马尔代夫维拉纳国际机场改扩建工程是由北京城建集团承担的“一带一路”沿线首个落地工程, 工程建设包括采用珊瑚砂填海造地, 解决机场岛的土地短缺问题, 新填海面积约为75万m²;在新吹填珊瑚砂陆域采用直立式钢板桩或斜坡式块石护岸;对于新吹填陆域上新建机场跑道及联络道的区域进行地基处理, 以便满足地基承载力及变形要求;新建机场跑道工程中采用珊瑚砂作为基层材料, 以解决当地碎石材料采购困难的问题。上述工程建设均与吹填珊瑚砂的岩土工程特性相关。

我国对钙质土工程性质的研究始于20世纪70年代中期, 开展研究的机构主要有海军和中国科学院。出于国防的需要, 海军在珊瑚砂/钙质土地基上需要修建各种营房、码头、仓库等设施, 为此对南海诸岛钙质土的工程力学性质进行了一些研究, 主要集中于珊瑚混凝土特性试验、钢板桩设计与施工以及浅基础设计参数的选定等工程应用方面。中国科学院武汉岩土力学研究所汪稔等^[1]负责了“八·五”“九·五”珊瑚礁工程地质攻关课题。刘崇权等^[2]发现我国南海珊瑚砂的压缩特性类似于正常固结黏土, 但其压缩指数偏高, 而膨胀线k值很低, 压缩过程中几乎均为塑性变形。刘汉文^[3]、贺迎喜等^[4]对珊瑚礁碎屑沉积物做地基回填料进行了试验研究, 发现珊瑚礁砂是良好的地基回填材料, 并对现场施工工艺进行了分析。吕布隆^[5]对国内外钙质砂的若干物理力学特性如颗粒成分、相对密度、级配、不均匀系数、最大最小干密度、有效内摩擦角等参数进行了初步的归纳整理。

综上所述, 国内外与珊瑚砂相关的工程资料较少, 特别是我国南海珊瑚砂的工程数据大部分处于保密状态。

本文依托马尔代夫维拉纳国际机场改扩建工程, 对印度洋吹填珊瑚砂进行了系统的室内试验和原位测试, 对其物理特性、击实特性、渗透特性、剪切特性、压缩特性、颗粒破碎等岩土工程特性进行了试验测定, 为工程设计和施工质量控制提供了详细的基础数据。

工程区域内不同位置珊瑚砂的颗粒组成存在较大差别, 珊瑚砂并非均匀材料, 图1为2个试验区域内代表性珊瑚砂试样的颗粒级配曲线。珊瑚砂受不同吹填条件及沉积环境的影响, 会沉积形成不同颗粒级配的珊瑚砂地层, 不同颗粒级配的珊瑚砂其物理力学性质也会有较大差别。有些珊瑚砂含有粒径较大的珊瑚碎石、珊瑚枝, 颗粒级配分布不均匀。

对现场采集的珊瑚砂进行微观拍照及X射线检测, 珊瑚砂微观照片如图2a, 2b所示, 珊瑚砂X射线检测成果如图2c, 2d所示。珊瑚砂主要由风化的海洋生物 (珊瑚、海藻、贝壳) 的碎块 (片) 组成, 微观照片和X射线检测结果表明其颗粒特性表现为颗粒棱角度高、形状不规则、表面粗糙、布满孔隙等;颗粒间具有点接触、线接触、架空、咬合、镶嵌等多种接触关系, 为单粒支撑结构。

采用全自动三轴仪对相对密度分别为0.50, 0.63, 0.98的珊瑚砂试样进行三轴固结排水剪切试验, 图3为初始相对密实度D_r=0.98的试样在4种不同围压下的三轴固结排水剪切试验结果。由图3可知, 随着围压增大, 试样的剪应力峰值不断增加;随着轴向应变增加, 剪应力先不断增加, 达到峰值后开始逐渐减小并稳定, 应力应变关系表现为应变软化。当试样密度一定时, 随着围压的增大其软化现象越不显著, 剪应力峰值越大, 且达到剪应力峰值时所产生的轴向应变越大。相应的试样体积先不断减小, 至某一值后发生剪胀。

根据试验结果整理得到的珊瑚砂“南水双屈服面模型”^[6]计算参数如表1所示。

进行6种P₅含量 (P₅指试样中粒径>5mm土样所占质量的百分比) 的珊瑚砂试样原位大型直剪试验, 结果如表2所示, 珊瑚砂咬合力达10～100kPa, 内摩擦角为39°～59°, 表明珊瑚砂颗粒间具有强咬合。

