粗粒珊瑚礁回填料地基加固處理與工程性能分析

馮波，黃俊文，陳平山，余東華

粗粒珊瑚礁回填料地基加固處理與工程性能分析

馮波1，黃俊文1，陳平山1，余東華2

（1.中交交通基礎(chǔ)工程環(huán)保與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中交四航工程研究院有限公司，廣東廣州510230；2.中交四航局第五工程有限公司，福建福州350003）

以蘇丹新港集裝箱碼頭后方堆場地基處理工程為背景，設(shè)立了珊瑚礁回填料地基加固試驗(yàn)區(qū)，通過現(xiàn)場壓實(shí)度、CBR、回彈模量與載荷試驗(yàn)，對比了振動碾壓、快速強(qiáng)夯（夯擊能500 kJ與1 000 kJ）與普通強(qiáng)夯（夯擊能3 000 kJ）4種加固方式的加固效果，分析了不同加固方法加固后珊瑚礁回填料地基工程性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，粗粒珊瑚礁回填料工程性能與碎石土相當(dāng)，加固后的壓實(shí)度、CBR、回彈模量與地基承載力特征值均有不同程度提高。

珊瑚礁；回填料；地基加固；工程性能

0　引言

20世紀(jì)60年代中期，在中東阿拉伯灣石油開采過程中，首次遇到由生物成因的珊瑚礁鈣質(zhì)土引起的工程問題，但并未意識到珊瑚礁鈣質(zhì)土的高碳酸鈣含量會帶來不良影響。隨后在澳大利亞、菲律賓、巴西等國的海洋石油平臺建設(shè)過程中，珊瑚礁巖土引起了一系列工程問題，并造成重大損失，這才引起了人們的關(guān)注，繼而對珊瑚礁巖土的力學(xué)特性和工程特性進(jìn)行了研究[1-2]。

我國于20世紀(jì)70年代末也開始遇到珊瑚礁巖土問題，為此對珊瑚礁巖土的工程力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了一些研究，主要集中于珊瑚混凝土特性試驗(yàn)、鋼板樁設(shè)計與施工以及淺基礎(chǔ)設(shè)計參數(shù)的選定等工程應(yīng)用方面，在施工中積累了一定經(jīng)驗(yàn)[3-5]。直到20世紀(jì)80年代中開始的“七·五”、“八·五”科學(xué)考察中，才開始將珊瑚礁巖土作為一種具有特殊工程力學(xué)性質(zhì)的對象來研究。中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所負(fù)責(zé)了“八·五”、“九·五”珊瑚礁工程地質(zhì)攻關(guān)課題，分別在珊瑚礁巖土基本物理力學(xué)性質(zhì)、動力學(xué)特性、顆粒破碎特性以及地基與基礎(chǔ)工程等方面開展了全面系統(tǒng)的研究，取得了豐碩的成果[6]。

珊瑚礁回填料（吹填料）作為一種特殊的巖土介質(zhì)類型，有著獨(dú)特的工程環(huán)境特性和工程地質(zhì)特性。目前，對珊瑚礁回填料地基加固的研究在國內(nèi)少有報道，對加固后工程力學(xué)特征及地基性能尚在進(jìn)一步探討之中。本文以蘇丹新港集裝箱碼頭后方堆場地基處理工程為背景，通過現(xiàn)場試驗(yàn)對比了粗粒珊瑚礁回填料不同地基加固方式處理效果，可為珊瑚礁回填料工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1　工程背景

蘇丹港新集裝箱碼頭后方堆場項(xiàng)目位于蘇丹北部的紅海沿岸。堆場地基處理總面積64 817 m2。場區(qū)地表以下3.5 m左右為珊瑚礁回填料，其下由第四紀(jì)全新世新近風(fēng)積和海相沉積形成的砂土和更新世海相沉積形成的珊瑚礁巖、珊瑚狀碎屑巖及珊瑚狀灰?guī)r互層組成。

珊瑚礁回填料典型顆分曲線見圖1，擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見圖2。由試驗(yàn)結(jié)果可知，珊瑚礁回填料中巨粒含量約為6%，礫粒含量約為46%，砂粒含量約為33%，按照GB/T 50145—2007《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》，應(yīng)歸類為粗粒土。珊瑚礁回填料最佳含水量為11.0%～13.8%，對應(yīng)的最大干密度為1.966～2.047 g/cm3。

圖1　珊瑚礁回填料典型顆分曲線Fig.1 Typical grain size curve of coral reef backfill

圖2　珊瑚礁回填料擊實(shí)試驗(yàn)Fig.2 Compaction test of coral reef backfill

2　地基處理工藝

根據(jù)吹填料厚度，現(xiàn)場采取了振動碾壓、快速強(qiáng)夯（夯擊能500 kJ和1 000 kJ）、普通強(qiáng)夯（夯擊能3 000 kJ）3種加固方式。其中3 000 kJ強(qiáng)夯區(qū)用履帶吊加強(qiáng)夯門架夯實(shí)，1 000 kJ強(qiáng)夯區(qū)選用履帶吊加強(qiáng)夯門架及RIC高速夯實(shí)機(jī)夯實(shí)（圖3），每點(diǎn)夯擊數(shù)10擊，夯點(diǎn)間距3 m，三遍點(diǎn)夯。500 kJ普夯選用快速夯實(shí)機(jī)夯實(shí)。

