吹填珊瑚砂地基處理技術(shù)比較分析

孫蘭寧 魏海濤

（1.中國民航工程咨詢有限公司，北京 101318；2.中航勘察設(shè)計研究院有限公司，北京 100098）

0 引言

珊瑚砂是造礁珊瑚死后殘骸經(jīng)過漫長的地質(zhì)作用形成的一種以碳酸鹽為主要礦物成分的特殊巖土介質(zhì)，其碳酸鈣含量普遍超過97%，主要分布于30°N—30°S 緯度區(qū)間的熱帶或亞熱帶氣候的大陸架和海岸線一帶。珊瑚砂因其特殊的物質(zhì)組成和形成機制，使其與常規(guī)的陸源砂介質(zhì)存在較大差別。根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，珊瑚砂具有多孔隙、易破碎、壓縮性大等工程特性[1—3]。對于新近吹填的珊瑚砂地基，由于吹填工藝造成不同區(qū)域珊瑚砂粒徑分布不均，厚度不同，且未經(jīng)過長期的潮汐作用和固結(jié)，易產(chǎn)生不均勻沉降，往往不能滿足上部建（構(gòu)）筑物沉降要求，因此需要采取相應(yīng)的地基處理措施。

珊瑚砂具有不規(guī)則、內(nèi)摩擦角大、殘余強度高等特性[4]，對于南北回歸線之間需要進(jìn)行吹填造陸地區(qū)，珊瑚砂可就地取材，是一種良好的吹填料。結(jié)合印度洋某島國機場吹填珊瑚砂地基工程，分析對比珊瑚砂地基壓實技術(shù)，為類似項目提供借鑒。

1 珊瑚砂特性

1.1 多孔隙性

珊瑚砂主要為珊瑚殘體海相沉積形成，在沉積過程中未經(jīng)過長距離搬運，顆粒之間相互碰撞少，珊瑚蟲骨架中的細(xì)微孔隙基本沒有破壞，造成珊瑚砂具有多孔隙結(jié)構(gòu)。空隙結(jié)構(gòu)既包含生物骨架中的內(nèi)部微孔隙，又包括顆粒表面孔隙，其孔隙比約為0.54～2.97，甚至枝狀珊瑚砂為中空，比常規(guī)石英砂孔隙比范圍高出較多，所以珊瑚砂有壓縮性大、剪脹率低等特點[5]。

珊瑚砂內(nèi)孔隙約占全部孔隙的10%左右，內(nèi)孔隙的大量存在導(dǎo)致珊瑚砂最大干密度和最優(yōu)含水率不易測定，珊瑚砂壓實控制標(biāo)準(zhǔn)采用現(xiàn)場最大干密度指標(biāo)更為合理。

1.2 不規(guī)則性

珊瑚砂是由多孔珊瑚礁經(jīng)破碎風(fēng)化而成，并且未經(jīng)過長距離運輸，磨圓度差，形狀各異，棱角分明且表面孔隙較多。珊瑚砂顆粒形狀對其工程性質(zhì)具有直接影響。粒徑2 mm 以下的顆粒形狀有塊狀、紡錘狀、片狀和枝狀，并以塊狀和紡錘狀為主，占90%以上，片狀和枝狀相對較少[6]。

珊瑚砂的不規(guī)則性一方面增加了珊瑚砂地基孔隙比，另一方面當(dāng)受外力作用，顆粒棱角相互咬合，其接觸部位更易斷裂、破碎，從而影響宏觀力學(xué)性質(zhì)。

1.3 破碎性

珊瑚砂的多孔結(jié)構(gòu)及鈣質(zhì)礦物成分，造成珊瑚砂容易破碎。珊瑚砂主要礦物成分為方解石（碳酸鈣），其含量高達(dá)97%，方解石硬度僅為3，且具有三組完全解理，而石英硬度為7，因此珊瑚砂比石英砂強度小，更易破碎。

珊瑚砂力學(xué)性能在低圍壓條件下，主要受顆粒形狀影響；高圍壓條件下，主要受顆粒破碎影響。當(dāng)圍壓超過某一定值時，珊瑚砂顆粒破碎將劇烈增加，但其不再影響珊瑚砂強度特征，并且對珊瑚砂殘余抗剪強度影響不大，各種實驗條件下的殘余強度內(nèi)摩擦角約為33°[7—8]。

1.4 顯著壓縮性

珊瑚砂壓縮性，比相同級配、密度下的石英砂壓縮性高。珊瑚砂的壓縮變形主要由四部分組成：①彈性變形；②顆粒重新排列；③顆粒破碎；④膠結(jié)體分離。珊瑚砂后兩部分變形主要是伴隨珊瑚砂破碎、膠結(jié)顆粒壓縮而發(fā)生，因此珊瑚砂比石英砂的壓縮和蠕變更顯著。珊瑚砂壓縮變形主要是塑性變形，并且當(dāng)壓力超過某一值時，顆粒破碎將對珊瑚砂壓縮性起控制作用[9]。

