摘 要

珊瑚礁砂作为一种特殊的地基填筑材料，其主要成分为碳酸钙，基本特性是结构疏松、压实难、压缩性低、承载力较好，实际的工程也鲜有报道。为了对珊瑚礁砂的开挖支护工程特性进行更加深入的研究，采取了珊瑚礁砂室内土工实验的方法，例如直接剪切实验，含水率测试和自然休止角测定。进而获取珊瑚礁砂的抗剪强度指标等物理力学参数，分析珊瑚礁砂咬合嵌固效应对其开挖稳定性的影响。

开展边坡开挖模型实验，实际测量出边坡开挖的最大角度。针对实际的边坡开挖模型，使用Geostudio软件对边坡开挖稳定性进行数值模拟分析。将珊瑚礁砂边坡开挖模型实验结果利用数值模型结果进行反演。通过理论分析，得出实际边坡稳定性与geostudio软件中的数值模拟直接的关系。

通过强度折减法，利用Geostudio软件对实际边坡工程进行数值模拟，得出实际工程中边坡设计计算参数。

关键词：珊瑚礁砂；直接剪切实验；自然休止角；含水率；抗剪强度；数值模拟分析；边坡开挖。

Abstract

As a special foundation filling material, coral reef sand is mainly composed of calcium carbonate, which is characterized by loose structure, difficult compaction, low compressibility, good bearing capacity and few practical projects. In order to study the excavation and support engineering characteristics of coral reef sand more deeply, the methods of indoor geotechnical experiment of coral reef sand were adopted, such as direct shear test, moisture content test and natural angle of repose measurement. Then the physical and mechanical parameters such as shear strength index of coral reef sand are obtained, and the influence of the occlusal effect of coral reef sand on its excavation stability is analyzed.

The model experiment of slope excavation is carried out, and the maximum angle of slope excavation is measured in practice. According to the actual slope excavation model, the stability of slope excavation is simulated and analyzed by using Geostudio software. The experimental results of coral reef sand slope excavation model are inversed by numerical model results. Through theoretical analysis, the direct relationship between practical slope stability and numerical simulation in Geostudio software is obtained.

Through the strength reduction method, the Geostudio software is used to simulate the actual slope engineering, and the design parameters of the slope in actual engineering are obtained.

Key Words: Coral reef sand; direct shear test; moisture content; natural angle of repose; numerical simulation analysis; slope excavatio

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究的背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 国内外研究水平分析 3

1.4 研究的方法 3

第2章 实验方案 5

2.1 实验材料 5

2.2 实验设备 6

2.3 实验过程 8

2.3.1 最大干密度 8

2.3.2 自然休止角 9

2.3.3 直接剪切强度 10

2.4 室内土工试验结果分析 14

第3章 钙质砂边坡模拟实验 16

3.1 实验内容 16

3.2 边坡开挖实验数据记录 16

3.3 边坡开挖状态分析 22

3.4 模型实验结果分析 24

第4章 数值模拟分析 25

4.1 数值模拟方案 25

4.1.1 数值模拟内容 25

4.1.2 数值模拟方法 25

4.1.3 数值分析模型 25

4.2 数值模拟结果 29

第5章 礁砂边坡工程设计 31

5.1 设计目的 31

5.2 基本工程地质参数 31

5.3 边坡开挖设计 31

5.3.1 一阶开挖设计 31

5.3.2 二阶开挖设计 33

5.4 设计结论 35

第6章 结论和展望 36

参考文献 38

结束语与致谢 40

第1章 绪论

1.1 研究的背景和意义

党在十八大报告中提出“海洋强国战略”，提高我国针对于现有海域的海洋能源开发能力，发展我国海洋经济，坚决维护海洋权益，建设海洋强国。为了响应党的号召，我们就需要对海洋岛礁进行彻底的研究。

吹填造岛，是利用大功率的泥浆泵将珊瑚礁礁坪和泻湖中的珊瑚礁砂和礁石泵送到礁坪上，在水流走后，剩下的珊瑚礁砂和礁石就形成了人工岛^[1]。吹填珊瑚礁砂形成人工岛这种工程在我国案例不多，所以我们在此还是缺乏很多的工程经验。其中组成人工岛的砂，主要是以钙质砂为主。钙质砂和一般的陆地上的砂不同，它主要是由海洋的生物的残骸，贝壳等沉积形成，属于化学沉积岩。它的工程地质特性有，结构疏松，压实难，压缩性低，承载力较好等^[2]。现在所用的工程规范主要是以陆地上的砂土为主，而针对钙质砂的工程规范还在归纳探索中。如果盲目地采用陆地上砂土规范，很可能导致施工事故，施工过于繁重等情况。正确的认识工程特性、合理地进行地基处理和工程设计能很好的避免这些情况。

