1、第 44 卷第 3 期 岩 土 力 学 Vol.44 No.3 2023 年 3 月 Rock and Soil Mechanics Mar.2023 收稿日期：2022-04-15 录用日期：2022-07-23 基金项目：国家自然科学基金项目（No.51979087）。This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(51979087).第一作者简介：沈扬，男，1980 年生，博士，教授，博士生导师，主要从事土体静动力学特性和本构理论的研究。E-mail: DOI：10.16285/j.r
2、sm.2022.0528 分级加卸载下南海珊瑚泥一维固结长期分级加卸载下南海珊瑚泥一维固结长期 变形变形试验及模型研究试验及模型研究 沈 扬，邓 珏，翁 禾，阳 龙（河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210098）摘摘 要：要：南海珊瑚泥是珊瑚群体死后的骨胳、碎屑聚积形成的海洋岩土体钙质软泥，具有特殊的工程性状，研究其在荷载作用下与时间相关的长期非线性变形对吹填岛礁建设和长期稳定分析具有重要意义。对珊瑚泥进行了 3 组不同加卸载方案的一维固结压缩试验，通过改变加载时间与加卸载循环圈数探究应力历史对其长期变形性质的影响，并针对珊瑚泥在加卸载试验条件下呈现出的瞬时变形、延时
3、衰减与延时稳定变形 3 阶段规律，采用改进的 Burgers 模型拟合不同竖向应力作用下的-t（应变时间）曲线，具有较高拟合精度。同时分析模型参数后发现，随着分级加载时间提高，瞬时应变增量及其增长率下降，最终荷载下的延时衰减时间缩短，延时稳定应变速率及最终荷载下的总应变增量减小。同一加卸载循环圈数中，同竖向应力下卸载阶段的瞬时应变增量小于加载阶段。随着加卸载循环圈数的增加，加、卸载各阶段瞬时应变增量均减小且二者相近，延时衰减时间缩短，延时稳定应变速率及最终荷载下的总应变增量减小。研究了分级加载时间与加卸载循环圈数对珊瑚泥长期变形性质的影响，旨在为岛礁建设中的堆载预压方案提供理论依据。关关 键键
4、 词：词：南海珊瑚泥；分级加卸载；长期非线性变形；改进 Burgers 模型；模型参数 中图分类号中图分类号：TU411 文献标识码：文献标识码：A 文章编号：文章编号：10007598(2023)03068512 Long-term deformation test and model study of one-dimensional consolidation of South China Sea coral mud under graded loading and unloading SHEN Yang,DENG Jue,WENG He,YANG Long(Key Laboratory
5、of Geomechanics and Embankment Engineering of Ministry of Education,Hohai University,Nanjing,Jiangsu 210098,China)Abstract:South China Sea coral mud is a calcareous ooze of marine rock and soil formed by the accumulation of bones and debris after the death of coral groups,which has special engineeri
6、ng properties.It is significant to investigate its time dependent long-term nonlinear deformation under load for the construction and long-term stability analysis of dredger fill islands and reefs.Three groups of one-dimensional consolidation compression tests of coral mud with different loading and
7、 unloading schemes were carried out,and the influence of stress history on its long-term deformation properties was explored by changing the loading time and loading-unloading loops.According to the three-stage law of coral muds instantaneous deformation,delayed attenuation deformation and delayed s
8、table deformation under loading and unloading test conditions,the improved Burgers model was used to fit-t curves under different vertical stresses,which has high fitting accuracy.Meanwhile,after analyzing the model parameters,it was found that the instantaneous strain increment and its growth rate