1.5 易起動性

珊瑚砂顆粒比重較大，干密度較小，孔隙率大并且水下休止角相對較小，因此相對于石英砂在水動力作用下更易起動。珊瑚砂的起動流速較小，水深20 cm 時的起動流速和起動波高分別為34 cm/s 和5.9 cm；水深60 cm 時的起動流速和起動波高分別為40.8 cm/s 和13.2 cm，均低于同樣粒徑的石英砂[10]。珊瑚砂在水動力作用下的易起動特性，使珊瑚砂地基對動力環(huán)境或動力處理作用響應(yīng)更為敏感。

珊瑚砂特殊的工程特性，決定了珊瑚砂地基的處理工藝。工藝的選擇應(yīng)避免過量破碎珊瑚砂，并保持珊瑚砂穩(wěn)定，以免引起珊瑚砂流動。

2 工程實例

2.1 工程概述

吹填珊瑚砂造島，是指沉積在珊瑚島礁斜坡和瀉湖內(nèi)的礁石、珊瑚砂，通過絞吸船泵送至島礁礁坪上，在瀉流后堆積成出露海平面一定高度的人工島。

印度洋某島國機場跑道一部分位于原有陸域區(qū)域，一部分位于海域吹填區(qū)域（見圖1）。海域吹填深度約0～10.0 m，其中吹填深度小于6.0 m 為淺吹填區(qū)域，大于6.0 m 為深吹填區(qū)域。

2.2 地質(zhì)條件

地層主要分為三層：①吹填珊瑚砂地層，灰白色，濕—飽和，松散，含珊瑚枝丫及珊瑚碎石，且由于吹填工藝，吹填地層不均勻，力學(xué)性質(zhì)差異大；②珊瑚砂地層，灰白色，局部為淺黃色，飽和，稍密—中密，含珊瑚枝丫及珊瑚塊碎石，塊碎石含量約10%，粒徑約10～15 cm；③礁灰?guī)r層，灰白色，局部淺黃色，骨架多為0.5～1.0 cm 及少量2 cm 珊瑚礫石組成，間夾貝殼屑及不規(guī)則放射狀方解石結(jié)晶珊瑚灰?guī)r；顆粒間隙發(fā)育，多晶狀方解石膠結(jié)，屬弱膠結(jié)；巖芯表面粗糙，成蜂窩狀，巖質(zhì)輕，錘擊強度較高。典型地質(zhì)剖面見圖2，地層力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 地層力學(xué)性質(zhì)

圖2 典型地質(zhì)剖面圖

場區(qū)地勢低平，珊瑚砂地層透水性好、儲水條件極差，地下水位較高，位于吹填頂面以下0.4～1.5 m，地下水與海水聯(lián)通，水位隨潮位變化，變化幅度0.5～1.0 m。

該吹填珊瑚砂地層較松散，且均勻性很差，不宜直接作為天然地基使用，需進(jìn)行地基處理。

2.3 地基處理要求

根據(jù)民用機場相關(guān)設(shè)計規(guī)范，填方地基要求均勻、密實，并達(dá)到表2 具體標(biāo)準(zhǔn)。

表2 地基處理標(biāo)準(zhǔn)

3 地基處理方案比選

常用吹填粗顆粒地基處理工藝有強夯法、振沖法、沖擊碾壓、振動碾壓等。結(jié)合上述珊瑚砂特性，對該跑道地基處理方式分析比選。

3.1 地基處理方案適用性初判

（1）強夯法

強夯沖擊力對地層進(jìn)行壓縮的同時必然引起超孔隙水壓力，在超孔隙水壓力作用下，細(xì)顆粒珊瑚砂易在大孔隙中流動，孔隙不易填實。且夯錘夯擊作用下，珊瑚砂很容易破碎，并且粗顆粒含量越多，粒徑越大，越容易破碎。強夯作用下珊瑚砂進(jìn)行重新排列密實后，表層的大顆粒在繼續(xù)夯擊下首先破碎，進(jìn)而引起下層珊瑚砂破碎。因此強夯法不宜適用。

（2）振沖法

在強大的沖擊水壓作用下，必然引起細(xì)顆粒珊瑚砂的流動，然后在海水動力作用下再次回流填充，因此密實效果未必明顯。珊瑚砂顆粒形狀不規(guī)則，且相互咬合，振沖器下沉過程中必然對珊瑚砂接觸部位造成破壞。采用振沖法造價較高、施工慢，因此適用性不強。

（3）沖擊碾壓

沖擊能主要來自碾壓輪的動能和勢能，在其作用下壓實地基，沖擊實力相對較小，不會造成珊瑚砂過多破碎，可以對地層進(jìn)行密實處理。但密實處理的持久性相對較弱。其影響深度及處理效果需通過試驗驗證。

（4）振動碾壓

在振動壓路機作用下，珊瑚砂位置相互移動、相互填充、密實，并且碾壓機速度相對較慢，對珊瑚砂地層可以給予相對持久的振動力，便于振動力往深部傳遞，并且對顆粒破碎影響較小。其影響深度及處理效果需通過試驗驗證。