圖3　快速夯實(shí)機(jī)施工Fig.3 Rapid compactor construction

高速夯實(shí)機(jī)工作是通過裝載機(jī)或者挖掘機(jī)提供液壓動力提升沖擊錘，將夯錘提升至一定高度后釋放，沖擊錘芯重量3~9 t，落高1.2 m，沖擊次數(shù)約40次/min，夯錘在重力和液壓蓄能器的共同作用下加速下落，擊打帶緩沖墊的夯板，通過夯板夯擊地面，夯實(shí)深度一般可達(dá)到4~5 m，最大可達(dá)10m。本項(xiàng)目采用RIC9配合卡特345B挖掘機(jī)進(jìn)行，每夯擊起重高度1.2 m，夯錘直徑1.2 m，每夯遍夯點(diǎn)間距為2.4 m，分3夯遍施工，夯點(diǎn)采用梅花狀形式。RIC9高速夯實(shí)機(jī)因?yàn)閱吸c(diǎn)施工必須連續(xù)作業(yè)，目前仍沒有相關(guān)收錘標(biāo)準(zhǔn)，在現(xiàn)場施工控制時以單點(diǎn)夯擊施工完后再增加10夯擊，以此10擊夯沉量不大于50 mm為準(zhǔn)則，同時夯坑周圍地面不發(fā)生過大隆起，不因夯坑過深而發(fā)生起錘困難。

振動區(qū)采用20 t重型振動壓路機(jī)。碾壓遍數(shù)由典型施工確定，靜壓1遍，振動碾壓6遍，碾壓時由兩側(cè)開始向中心縱向碾壓，按照初壓、復(fù)壓、終壓（各兩遍）三步驟進(jìn)行。碾壓速度控制在2~3 km/h，不得超過4 km/h。碾壓時必須保持振動碾的振動功能均衡，通常控制在中到大油門，保證振動頻率和振幅，從而保證壓實(shí)效果。

3　工程性能對比分析

3.1壓實(shí)度對比分析

壓實(shí)度采用灌水法檢測。振動碾壓、500 kJ強(qiáng)夯、1 000 kJ強(qiáng)夯、3 000 kJ強(qiáng)夯加固后，珊瑚礁填料壓實(shí)度分別達(dá)到94.9%、95.9%、97.1%、99.2%，經(jīng)振動碾壓處理后，珊瑚礁回填料壓實(shí)度滿足一般工程使用要求。

3.2CBR值對比分析

CBR試驗(yàn)在我國主要應(yīng)用于公路工程，港口航運(yùn)中的研究與應(yīng)用較少，還未納入到港口行業(yè)中的相關(guān)規(guī)程，因此其取值標(biāo)準(zhǔn)也未定。CBR值現(xiàn)場檢測統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1　CBR值統(tǒng)計結(jié)果Table 1 Statistical result of CBR values

由表1可知，經(jīng)振動碾壓后，貫入量分別為2.5 mm與5mm時，粗粒珊瑚礁回填料CBR值可達(dá)26.1%與33.1%，遠(yuǎn)大于一般工程使用要求。振動碾壓與500 kJ強(qiáng)夯后的CBR值接近，經(jīng)1 000 kJ與3 000 kJ強(qiáng)夯后，CBR值分別提高約2倍與3倍。

3.3回彈模量對比分析

回彈模量測試方法為承載板測試儀，搭配2臺彎沉儀使用。在堆場區(qū)、開山區(qū)與碼頭前沿3個不同區(qū)域開展了加固前后對比測試（表2），其中堆場區(qū)與開山區(qū)采用3 000 kJ強(qiáng)夯加固，碼頭前沿區(qū)采用振動碾壓加固。

表2　加固前后回彈模量對比Table 2 Resilient modulus contrast before and after reinforcement

由表2回彈模量測試結(jié)果，可見強(qiáng)夯與振動碾壓加固后回彈模量顯著提高。

3.4地基承載力對比分析

地基承載力采用平板載荷試驗(yàn)確定。在振動碾壓與強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)（500 kJ、1 000 kJ、3 000 kJ）4個試驗(yàn)區(qū)加固前、后共進(jìn)行了8個點(diǎn)位平板載荷試驗(yàn)，載荷板尺寸為0.5 m×0.5 m，荷載分級為100 kPa。圖4為測試結(jié)果曲線。

圖4　平板載荷試驗(yàn)p-s曲線Fig.4 p-s curves of plate load test

變形模量采用式（1）計算。式中：E0為變形模量，MPa；I0為剛性承壓板的形狀系數(shù)，方形承壓板取0.886；P為承壓板上的總荷載，kPa；s為與荷載P相對應(yīng)的沉降量，mm；d為承壓板的邊長，0.50 m；μ為泊松比，按碎石土取值0.27。