综上所述，围绕我国对于海洋资源开发的需求，对珊瑚礁砂进行基本的物理力学研究有利于增加大家对珊瑚礁砂的了解。进行珊瑚岛礁吹填层状地基基坑无支护开挖技术的研究对于吹填人工岛的基坑工程开挖设计有着重要意义。

1.2 国内外研究现状

绝大部分的珊瑚礁的形成过程都是经历了漫长的年代，其中微生物在此扮演了很重要的角色。珊瑚礁的土颗粒具有以下的几种特点：多孔隙（含有内孔隙）、形状不规则、易破碎以及颗粒易胶结等^[3]，主要形成的原因是在珊瑚礁的形成过程中，其原有的生物骨架中的细小孔隙等均被保留了下来，所以珊瑚礁也是生物化学沉积岩的一种。由于珊瑚礁这种独特的性质，所以，珊瑚礁地基是属于特殊地基，处理的难度较大。在20世纪80年代后期，国内开始着手于珊瑚礁工程地质特性的研究，其中主要研究的对象是南沙，西沙的珊瑚礁岛，以国外海岛作为研究对象的很少^[4]。

经过国内外学者多年的研究和探索，针对钙质砂这一方面的研究，我们取得了重要进展。通过实验研究，对于钙质砂的基本物理力学性质，我们己经比较了解。综合国内外科研专家的研究成果，钙质砂具有以下特征：多孔、疏松以及无粘性。钙质砂同时含有内孔隙和外孔隙两种。通过科研人员的研究表明，钙质砂的内孔隙占其全部孔隙的10%，然而钙质砂的孔隙比在0.54-2.97之间，这个孔隙比比石英砂高出许多^[5]。钙质砂颗粒棱角度高、磨圆度差、具有不规则形状，这是因为海水的冲刷和搬运。

在1980年到1990年，大约10年的时间内，国外的土木工程方向的科研人员开始把目光聚焦在钙质砂上。许许多多的科研人员对钙质砂的研究做出了不可磨灭的贡献。其中，对钙质砂的压缩性、抗剪强度这两个方面做了比较系统的研究的科研人员就是Coop^[6-8]。他将钙质砂和正常的固结粘土进行对比，发现两者的压缩变形十分相似，均以塑性变形为主。钙质砂由于颗粒破碎导致钙质砂具有高压缩性，而且影响其固结的特征主要有三个重要因素：碳酸盐含量、胶结状况、沉积年代。在进行钙质砂的排水剪切实验时，可以发现其有趋向一个定体积、定差应力方向发展的趋势，这与粘土类似。Fahey^[9]针对于钙质砂在高围压下和低围压下的剪切性状的特征进行了大量的研究。研究结果表明，在高围压和低围压这两种不同条件下，钙质砂的剪切性状会有明显不同。Data、Knight、Morrison等人将目光聚焦在钙质砂的动力学性质上，并且对此做了初步的研究。然而在最近几年，越来越少的人对钙质砂进行了研究，所有在这方面的研究成果较少。伊朗科技大学Habib Shahnazari^[10]等人在波斯湾取样钙质土，并对其进行了研究。他们在建立了钙质土的偏应力预测模型的时候利用了遗传算法程序，并将模型结果和三轴试验的实验结果相互验证。西澳大利亚大学Yinghui Tian^[11]等学者将海底管线和钙质砂之间的摩擦效应通过离心机模型试验模拟进行了初步的模拟，在这两者之间建立了相互作用模型。国外对于钙质砂的关注点很早，而且发展快，在1980年到1990年达到鼎盛时期。通过国外专家学者的研究，我们逐渐对钙质砂有了更加明确地认识，钙质砂的组成成分主要是碳酸钙，具有：孔隙比大（含内孔隙）、容易破碎、颗粒容易胶结、形状不规则。这一系列的特性表明钙质砂和一般的陆地上和海底的沉积物相比，有着不一样的工程力学性质。

自从我们国内研究人员开始对钙质砂展开研究以来，许多岩土工程方向的专家和教授们做了大量相关工作，取得了颇多的研究成果。刘崇权^[12-14]主要对南沙的钙质砂物理力学性质做了十分详细的研究。他通过使用扫描电镜获得了钙质砂四种典型的颗粒形状照片，并且十分详细地描述了它们的形态特征，同时对于在钙质砂中使用桩基进行了试验和深入探讨。这一系列的研究成果使大家对钙质砂的力学性质和桩基承载性状有了初步认识。陈海洋^[15-17]主要是对钙质砂颗粒断面进行了实验研究，获得了完整的钙质砂内孔隙照片。他结合实验结果对钙质砂内部的内孔隙进行了定量分析，从而，他对钙质砂的微观结构以及宏观性质这两种之间的关系有了初步的研究结果。

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