9、decrease with the increase of graded loading time,the duration of delayed attenuation under the final load decreases,and the delayed stable strain rate and the total strain increment under the final load decrease.In the same loading-unloading loops,the instantaneous strain increment in the unloading
10、 stage is smaller than that in the loading stage under the same vertical stresses.With the increase of loading-unloading loops,the instantaneous strain increment in each stage of loading and unloading decreases and is close to each other,the duration of delayed attenuation deformation,the delayed st
11、able strain rate and total strain increment under the final load decrease.The effects of graded loading time and loading and unloading cycles on the long-term deformation properties of coral mud were studied to provide theoretical basis for surcharge preloading scheme in island reef construction.Key
12、words:South China Sea coral mud;graded loading and unloading;long-term nonlinear deformation;improved Burgers model;model parameters 686 岩 土 力 学 2023 年 1 引 言 近年来，国家正推进“一带一路”倡议下 21世纪海上丝绸之路的建设，在南海珊瑚岛礁展开大规模吹填工程1。作为地基主要吹填材料的南海珊瑚泥是珊瑚群体死亡后的碎屑聚积，经过漫长地质作用形成的海洋岩土体，在地基相关问题的研究中，其在上部荷载作用下的变形类似于一维条件下的双面排水固结变形。南海
13、珊瑚泥具有易破碎、孔隙比高、内摩擦角高、压缩性高等特点，工程性状特殊，与常规陆源土有较大区别2-3，研究其在荷载作用下长期非线性变形对吹填岛礁建设与长期稳定分析具有重要意义。大部分土，特别是软土在恒定竖向应力下表现出与时间相关的非线性变形特征4。在研究这种长期非线性变形的过程中，通常存在两种假设：假设A 与假设 B。二者均认为长期非线性变形可分为两部分，即孔隙水应力消散引发的变形以及与之无关、仅与时间有关的变形，它们的区别在于假设 A 认为仅与时间相关的变形只发生在孔压消散阶段后（如Mesri5-7、Ladd8等），而假设 B 认为仅与时间相关的变形存在于整个变形过程（如 Bjerrum9、G
14、raham10、Yin4,11-14等）。基于假设 B，国内外学者提出了较多理论。Bjerrum9提出可估计延时变形的时间线模型，引入了瞬时压缩线、时间线等概念；Graham 等10在 Bjerrum9的基础上采用等效时间概念导出与时间相关的应力应变性状的弹黏塑性模型；殷建华等4进一步发展等效时间概念，提出一维变形条件下的弹黏塑性模型；Feng 等15在殷建华等4的基础上对香港海洋沉积土进行加卸载固结试验，提出考虑加载压缩与卸荷回弹特性的非线性弹黏塑性方程；胡惠华等16采用双曲线函数拟合洞庭湖砂纹淤泥土的应变应力等时曲线；王元战等17基于一维固结应力应变等时曲线建立滨海软土的黏弹塑性模型。在模
15、型发展过程中，亦有学者采用元件模型进行分析。元件模型由基本元件并联、串联组合而成，通常在室内试验基础上通过组合不同元件来模拟土体变形的实际物理性质。Taylor 等18采用 Kelvin 模型描述黏弹性变形；殷德顺等19根据分数阶微积分理论推出软体元件及其本构方程；刘忠玉等20引入分数导数的弹壶元件修正 Kelvin 模型，描述饱和黏土的一维本构关系；刘清秉等21采用 Burgers 模型模拟瞬时与延时变形过程；陈晓平等22将非线性弹簧代替 Merchant 模型的线性弹簧，并串联 Kelvin 体建立三单元非线性弹黏性模型。以上模型研究在描述土体加载阶段长期变形特性时已取得较好成效，但在卸载
16、阶段的应用尚不广泛，而这又恰是考虑实际工程中的堆载预压加卸载方案时不容忽视的重要方面。因此，本文通过不同加卸载方案的一维固结试验，研究了珊瑚泥在加、卸载阶段的长期变形性质，根据应变时间曲线特征，采用改进的 Burgers 模型拟合，确定模型参数，并基于其物理意义分析了分级加载时间与循环加卸载圈数对珊瑚泥一维固结长期变形的影响，以期为堆载预压方案提供依据。2 试验材料及试验仪器 2.1 试验材料试验材料 本文一维固结压缩试验所用的南海珊瑚泥取自我国南海地区，在吹填施工过程中，由于颗粒分选作用，会形成钙质粉土夹层。南海珊瑚泥的碳酸钙含量高达 90%以上23，颜色呈白色至淡黄色，基本物理力学性质指标如表 1 所示。表表 1 南海珊瑚泥基本物理力学性质指标南海珊瑚泥基本物理力学性质指标 Table 1 Basic physical and mechanical properties of South China Sea coral mud 相对密度 Gs 液限 L/%塑限 p/%含水率/%2.77 33.8 23.0 45.5 图 1 为电镜扫描（scanning electron micro
