孫蘭寧 魏海濤

（1.中國(guó)民航工程咨詢有限公司，北京 101318；2.中航勘察設(shè)計(jì)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(guò)漫長(zhǎng)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(guò)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(jī)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(duì)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(guò)長(zhǎng)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(qiáng)度高等特性[4]，對(duì)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(guó)機(jī)場(chǎng)吹填珊瑚砂地基工程，分析對(duì)比珊瑚砂地基壓實(shí)技術(shù)，為類似項(xiàng)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?bào)w海相沉積形成，在沉積過(guò)程中未經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離搬運(yùn)，顆粒之間相互碰撞少，珊瑚蟲骨架中的細(xì)微孔隙基本沒(méi)有破壞，造成珊瑚砂具有多孔隙結(jié)構(gòu)?？障督Y(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(diǎn)[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(cè)定，珊瑚砂壓實(shí)控制標(biāo)準(zhǔn)采用現(xiàn)場(chǎng)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(guò)長(zhǎng)距離運(yùn)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(duì)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(duì)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(qiáng)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(guò)某一定值時(shí)，珊瑚砂顆粒破碎將劇烈增加，但其不再影響珊瑚砂強(qiáng)度特征，并且對(duì)珊瑚砂殘余抗剪強(qiáng)度影響不大，各種實(shí)驗(yàn)條件下的殘余強(qiáng)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(jí)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?gòu)椥宰冃?；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(guò)某一值時(shí)，顆粒破碎將對(duì)珊瑚砂壓縮性起控制作用[9]。

1.5 易起動(dòng)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(duì)較小，因此相對(duì)于石英砂在水動(dòng)力作用下更易起動(dòng)。珊瑚砂的起動(dòng)流速較小，水深20 cm 時(shí)的起動(dòng)流速和起動(dòng)波高分別為34 cm/s 和5.9 cm；水深60 cm 時(shí)的起動(dòng)流速和起動(dòng)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(dòng)力作用下的易起動(dòng)特性，使珊瑚砂地基對(duì)動(dòng)力環(huán)境或動(dòng)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(guò)量破碎珊瑚砂，并保持珊瑚砂穩(wěn)定，以免引起珊瑚砂流動(dòng)。

2 工程實(shí)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(guò)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(guó)機(jī)場(chǎng)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(qiáng)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(chǎng)區(qū)地勢(shì)低平，珊瑚砂地層透水性好、儲(chǔ)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(jī)場(chǎng)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，填方地基要求均勻、密實(shí)，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(qiáng)夯法、振沖法、沖擊碾壓、振動(dòng)碾壓等。結(jié)合上述珊瑚砂特性，對(duì)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(qiáng)夯法

強(qiáng)夯沖擊力對(duì)地層進(jìn)行壓縮的同時(shí)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(dòng)，孔隙不易填實(shí)。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(qiáng)夯作用下珊瑚砂進(jìn)行重新排列密實(shí)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(qiáng)夯法不宜適用。

（2）振沖法

在強(qiáng)大的沖擊水壓作用下，必然引起細(xì)顆粒珊瑚砂的流動(dòng)，然后在海水動(dòng)力作用下再次回流填充，因此密實(shí)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(guò)程中必然對(duì)珊瑚砂接觸部位造成破壞。采用振沖法造價(jià)較高、施工慢，因此適用性不強(qiáng)。

（3）沖擊碾壓

沖擊能主要來(lái)自碾壓輪的動(dòng)能和勢(shì)能，在其作用下壓實(shí)地基，沖擊實(shí)力相對(duì)較小，不會(huì)造成珊瑚砂過(guò)多破碎，可以對(duì)地層進(jìn)行密實(shí)處理。但密實(shí)處理的持久性相對(duì)較弱。其影響深度及處理效果需通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。

（4）振動(dòng)碾壓

在振動(dòng)壓路機(jī)作用下，珊瑚砂位置相互移動(dòng)、相互填充、密實(shí)，并且碾壓機(jī)速度相對(duì)較慢，對(duì)珊瑚砂地層可以給予相對(duì)持久的振動(dòng)力，便于振動(dòng)力往深部傳遞，并且對(duì)顆粒破碎影響較小。其影響深度及處理效果需通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。

一是積極實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度,率先出臺(tái)實(shí)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(shí)施方案》《廣東省實(shí)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(diǎn)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(shí)施方案和考核辦法。

通過(guò)上述比選分析，對(duì)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(dòng)碾壓。

3.2 碾壓方案小區(qū)試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證沖擊碾壓和振動(dòng)碾壓的實(shí)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(duì)比試驗(yàn)，其中沖擊碾壓區(qū)長(zhǎng)度100m、寬度25 m，振動(dòng)碾壓區(qū)長(zhǎng)度50 m、寬度25 m。具體碾壓方案見表3。

表3 試驗(yàn)?zāi)雺悍桨?/p>

碾壓前后分別進(jìn)行重型動(dòng)力觸探，通過(guò)錘擊數(shù)變化表征兩種碾壓方式的優(yōu)劣。振動(dòng)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(dòng)碾壓區(qū)重型動(dòng)力觸探錘擊數(shù)-深度曲線

圖4 沖擊碾壓區(qū)重型動(dòng)力觸探錘擊數(shù)-深度曲線

分析圖3、圖4 重型動(dòng)力觸探數(shù)據(jù)可知：

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

（3）26 t 振動(dòng)壓路機(jī)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(jī)有效影響深度約2.0 m。

試驗(yàn)中于振動(dòng)碾壓區(qū)表層設(shè)置2 個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，振動(dòng)碾壓次數(shù)與表層累計(jì)沉降關(guān)系見圖5。

圖5 振動(dòng)碾壓區(qū)表層累計(jì)沉降-碾壓遍數(shù)曲線

分析圖5 數(shù)據(jù)可知：

（1）振動(dòng)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(gè)觀測(cè)點(diǎn)的表層沉降量有差異，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)

現(xiàn)場(chǎng)兩種碾壓方式完成后，對(duì)碾壓表層土基反應(yīng)模量、加州承載比以及現(xiàn)場(chǎng)最大干密度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)和相關(guān)規(guī)范要求。

4 壓實(shí)工藝的確定及處理效果

為滿足機(jī)場(chǎng)跑道設(shè)計(jì)要求，通過(guò)前述碾壓試驗(yàn)及沉降計(jì)算分析，最終確定采用振動(dòng)碾壓工藝對(duì)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(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)碾壓12 遍（來(lái)回算一遍），碾壓速度2～4 km/h，高頻震動(dòng)。最后4 遍表層進(jìn)行沉降觀測(cè)，每2 遍觀測(cè)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(jī)補(bǔ)強(qiáng)。

工程目前已完工近3 年，道面結(jié)構(gòu)完好，機(jī)場(chǎng)運(yùn)行平穩(wěn)。地基未出現(xiàn)過(guò)大沉降或差異沉降，滿足工程設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)碾壓和沖擊碾壓兩種地基處理工藝。

（2）現(xiàn)場(chǎng)分區(qū)對(duì)比試驗(yàn)表明，采用振動(dòng)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(chǎng)試驗(yàn)，確定了珊瑚砂地基振動(dòng)碾壓施工工藝及參數(shù)。

（3）采用振動(dòng)碾壓法對(duì)該機(jī)場(chǎng)跑道珊瑚砂地基進(jìn)行處理，處理后的地基檢測(cè)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，竣工后的項(xiàng)目運(yùn)行狀況良好。