Fc≈10% 為界，南通灘涂砂的G0 隨Fc 的增大呈先減小后增大的趨勢。Payan 等[9]評估了4 個陸源砂的G0 模型，發現已有模型的普適性較差，其原因是未考慮顆粒形狀的影響，并給出了考慮顆粒形狀影響的G0 預測模型。Senetakis 等[10]通過對比相同級配下石英砂和火山巖砂的G0試驗結果，推斷土體的礦物成分對G0也有一定影響。

珊瑚砂是珊瑚死亡后經過長期地質作用形成的特殊巖土介質，顆粒棱角度高、形狀不規則、多孔隙、易破碎、易膠結。梁珂等[11]對南沙島礁珊瑚砂進行了應變控制分級循環三軸試驗，發現γa<1×10-4時珊瑚砂動剪切模量衰退特性與陸源砂礫土的差異顯著。Ha Giang 等[12] 采用彎曲元測試了Abu Dhabi 珊瑚砂的G0，發現珊瑚砂的G0比石英砂的大；σ'0 和e 相同時， 珊瑚砂的G0 隨Cu 的增大而減小。Morsy 等[13]對埃及的珊瑚砂進行了共振柱試驗研究，發現珊瑚砂G0- σ'0 關系的冪指數n 比石英砂的大。

現有研究大多忽略了d50對G0的影響，Fc的影響研究通常獨立于其他級配參數，且鮮有關于珊瑚砂G0特性的系統性研究。筆者針對中國南沙島礁珊瑚砂進行了一系列共振柱試驗，系統研究Cu、d50和Fc對珊瑚砂G0的影響， 并建立珊瑚砂G0經驗模型。

1 試驗材料與試驗過程

1.1 試驗珊瑚砂

珊瑚砂取自南沙群島某島礁，顏色為白色，顆粒比重Gs=2.77。物相分析結果表明，南沙島礁珊瑚砂的主要礦物成分為文石、高鎂方解石和方解石，它們的質量百分比分別為55.5%、41.5%和3.0%。如圖1所示，珊瑚砂顆粒形狀不規則，棱角度高。為研究級配對珊瑚砂G0的影響，設計了15組級配（圖2），按研究目的分成3組。CU組：珊瑚砂級配僅Cu不同（Cu=2.10～11.20），其他參數一致或接近（d50≈0.53 mm，Fc=0%），主要研究Cu對珊瑚砂G0的影響；D組：僅d50不同（d50=0.21～2.00 mm），Cu接近（Cu≈2.95），Fc一致（Fc=0%），主要研究d50對珊瑚砂G0的影響；FC組：主要為不同細粒含量的珊瑚砂-粉混合土，在級配編號為S0的純砂中分別摻入Fc=0%～40%的細粒，以研究Fc對珊瑚砂G0的影響，并用于驗證珊瑚砂G0模型。南沙珊瑚砂的具體物理性質見表1。由表1可知，隨著Fc的增大，Cu先增大后緩慢減小，當Fc≈30%時，Cu最大；d50隨Fc的增大而減小。

如圖3所示，南沙珊瑚砂的最大孔隙比emax和最小孔隙比emin均隨Cu的增大而減小；emax隨d50變化不明顯，emin隨d50的增大而緩慢增大；以Fc=30%為界，emax和emin隨Fc的增大先減小后增大。Menq[5]總結了陸源砂礫土的emax、emin平均曲線（圖3（a）），珊瑚砂的孔隙比遠大于陸源砂礫土，主要原因是：1）珊瑚砂顆粒形狀不規則且棱角度高，導致珊瑚砂的孔隙比更大[14]；2）珊瑚砂含有大量內孔隙，部分內孔隙與外界連通，成為顆粒的表面孔隙，導致珊瑚砂的孔隙比比陸源砂礫土的大。

1.2 試驗過程

試驗采用美國GCTS公司研制的TSH-100“固定-自由”型共振柱儀，如圖4所示，儀器性能指標詳見文獻[15]。固結壓力通過氣壓伺服系統控制，試樣底部固定，頂部采用全自動懸浮扭轉馬達進行激振，土樣剪應變由頂部馬達延長臂上加速度傳感器測得。保持激振荷載不變，通過掃頻激振方式確定試樣剪應變幅值最大時的共振頻率f1，動剪切模量G通過式（3）確定。

