基于干密度指标的珊瑚砂吹填地基机场跑道沉降计算

2020-04-22王笃礼李建光

岩土工程技术 2020年2期

王笃礼李建光李兴

( 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 )

1 研究背景

随着国家“一带一路”倡议得到越来越广泛地响应，国内勘察设计单位在“一带一路”沿线部分国家遇到了一些与珊瑚砂相关的岩土工程问题。国内对我国南海的珊瑚砂工程力学性质进行了长期深入地研究,取得了一系列重要成果,有力指导了南海岛礁工程建设[1]。但国内工程技术人员对国外珊瑚砂的岩土工程问题了解较少，工程经验较缺乏。

珊瑚砂吹填地基主要由耙吸或绞吸吹填的珊瑚砂、珊瑚断枝及两者的混合物构成。颗粒大小不均、分布无规律，颗粒存在棱角和内孔隙，无确定的最优含水率和最大干密度[2-4]。地表荷载、自重、潮汐和地壳运动等因素造成珊瑚砂颗粒的重排列、珊瑚枝的断裂、内孔隙破裂与刺入，引发珊瑚砂地基沉降变形。

工程设计时一般采用分层总和法计算飞机跑道的沉降变形，但准确测定珊瑚砂地基的孔隙比、压缩模量较困难。有采用蠕变系数计算珊瑚砂地基沉降的案例，但不同方法确定的蠕变系数差异较大。如何较准确计算珊瑚砂吹填地基的沉降，目前仍是工程设计中的一个难点。

2 研究思路

珊瑚砂吹填地基中，只有细颗粒的珊瑚砂可进行常规室内压缩试验，很显然，细颗粒珊瑚砂压缩试验成果应用到工程实践中是不合理的。本项研究采用压力机对大尺寸试样进行压缩试验，试验样品包括细颗粒的珊瑚砂、枝丫状的珊瑚枝及两者的混合物，获取压缩变形规律，以用于珊瑚砂吹填地基的沉降计算。

由于珊瑚砂颗粒和珊瑚枝几乎全部由碳酸钙组成，不存在遇水崩解、排水固结等特征，通过增大室内压缩试验尺度，其压缩试验成果可以应用于珊瑚砂吹填地基的沉降计算。

3 试验过程

本次试验采用TENSON压力机(见图1)，试样筒采用直径152 mm、高170 mm的圆柱型钢桶(见图2)。

图2 试样筒

试验样品采自国外某机场，样品名称、编号、含水率见表1，样品照片见图3—图5，颗分级配曲线见图6、图7，珊瑚枝未能提供颗分级配曲线和颗粒组成。工程现场实测水面以上珊瑚砂含水率一般为13%～17%，本次试验含水率采用15%。

表1 样品描述

图3 珊瑚砂

图4 珊瑚枝

图5 珊瑚砂与珊瑚枝混合料

图6 珊瑚砂颗粒级配曲线

图7 珊瑚砂和珊瑚枝混合料颗粒级配曲线

4 试验成果

将9个样品分别分层装入试样筒中，低压力压平后，样品高度117 mm，放在压力机上进行压缩试验，试验结果见图8—图10，其中竖向应变δ为竖向压缩变形d与试验原始高度h0的比值。

图8 压力-位移曲线

图9 压力-应变曲线

在试验过程中，随着试验压力P的加大，珊瑚砂样品有轻微渗水现象；珊瑚枝、珊瑚砂与珊瑚枝混合料样品没有发生渗水现象。依据样品烘干后质量及每级压力下样品体积，计算出每级压力P下样品干密度ρd，绘制压力-干密度曲线(见图10)。

乔振宇一撇嘴：“男主外女主内的传统婚姻多好啊，我这个建筑师又不是养不起你，我负责赚钱养家当大爷，你负责貌美如花当小媳妇，我爸、我哥们儿还有我表妹，他们都是这么结婚过日子的，就你瞎较劲儿！”

图10 压力-干密度曲线

压力为2 MPa时，珊瑚砂、珊瑚砂与珊瑚枝混合料的最大干密度分别为1.580 g/cm3、1.623 g/cm3。

压力为4 MPa时，珊瑚砂、珊瑚砂与珊瑚枝混合料的最大干密度分别为1.657 g/cm3、1.706 g/cm3。

珊瑚枝1.1～1.5 MPa开始破碎，破碎时最大干密度为1.076 g/cm3。

为了更好地分析工程荷载2 MPa以内的压力与应变的关系,绘制图11。珊瑚砂、珊瑚枝及珊瑚砂与珊瑚枝混合料随着压力的增加，压缩变形持续增长。其中珊瑚砂、珊瑚砂与珊瑚枝混合料随着压力的增加，其压缩变形规律相近。

图11 压力-应变曲线(0～2.0 MPa)

珊瑚砂、珊瑚枝及珊瑚砂与珊瑚枝混合料的干密度与应变具有较好的线性相关性(见图12)。

图12 干密度-应变曲线

在实际工程中，珊瑚砂吹填地基主要由珊瑚砂与珊瑚枝混合料组成，纯珊瑚砂或珊瑚枝所占比例较小。珊瑚砂与珊瑚枝混合料是工程需要研究的重点，其干密度-应变曲线如图13所示，压力-干密度曲线如图14所示。经分析，SHSZ3样品的压力-干密度曲线最具有代表性，可用于该机场跑道地基研究，见图15。

图13 珊瑚砂与珊瑚枝混合料干密度-应变曲线

图14 珊瑚砂与珊瑚枝混合料压力-干密度曲线

图15 SHSZ3样品压力-干密度曲线

图13中,SHSZ3珊瑚砂与珊瑚枝混合料样品干密度ρd与应变δ关系为：

δ= 0.5751×ρd-0.8414，R2=0.9982

(1)

图15中，SHSZ3珊瑚砂与珊瑚枝混合料样品压力P与干密度ρd关系为：

ρd=-0.2629×P2+0.2788×P+1.4733，R2=0.9741

(2)

当压力P>0.6 MPa时，即图15中②段

ρd=0.0566×P+1.5189，R2=0.9967

(3)

5 机理分析及工程应用

机场跑道地基为吹填和自然沉积的珊瑚砂与珊瑚枝混合物，0～9 m为绞吸吹填形成，9～12 m为自然沉积形成，12 m以下为礁灰岩，地下水位为地面以下1 m，地基处理厚度4 m，地基处理示意图见图16。根据现场原位试验及室内试验分析，人工吹填和自然沉积地层的物质组成、物理力学性质基本一致，自然沉积地层同样会产生沉降变形。

图16 地基处理示意图

依据地层厚度及实测干密度，按式(1)—式(3)计算吹填时的虚铺厚度(吹填标高与地基处理后的地面标高之差)、总沉降量。

5.1 虚铺厚度

对0～4 m人工吹填珊瑚砂与珊瑚枝混合地层进行处理，处理前干密度ρd为1.5 g/cm3，处理后干密度ρd达到1.6 g/cm3，经计算，地基处理期间变形(即需要的虚铺厚度)为230 mm，计算过程见表2。施工现场共布置5个地基处理试验区，地基处理过程中观测地面沉降量为200～300 mm，其中试验区1中四个观测点的碾压变数N-高程关系曲线见图17。