基于振动碾压下沉量对比的一种珊瑚砂次压缩系数推测方法

2019-04-19王笃礼肖国华孙兰宁

岩土工程技术 2019年2期

王笃礼肖国华李兴孙兰宁

(1.中航勘察设计研究院有限公司，北京 100098;2.北京城建集团有限责任公司，北京 100088)

0 引言

随着工程建设的发展，需要进行深大填方或填海的工程越来越多，填筑的材料一般就地取材。在岛礁环境下珊瑚砂作为填海材料已在许多工程中得到应用。工后沉降作为填方工程中一项重要指标备受关注[1]，对于具有结构性的吹填珊瑚砂[2]其次压缩变形为工程工后沉降的主要组成部分，而次压缩系数是沉降预测时用到的重要指标。珊瑚砂具有颗粒形状不规则、多孔隙的特点[2]，而且不易取得原状土样。采取现场取样室内进行压缩试验的方法获得珊瑚砂的次压缩系数比较困难[3]。目前，砂土的次压缩系数多采用经验法确定，因此其次压缩沉降计算结果与实际相差较大。

利用较长时间的吹填场地的历史沉降数据，对次压缩系数进行反演推算，是一种直接贴合实际的获得次压缩系数的方法。但是获取吹填场地的历史沉降数据有时较为困难，甚至获得吹填场地的形成时间有时都很难做到。笔者在工程实践中提出了利用搜寻到的场地形成时间，在新回填区域和老回填区域分别进行振动碾压试验，并根据振动碾压振沉量的差异来反演推测次压缩系数的方法。本文以某机场吹填珊瑚砂地基处理工程为依托，对上述方法进行了试验研究，并对影响次压缩系数的参数进行了分析。

1 次压缩系数反演公式

次压缩沉降的计算公式为[4]：

式中：Cα——次压缩系数;

Δs——次压缩沉降量，m;

H——用于振沉对比的土层厚度，m;

tfinal——次压缩计算完成时间，月;

tinit——次压缩计算起始时间，月;

e0——孔隙比。

假定有两个场地采用同样的材料和吹填工艺吹填形成，其中一个场地历时较长(简称老场地)，另一个场地历时较短(简称新场地)，老场地经历了从tinit到tfinal_old自重应力作用下的次压缩，新场地经历了从tinit到tfinal_new的自重应力作用下的次压缩，则老场地和新场地发生的次压缩沉降分别为：

假定采用振动碾压的地基处理方式可以消除老场地和新场地用于对比土层厚度H范围内吹填珊瑚砂的次压缩，则对比新场地、老场地H厚度吹填珊瑚砂层在上述振动碾压过程中发生的沉降量snew与sold。两者之差应等于老场地H厚度土层从tinit到tfinal_old发生的次压缩量与新场地H厚度土层从tinit到tfinal_new发生的次压缩之差。即：

由式(2)、式(3)、式(4)推导得到次压缩系数的反演公式为：

式中：Cα——次压缩系数;

snew——新场地H厚度发生的沉降量，m;

sold——老场地H厚度发生的沉降量，m;

Δsnew——新场地次压缩沉降量，m;

Δsold——老场地次压缩沉降量，m;

H——用于振沉对比的土层厚度，m;

tfinal_new——新场地次压缩计算完成时间，月;

tfinal_old——老场地次压缩计算完成时间，月;

tinit——次压缩计算起始时间，一般按3个月考虑;

e0——孔隙比。

2 地基处理小区试验

试验研究区域历史卫星照片如图1和图2所示，由照片可知老场地吹填时间在2001年1月至2005年2月之间。新场地吹填完成时间为2016年11月，振动碾压地基处理试验时间为2017年4月。假定老场地吹填完成时间为2005年2月，则tfinal_old和tfinal_new分别为146个月和5个月。