一是積極實行最嚴(yán)格水資源管理制度,率先出臺實施方案和考核辦法。廣東省政府分別于2011年年底和2012年年初印發(fā)了 《廣東省最嚴(yán)格水資源管理制度實施方案》《廣東省實行最嚴(yán)格水資源管理制度考核暫行辦法》,明確了“三條紅線”控制目標(biāo)，制定了相應(yīng)的目標(biāo)任務(wù)和各年度重點任務(wù)。目前全省所有地市政府均制定了本市的最嚴(yán)格水資源管理制度實施方案和考核辦法。

通過上述比選分析，對于該吹填珊瑚砂地層，適用的地基處理方式為沖擊碾壓和振動碾壓。

3.2 碾壓方案小區(qū)試驗

為進(jìn)一步驗證沖擊碾壓和振動碾壓的實際處理效果，選取吹填深度小于6.0 m 區(qū)域進(jìn)行碾壓對比試驗，其中沖擊碾壓區(qū)長度100m、寬度25 m，振動碾壓區(qū)長度50 m、寬度25 m。具體碾壓方案見表3。

表3 試驗?zāi)雺悍桨?/p>

碾壓前后分別進(jìn)行重型動力觸探，通過錘擊數(shù)變化表征兩種碾壓方式的優(yōu)劣。振動碾壓26 遍后，錘擊數(shù)變化見圖3；沖擊碾壓30 遍后，錘擊數(shù)變化見圖4。

圖3 振動碾壓區(qū)重型動力觸探錘擊數(shù)-深度曲線

圖4 沖擊碾壓區(qū)重型動力觸探錘擊數(shù)-深度曲線

分析圖3、圖4 重型動力觸探數(shù)據(jù)可知：

（1）動力觸探數(shù)據(jù)具有高離散性。該現(xiàn)象由吹填工藝造成不同粒徑珊瑚砂分布不均勻或錘擊擊中大直徑珊瑚碎石所致。

（2）振動碾壓效果優(yōu)于沖擊碾壓。沖擊碾壓速度快，為瞬時沖壓荷載，不利于沖擊能量深部傳遞；而振動碾壓速度慢，振動頻率高，有利于振動能量持久往深部傳遞。

（3）26 t 振動壓路機有效影響深度約4.0 m，且表層2.0 m 提高明顯，25 kJ 沖壓機有效影響深度約2.0 m。

試驗中于振動碾壓區(qū)表層設(shè)置2 個沉降觀測點，振動碾壓次數(shù)與表層累計沉降關(guān)系見圖5。

圖5 振動碾壓區(qū)表層累計沉降-碾壓遍數(shù)曲線

分析圖5 數(shù)據(jù)可知：

（1）振動碾壓前期沉降較大，碾壓10 遍后，沉降變化逐步減小，趨于穩(wěn)定。

（2）兩個觀測點的表層沉降量有差異，根據(jù)現(xiàn)場探坑觀察，沉降量小的位置大粒徑珊瑚碎石含量高，表明吹填工藝造成了地層不均勻。

3.3 其他檢測

現(xiàn)場兩種碾壓方式完成后，對碾壓表層土基反應(yīng)模量、加州承載比以及現(xiàn)場最大干密度進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果均滿足設(shè)計和相關(guān)規(guī)范要求。

4 壓實工藝的確定及處理效果

為滿足機場跑道設(shè)計要求，通過前述碾壓試驗及沉降計算分析，最終確定采用振動碾壓工藝對吹填珊瑚砂地層厚度小于6.0 m 區(qū)域進(jìn)行地基處理，其具體施工工藝如下：

碾壓前進(jìn)行灑水處理，水量以表層出現(xiàn)淺層積水為準(zhǔn)，間歇20 分鐘后進(jìn)行碾壓，每碾壓2 遍灑水一次。采用26 t 振動壓路機振動碾壓12 遍（來回算一遍），碾壓速度2～4 km/h，高頻震動。最后4 遍表層進(jìn)行沉降觀測，每2 遍觀測一次，將每次沉降增量不大于1.0 cm 作為終止碾壓標(biāo)準(zhǔn)，若未達(dá)到，繼續(xù)碾壓或采用高噸位碾壓機補強。

工程目前已完工近3 年，道面結(jié)構(gòu)完好，機場運行平穩(wěn)。地基未出現(xiàn)過大沉降或差異沉降，滿足工程設(shè)計需要。

5 結(jié)論

（1）珊瑚砂具有多孔性、不規(guī)則性、破碎性、顯著壓縮性及易起動性等特殊工程特性。綜合考慮珊瑚砂工程特性與地基處理工藝原理，經(jīng)適用性比選分析，初步確定振動碾壓和沖擊碾壓兩種地基處理工藝。

（2）現(xiàn)場分區(qū)對比試驗表明，采用振動碾壓處理珊瑚砂地基，影響深度與處理效果明顯優(yōu)于沖擊碾壓。根據(jù)現(xiàn)場試驗，確定了珊瑚砂地基振動碾壓施工工藝及參數(shù)。

（3）采用振動碾壓法對該機場跑道珊瑚砂地基進(jìn)行處理，處理后的地基檢測結(jié)果滿足設(shè)計要求，竣工后的項目運行狀況良好。