式中φ1根據式（4）計算。

φ1 tan （ φ1 ）= Iθ /It （4）

式中：ρ為試樣密度；Vs為剪切波速；h為試樣高度；Iθ為圓柱試樣繞軸線的轉動慣量；It為頂部所有參振部件的轉動慣量。

圖5為典型的共振柱掃頻激振試驗結果，不同激振頻率下試樣的應變幅值如圖5（a）所示，由此獲得相應激振剪應變γa最大時的共振頻率。共振頻率下試樣的應變時程如圖5（b）所示。

試樣直徑50 mm、高度100 mm，制樣方法參考文獻[11]。每組級配按不同初始孔隙比e0配制3～4個試樣（表1），聯合采用通CO2、通循環無氣水與施加反壓（200 kPa）3種方法進行飽和，使B值大于0.95。

由于試驗為無損測試，可對同一試樣按σ'0=20、50、100、150、200、300 kPa 的次序進行等壓固結和共振柱試驗，每級固結時間不少于30 min，并記錄試樣的體應變εv，由此計算每級固結后試樣的實際孔隙比e。每級固結完成后，均對試樣進行激振，測試小應變幅值γa （10-6量級）下的G 即為最大動剪切模量G0。

2 試驗結果及G0預測模型

2.1 試驗結果

所有53個南沙島礁珊瑚砂試樣的G0測試結果如圖6所示，圖例中試樣編號的末位數字為同一級配下e0從大到小次序的序號。表2總結了部分典型的G0經驗模型[5-6，10，12]。采用現有G0模型對南沙珊瑚砂G0值進行預測，如圖7所示。可以發現：式（2）形式的G0模型，尤其是Menq[5]模型和Senetakis等[10]模型預測結果的離散性較小；陸源砂礫土的G0模型低估了約40%的南沙珊瑚砂G0值。

基于式（2）的形式建立珊瑚砂的G0 預測模型。圖8 為相同σ'0（150 kPa）下珊瑚砂G0 與e 的關系，可以發現：1）雙對數坐標中，同一σ'0 下的G0-e 呈直線關系，其斜率即為式（2）中的參數c；2）不同級配的lg G0-lg e 曲線互相平行，說明參數c 的取值（-0. 924）與級配無關，與Payan 等[9]的結論一致；3）同一σ'0 下，珊瑚砂的G0-e 曲線隨Cu 的增大而降低（圖8（a）），隨d50 的增大而上移（圖8（b）），以Fc≈20% 為界，隨Fc 的增大先降低后稍微上移（圖8（c））。將G0按G0/e-0. 924進行規準化，如圖9 所示，在雙對數坐標中，G0/e-0. 924-σ'0/Pa 同樣呈直線關系，其斜率即為式（2）中的參數n，σ'0/Pa=1. 0 時對應的G0/e-0. 924 值即為式（2）中的參數A。不同工況下，采用式（2）擬合的參數A 和n 的最佳擬合結果見表1。

2.2 G0預測模型

通常假設Cu、d50和Fc對砂礫土G0的影響相互獨立[9]，則式（2）可改寫為

G0 = A1 （Cu ） A2 （d50 ） A3 （ Fc ） e-0.924 ?

（σ0'/Pa ） n1 （Cu ） n2 （d50 ） n3 （ Fc ） （5）

式中：A1、n1是與Cu有關的函數；A2、n2是與d50有關的函數；A3、n3是與Fc有關的函數。

CU組試樣的d50幾近相同，Fc=0%，參數A和n的變化主要由Cu的變化引起，參數A隨Cu的增大而減小，且減小的速率逐漸減慢（圖10（a））；參數n隨Cu的增大而增大，且增大速率逐漸減慢（圖10（b））。參數A1和n1的最佳擬合表達式為

D組試樣的Cu幾近相同，Fc=0%，將D組試驗結果擬合的A和n分別對A1和n1規準化，得到消除Cu影響的A2（A/A1）和n2（n/n1）。A2隨d50的增大而線性增大（圖10（c）），n2隨d50的增大而線性減小（圖10（d）），由此，參數A2、n2可表示為

A2 = 0.92 + 0.137d50 （8）

n2 = 1.02 - 0.065d50 （9）

FC組土樣的Cu和d50均隨Fc變化（表1）。同樣，FC組試驗結果擬合的A和n分別對A1×A2和n1×n2規準化，消除Cu和d50的影響，得到A3（A/A1/A2）和n3（n/n1/n2）隨Fc的變化關系。A3隨Fc的增大而略有減小（圖10（e）），n3隨Fc無明顯變化規律（圖10（f））。Fc從0%增加至40%，A3和n3的變化均不超過5%。因此，相比于Cu和d50對珊瑚砂G0的影響，Fc的影響可以忽略。Fc對珊瑚砂G0影響的根本原因是：Fc變化引起Cu和d50的改變，從而導致珊瑚砂的G0發生變化，也即，Cu和d50對G0的影響隱含了Fc對G0的影響。