受現(xiàn)場加載能力限制，試驗(yàn)最大荷載為4 000 kPa。地基未加固時，承載力特征值取比例界限對

應(yīng)的荷載值，加固后的地基取沉降量為承壓板邊長的0.01倍對應(yīng)的荷載，加固前后地基承載力特征值見表3。

表3　加固前后地基承載力特征值Table 3 Foundation bearing capacity values before and after reinforcement

由表3可知，振動碾壓、500 kJ強(qiáng)夯、1 000 kJ強(qiáng)夯與3 000 kJ強(qiáng)夯加固后地基承載力特征值與加固前相比，分別提高約2.5倍、3.0倍、3.5倍與5倍。可見粗粒珊瑚礁回填料經(jīng)振動碾壓或小能級強(qiáng)夯后，地基承載力提高明顯，與碎石土相當(dāng)，可滿足一般工程要求。

4　結(jié)語

本研究以紅海地區(qū)珊瑚礁回填料地基加固處理工程項(xiàng)目為依托，在蘇丹新港設(shè)立珊瑚礁回填料地基加固試驗(yàn)區(qū)，分別是振動碾壓區(qū)及夯擊能為500 kJ、1 000 kJ、3 000 kJ 4個試驗(yàn)加固區(qū)，通過現(xiàn)場檢測獲取地基土加固前后相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)而分析不同加固方法對珊瑚礁回填料的加固效果，可見粗粒珊瑚礁回填料經(jīng)振動碾壓或小能級強(qiáng)夯后，地基承載力提高明顯，與碎石土相當(dāng)，滿足一般工程使用要求。

[1]NAUROY JF，LETIRANT P.Driven pile and drilled and grouted piles in calcareoussands[C]//The17stAnnualOffshore Technology Conference.Houston,1985:83-91.

[2]DUTT R N，DOYLE E H，NANDLAL S.Frictional characteristics of calcareous sands from offshore Florida[C]//The 18st Annual Offshore Technology Conference.Houston,1986:589-600.

[3]許寧.淺談珊瑚礁巖土的工程地質(zhì)特性[J].巖土工程學(xué)報，1989 （4）：81-88. XU Ning.Discussion of engineering geological properties of reef soils[J].Chinese Journal ofGeotechnical Engineering,1989(4):81-88.

[4]楊志強(qiáng)，趙威，宋朝景.鈣質(zhì)土層的工程地質(zhì)調(diào)查[J].巖土力學(xué)，1994，15（4）：53-60. YANG Zhi-qiang，ZHAOWei，SONG Chao-jing.Geotechnical investigation in calcareoussoils[J].Rock and SoilMechanics,1994, 15(4):53-60.

[5]吳京平，褚瑤，樓志剛.顆粒破碎對鈣質(zhì)砂變形及強(qiáng)度特性的影響[J].巖土工程學(xué)報，1997，19（5）：49-55. WU Jing-ping,CHU Yao,LOU Zhi-gang.Influence of particle breakage on deformation and strength properties of calcareous sands[J].Chinese JournalofGeotechnical Engineering,1997,19(5): 49-55.

[6]劉崇權(quán)，楊志強(qiáng)，汪稔.鈣質(zhì)土力學(xué)性質(zhì)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].巖土力學(xué)，1995，16（4）：74-83. LIU Chong-quan,YANG Zhi-qiang,WANG Ren.The present condition and development in studies ofmechanical properties of calcareous soils[J].Rock and SoilMechanics,1995,16(4):74-83.

Ground reinforcement treatment and engineering characteristics of coarse grained coral reefs backfill

FENGBo1,HUANG Jun-wen1,CHENPing-shan1,YUDong-hua2
（1.Key Laboratory ofEnvironmental Protection and Security of Transportation Infrastructure ProjectsofCCCC,CCCCFourth Harbor Engineering Institute Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510230,China;2.No.5 Eng.Co.,Ltd.of CCCCFourth Harbor Engineering Co.,Ltd.,Fuzhou,Fujian 350003,China）

Based on the engineering background of foundation treatmentworks of Sudan Port container yard,we established a field trial area for verification of coral reefs backfill foundation treatmentapproaches.Through the in-situ compaction degree, CBR,resilient modulus and plate load tests,we compared the reinforcement effects of vibration rolling,rapid compaction (compaction energy 500 kJ and 1 000 kJ)and general compaction(compaction energy 3 000 kJ),and analyzed the engineering characteristics of coral reefs backfill after the different reinforcement methods.The results show that the engineering properties of reinforced coarse coral reef backfill are similar to gravel soils,and the characteristic values of reinforced compaction degree,CBR,resilientmodulusand foundation bearing capacity have increased atdifferentextents.

coral-reefs;backfill;foundation reinforcement;engineering properties

U655.544.4；TU472.31；TU431

A

2095-7874（2016）04-0006-03

10.7640/zggw js201604002

2015-11-18

2015-12-25

中國博士后科學(xué)基金（2014M562179）

馮波（1982—），男，安徽六安市人，博士，高級工程師，主要從事地質(zhì)工程、隧道與地下工程、巖土工程研究方面的工作。E-mail：bo.feng@foxmail.com