珊瑚砂土颗粒具有多孔隙、形状不规则、颗粒易胶结等特性, 其工程力学性质与一般陆相、海相沉积物相比有较明显差异。已有研究表明, 珊瑚砂地基承载力较高、抗剪切强度指标较高, 是工程性能良好的地基填料。但是同时, 珊瑚砂颗粒易破碎、单粒支撑结构需要重组等细观特性, 又使得其在高应力条件下会发生较大变形。研究还表明珊瑚砂在固定压力条件下, 会在较长时间内持续产生长期的沉降变形, 会对建造在珊瑚砂地基上的工程产生不利影响。

J.F.Nauroy等^[1]提出钙质砂的压缩由4部分组成: (1) 土体弹性变形; (2) 颗粒重排列; (3) 颗粒破碎; (4) 胶结体分离。 (1) , (2) 在普通颗粒材料的压缩中都存在, (3) , (4) 主要伴随钙质砂的压缩而发生。因此, 钙质砂的压缩和蠕变比普通石英砂更显著。而M.R.Coop^[2]的研究表明, 钙质砂的压缩性与黏土类似, 压缩变形以不可恢复的塑性变形为主, 当压力超过某一值时, 颗粒破碎对钙质砂的压缩特性起控制作用。W.R.Bryant等^[3]对取自墨西哥湾的钙质土做了120组各种类型的试验, 结果显示其压缩指数随碳酸盐含量的增加而增加。张小燕等^[4]研究了珊瑚砂在高压力下一维蠕变分形破碎及颗粒形状;曹梦等^[5,6]开展了珊瑚砂的室内饱和三轴排水蠕变试验 (围压100 kPa) , 研究其长期蠕变特征, 并提出了一种蠕变应变与时间、偏应力和有效围压相关的四参数新的蠕变模型, 可对钙质砂的蠕变过程进行数学描述。

国内外对珊瑚砂的长期变形特性的研究刚起步, 也缺少吹填珊瑚砂地基的长期沉降变形的设计和工程控制技术。依托印度洋马尔代夫维拉纳国际机场改扩建工程, 通过室内侧限压缩试验揭示了印度洋珊瑚砂压缩特性, 提出了珊瑚砂地层长期沉降的计算公式、参数确定和质量控制方法, 最终形成机场跑道吹填珊瑚砂地基工后沉降控制技术体系。

采取场地内珊瑚砂重塑样进行侧限压缩试验, 试样干密度分别为1.43g/cm³及1.60g/cm³, 其孔隙率-压缩时间对数曲线如图1所示。

分析图1a, 可将该曲线分为3部分。

1) AB段该段为珊瑚砂的初始压缩阶段, 产生变形的原因是珊瑚砂间的孔隙被压缩, 此阶段完成时间较短。

2) BC段该段为珊瑚砂的主压缩变形阶段, 在外力作用下, 珊瑚砂颗粒重新排列, 孔隙水排出, 造成珊瑚砂的压缩变形。

3) CD段该阶段为长期压缩阶段, 应变随时间延续而增加, 珊瑚砂受外力作用及周边环境人为振动、大地脉动等扰动因素影响, 砂颗粒进一步向更稳定的状态移动, 此阶段时间较长。

通过珊瑚砂微观照片和内部X光CT照相, 发现珊瑚砂具有独特的单粒支撑结构, 颗粒间具有点接触、线接触、架空、咬合、镶嵌等多种不均匀接触关系, 从而形成了颗粒间的支撑结构, 因此砂颗粒间的摩擦力较大, 颗粒不像石英砂易于发生运动。但随着时间增长, 珊瑚砂在外界因素影响下仍然会继续向更为稳定的状态移动。另外, 珊瑚砂颗粒形状不规则, 矿物质强度低, 颗粒容易在外界扰动下发生破碎, 也会造成珊瑚砂随时间出现长期沉降变形。

影响珊瑚砂长期沉降变形特性的主要因素有颗粒结构、密实程度、外界压力及外部振动环境等, 在其他因素不变的情况下, 珊瑚砂自身的密实程度就成为主要的影响因素, 由图1可知, 珊瑚砂的干密度越大, 其长期变形速率和总量越小。因此可以通过物理措施提高珊瑚砂的密实程度, 以达到减小长期沉降变形的目的。

珊瑚砂地基的长期沉降计算可以采用分层总和法, 其中单层地基的长期沉降可采用公式 (1) 计算:

式中:S_cr为修正后的长期沉降 (mm) ;S'_cr为修正前的长期沉降 (mm) ;ψ_c为长期沉降修正系数;c_α为长期沉降系数;e₀为初始孔隙比;H为土层厚度 (mm) ;t_f为沉降计算时间;t_i为沉降起始计算时间。

长期沉降系数c_α是计算的关键参数, 可以通过珊瑚砂的长期室内侧限压缩曲线确定, 取CD段为珊瑚砂的长期变形阶段, 通过式 (2) 计算:

式中:e₁, e₂为CD直线段上两点的孔隙比, t₁, t₂为相对应的时间。

长期沉降修正系数ψ_c是反映原位珊瑚砂地基压缩特性和室内试样之间差异的因素。

根据珊瑚砂室内压缩特性试验结果, 珊瑚砂地基变形可分为初始沉降、主压缩沉降和长期沉降。

其中, 初始沉降和主压缩沉降较难严格分开计算, 一般合并计算, 工程上可采用分层总和法, 由公式 (3) 进行计算:

式中:S_c为初始沉降和主压缩沉降之和 (m) ;H_i为各土层厚度 (m) ;e₀为各土层初始孔隙比;C_c为各土层压缩指数;σ'₁为各土层施工后的有效应力 (kPa) ;σ'₀为各土层有效自重应力 (kPa) ;n为计算沉降的土层数。长期沉降变形采用公式 (1) 进行计算。

一般来说, 初始沉降和主压缩沉降在施工期不能完全完成, 所以工后沉降长期沉降变形还包括一定比例的初始沉降和主压缩沉降 (对于珊瑚砂地基可取20%的比例) 。

通常室内压缩试验测试结果与原位沉降监测结果有一定差别, 这是由于室内重塑样与现场土层的物理力学性质不完全一致, 室内压缩试验试样应力应变状态与地基土实际应力应变状态不一致等因素造成, 基于此提出长期沉降修正系数ψ_c, 该参数可通过现场初期沉降观测值与沉降理论计算值的对比确定。

以印度洋马尔代夫维拉纳国际机场改扩建工程中珊瑚砂地基为例, 采用表层振动碾压法进行地基处理, 故将地基分2层进行计算 (见图2) , 上层为地基处理深度影响范围 (5.6m厚) 的砂层, 下层为未处理的, 两层干密度分别为1.60, 1.43g/cm³, 长期沉降系数c_α分别取压缩试验值0.001 00, 0.002 58。

选取场地2个代表性沉降观测点5号和6号, 将初期3个月的沉降监测结果和公式 (1) 理论计算结果进行对比, 如表1所示, 得到长期沉降修正系数分别为0.56, 0.94, 综合后取本工程的长期沉降修正系数为0.75。

工程场地试验区内设置了6个沉降观测点, 编号为Y19, Y20, Y21, Y22, Y23, Y24。图3为试验区地基处理完成后近1年时间内长期沉降修正计算值和监测值对比, 可以看出两者在趋势和数量上吻合较好, 证明了本文提出方法的有效性。

通过多种原位测试结果整理, 提出可采用重型动力触探指标用于地基处理影响深度的检测;采用原位干密度测试指标用于珊瑚砂地基处理质量控制。

场地小区试验对比了冲击碾压和振动碾压2种地基处理方法, 处理后的DPT结果比处理前有较大增长, 如图4所示, 发现DPT指标能准确反映地基处理深度。其中冲击碾压影响深度可达2.5m, 26振动碾压影响深度约4.5m, 36t振动碾压影响深度约为6.1m。

珊瑚砂的室内击实试验结果表明, 珊瑚砂不存在最优含水率和最大干密度, 故不能直接采用击实度指标来进行质量控制。而珊瑚砂密实程度是其压缩特性和长期沉降特性的重要影响因素, 可以直接采用干密度指标来反映处理后的珊瑚砂密实程度。

根据地基处理前后珊瑚砂现场干密度检测结果得出如下结论: (1) 未碾压的珊瑚砂的干密度离散性较大; (2) 采用冲击碾压处理后的干密度小于采用振动碾压处理后的干密度; (3) 随着振动碾压遍数的增加, 干密度持续得到提高; (4) 采用36t振动碾压机处理后的结果略大于26t振动碾压机处理的结果。

综上所述, 吹填珊瑚砂地基处理与变形控制流程如图5所示。

1) 根据建筑物受力性能的要求, 确定珊瑚砂地基施工沉降和长期沉降变形限值。

2) 确定初步地基处理方案, 包括地基处理深度影响范围以及影响范围内珊瑚砂需要达到的干密度等指标。

3) 确定长期沉降修正系数ψ_c, 可以进行地基沉降监测并用初期监测和室内压缩试验结果对比确定, 无沉降监测时可根据工程类比选取 (本工程为0.75) 。

4) 根据式 (1) 、式 (3) 分别计算珊瑚砂地基的初始沉降和主压缩沉降、长期沉降, 并估算工后沉降变形。

5) 如果工后沉降变形不满足1) 的限值要求, 则调整地基处理方案和参数, 重新计算工后沉降变形, 直到满足限值要求为止。

6) 进行地基处理施工, 进行质量检测和控制。

7) 珊瑚砂地基长期沉降监测结果可对本文所述工后变形计算方法进行验证和修正。

本文依托印度洋马尔代夫维拉纳国际机场改扩建工程, 揭示了珊瑚砂压缩变形特性, 提出珊瑚砂地层长期沉降计算公式、参数确定和质量控制方法, 形成机场跑道吹填珊瑚砂地基处理与变形控制技术体系。

1) 通过室内侧限压缩试验揭示了吹填珊瑚砂的长期沉降变形规律、细观机理和影响因素, 建立了珊瑚砂地基长期沉降的计算公式和参数确定方法, 其计算结果和实测沉降监测结果符合程度较高。

2) 通过原位测试试验, 提出采用重型动力触探指标用于地基处理深度检测;原位干密度测试指标用于地基处理质量控制。

3) 阐明珊瑚砂地层沉降变形的分类和工后沉降的构成及计算方法, 形成吹填珊瑚砂地基处理与变形控制技术体系。