現有研究表明：砂類土的G0和σ'0 的關系與顆粒類型（顆粒形狀、礦物特性）有很強的相關性[10，12，16]。引入修正系數A'，以考慮顆粒類型等未涉及因素對珊瑚砂G0的綜合影響，則珊瑚砂G0經驗模型可采用式（10）表示。

G0= A'A1 （Cu ） A2 （d50 ） e-0.924 （σ0'/Pa ） n1 （Cu ） n2 （d50 ） （ 10）

3 G0預測模型驗證

圖11（a）、（b）對比了基于CU組和D組試驗結果建立的G0預測模型的預測值和試驗值。由圖可見，預測值的相對誤差基本都不超過10%，且散點均勻地分布在45°線兩側。

在G0預測模型式（10）中，Fc的影響是隱式的，FC組的G0預測值和試驗值的對比結果如圖11（c）所示，相對誤差不超過10%，說明Fc對珊瑚砂G0的影響確實已隱含在Cu和d50對G0的影響中。

為驗證G0預測模型式（10）對不同海洋珊瑚砂的適用性，對西沙島礁珊瑚砂試樣也進行了共振柱試驗，并獲取了文獻中其他3個海洋珊瑚砂的G0試驗值[12-13，17-18]，相應的物理性質指標見表3。不同海洋珊瑚砂的emax和emin具有顯著差異，主要原因是不同海洋珊瑚砂的顆粒形狀差異較大，且其礦物成分不完全相同，如南沙珊瑚砂主要為珊瑚碎屑，顆粒多為粒狀和桿狀；而西沙珊瑚砂含有較多的貝殼碎屑，多片狀顆粒，顆粒的不規則性強于南沙珊瑚砂。如圖12（a）所示，當不考慮珊瑚砂顆粒類型影響時（A'統一取1.0），對不同海洋的珊瑚砂，G0預測模型式式（10）預測值與試驗值的散點不再均勻地分布在45°線兩側，在比例上存在一定差異，需向兩側旋轉偏移一定角度，但同類珊瑚砂的G0預測值與試驗值散點的離散程度比較小，說明式（10）可靠地揭示了級配特征對珊瑚砂G0的影響，只需對G0預測模型式（10）進行簡單修正，即可適用于不同海洋珊瑚砂的G0預測。

根據圖12（a），顆粒類型修正系數A'的取值列于表3。由圖3可知，極限孔隙比emax和emin與顆粒級配、顆粒形狀等特征具有顯著相關性。Yilmaz等[19]、Chen等[20]采用極限孔隙比作為綜合表征土體物理特征內在物理量，并用于評估飽和砂礫土的液化敏感性。筆者參考上述研究，同樣采用極限孔隙比綜合反映土體級配、形狀、礦物類別等因素，評估G0模型的系數A'，并進一步發現A'隨珊瑚砂emax和emin的增大而增大，可采用式（11）估算。

根據式（11）估算A'，式（10）計算的不同海洋珊瑚砂G0預測值與試驗值的對比如圖12（b）所示，除個別數據點外，G0預測模型式（10）對不同類型珊瑚砂G0的預測誤差小于20%，且散點也均勻地分布在45°線兩側。對于G0的預測，這樣的誤差在工程實踐中是可以接受的。這表明G0預測模型式（10）具有較好的普適性。

4 結論

通過15 組不同級配的南沙珊瑚砂的共振柱試驗，研究了孔隙比e、平均有效圍壓σ'0、不均勻系數Cu、平均粒徑d50 和細粒含量Fc 對最大動剪切模量G0的影響，主要結論如下：

1）陸源砂礫土的G0 經驗模型低估了約40% 的珊瑚砂G0值。

2）同一σ'0 下，珊瑚砂的G0-e 曲線隨Cu 的增大而降低，隨d50 的增大而升高，以Fc≈20% 為界，隨Fc的增大先減小后稍微增大。

3）Fc對G0影響的本質是不同Fc的珊瑚砂具有不同的Cu和d50，Cu和d50對G0的影響隱含Fc對珊瑚砂G0的影響。基于Hardin模型，提出了與Cu、d50相關的珊瑚砂G0預測模型。

4）引入與emax和emin有關的修正系數A'，以考慮G0預測模型建模過程中未涉及的顆粒類型等復雜因素的綜合影響。采用南沙、西沙及文獻中其他3類的珊瑚砂對模型進行驗證，結果表明，G0預測模型適用于不同海洋的各類珊瑚砂。

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