规律

研究了试样相对密度分别为0.75, 0.85, 0.95的珊瑚砂试样, 在三轴剪切试验前后颗粒粒径分布变化的影响, 如图4所示, 发现不同围压下各粒径分布曲线变化趋势基本一致, 试验过程中的颗粒破碎程度随相对密度的增大而增大。

在相同密度、不同围压作用下进行三轴剪切试验, 研究围压对珊瑚砂三轴剪切试验前后颗粒粒径分布变化的影响, 如图5所示, 试样前后粒径变化主要集中在0.5～2mm, 各试样的粒径分布曲线的变化趋势基本一致, 试验过程中的颗粒破碎随围压的增大而增大。

采用场地内珊瑚砂重塑样进行侧限压缩试验, 得到2种干密度条件下的压缩曲线, 如图6所示, 发现其侧限压缩e-lgp曲线类似于固结黏土, 在高应力区域向下弯曲。

图7比较了石英砂与珊瑚砂压缩曲线, 可以看出石英砂在被压缩初期发生较大的变形, 以较快的速度达到稳定状态, 而珊瑚砂初期沉降小, 但是会随时间发生缓慢的长期沉降。

图8为场地区域典型珊瑚砂的击实试验曲线, 由图可知珊瑚砂没有最大干密度及最优含水率, 所以无法通过常规的击实试验来确定珊瑚砂的最大干密度, 进而也无法确定珊瑚砂的压实度。

采用试坑法进行渗水试验, 针对研究区域内新吹填珊瑚砂地层及长有植被的较早吹填的珊瑚砂地层分别进行渗透系数试验, 结果如表3所示, 发现珊瑚砂地层渗透系数普遍较大, 渗透系数的大小与其自身孔隙有关, 经过压密的地层渗透系数会降低, 新近吹填珊瑚砂的渗透系数会随其自然固结沉降密实而降低。

在吹填珊瑚砂陆域试验区浅层进行平板静载荷试验, 结果如表4所示。珊瑚砂地基承载力和变形模量普遍较大, 水位以下珊瑚砂的试验指标稍低于水位以上, 表明地下水对珊瑚砂的力学性能存在一定影响。

在吹填珊瑚砂陆域浅层试验区进行地基反应模量试验, 结果如表5所示, 由于水位以下珊瑚砂自身性质较差, 现有试验方法无法取得地下水位以下珊瑚砂的地基反应模量指标。

本文系统测定和整理了珊瑚砂的物理特性、击实特性、渗透特性、剪切特性、压缩特性、颗粒破碎等物理力学特性和试验参数, 得到如下结论。

1) 吹填珊瑚砂含有粒径较大的珊瑚碎石、珊瑚枝, 颗粒级配分布不均匀。

2) 珊瑚砂颗粒特性表现为颗粒棱角度高、形状不规则、表面粗糙、布满孔隙等;颗粒间具有点接触、线接触、架空、咬合、镶嵌等多种接触关系, 为单粒支撑结构。

3) 通过不同初始干密度、围压条件下珊瑚砂三轴固结排水剪切试验得到相应的珊瑚砂“南水双屈服面模型”本构参数。

4) 揭示了三轴剪切条件下珊瑚砂相对破碎随初始孔隙比、应力的变化规律。

5) 原位大型直剪试验测定了珊瑚砂的强度参数, 表明珊瑚砂存在10～100kPa的咬合力, 内摩擦角为39°～59°, 这可能是由于珊瑚砂颗粒间的强咬合而产生的。

6) 对比石英砂与珊瑚砂压缩曲线, 石英砂在被压缩初期发生较大变形, 以较快速度达到稳定状态;而珊瑚砂初期沉降小, 但会随时间发生缓慢的长期沉降变形。

7) 珊瑚砂没有最大干密度及最优含水率, 在地基处理等工程中不能简单用珊瑚砂的压实度指标进行质量控制。

8) 珊瑚砂地层渗透系数普遍较大, 渗透系数的大小与其自身孔隙有关, 经过压密, 地层渗透系数会降低。

9) 平板载荷试验表明, 珊瑚砂地基承载力和变形模量普遍较大, 水位以下珊瑚砂的试验指标稍低于水位以上, 表明地下水对珊瑚砂的力学性能存在一定影响。

10) 由于水位以下珊瑚砂自身性质较差, 现有试验方法无法取得地下水位以下珊瑚砂的地基反应模量指标。