在新场地和老场地分别设置试验小区并进行振动碾压地基处理试验，测量地表沉降量，并在振动碾压试验前后分别进行动力触探试验，以确定两个试验区的振动影响深度。

图1 试验研究区域卫星照片（2001年1月）

图2 试验研究区域卫星照片（2005年2月）

3 确定振动影响深度及振沉量

用新、旧场地试验小区在振动碾压处理前后的动力触探结果分别确定两个小区的振动影响深度，取二者中的小者并去掉老场地新填筑的珊瑚砂厚度即为用于振沉对比的土层厚度(H)，把实际试验过程中的地表沉降值按照线性等比例的原则分配到土层厚度上，折算出用于振沉对比的土层厚度(H)内的振动碾压沉降量snew和sold。

小区试验动力触探(DPT)的试验结果见图3，虚线为处理后的DPT平均值，实线为处理前的平均值。从图3中可判断出新场地的振动影响深度约为4.5 m，老场地的振动影响深度约为3.0 m。考虑在老场地顶部回填了0.3 m厚的珊瑚砂，则用于振沉对比的土层厚度(H)确定为3.0-0.3=2.7 m。

图3 新场地和老场地试验小区振动碾压处理前后DPT对比

新场地试验小区平均振沉量为257 mm，老场地试验小区平均振沉量为110 mm。对应的用于振沉对比的2.7 m厚的珊瑚砂新场地和老场地的振动碾压沉降量按照线性比例计算分别为=154 mm和

4 计算结果

根据土工试验结果，珊瑚砂的孔隙比最小值为0.761，最大值为1.076。

由第2节可知，新场地tfinal_new为5个月，老场地tfinal_old为146个月，对比分析的土层厚度(H)为2.7 m。

新回填区域的振沉量snew为154 mm，老回填区域的振沉量sold为99 mm。

孔隙比e0选用最小值0.761时，以上参数代入公式(5)，得到次压缩系数Cα为0.0245。

孔隙比e0选用最小值1.076时，以上参数代入公式(5)，得到次压缩系数Cα为0.0289。

5 影响反演结果的参数分析

在进行吹填珊瑚砂次压缩系数反演分析过程中，珊瑚砂的孔隙比和老场地次压缩计算完成时间是两个主要影响反演结果的参数，分析这两个参数的取值对次压缩系数反演结果的影响，对于提高反演结果的精度意义非凡。上述反演案例中，在0.761到1.076之间均匀选取9个孔隙比数值计算次压缩系数，次压缩系数与孔隙比的关系曲线见图4。老场地的吹填完成时间可能是2001年2月至2005年2月，则老场地的次压缩计算完成时间可能是146～194个月，从146至194按照间隔4个月均匀选取13个值作为老场地次压缩计算完成时间计算次压缩系数，次压缩系数与老场地次压缩计算完成时间的关系曲线如图5所示。

对于孔隙比和老场地次压缩计算完成时间两个主要参数的敏感性分析方法为：参数分别取最大值、最小值与参数取中间值时的次压缩系数计算结果进行比较。敏感性分析如下：

孔隙比取中间值e0=0.918时，计算得Cα为0.0267。孔隙比取最小值e0=0.761时，计算得Cα为0.0245，其结果与孔隙比取中值的误差为(0.0245-0.0267)/0.0267=-8%;孔隙比取最大值e0=1.076时，计算得Cα为0.0289，其结果与孔隙比取中值的误差为(0.0289-0.0267)/0.0267=8%。

孔隙比取最大值e0=1.076不变，老场地次压缩计算完成时间作为变量分析如下：取中值170个月，计算得Cα为0.0276。取最小值146个月，计算得Cα为0.0289，其结果与次压缩时间取中值的误差为(0.0289-0.0276)/0.0276=5%;次压缩计算完成时间取最大值194个月，计算得Cα为0.0266，其结果与次压缩计算完成时间取中值的误差为(0.0266-0.0276)/0.0276=-4%。

从以上数据可以看出，吹填珊瑚砂的孔隙比对次压缩系数反演结果的影响比老场地吹填完成时间的影响大。