坦桑尼亚珊瑚土回填料试验的中英标准对比

2022-03-07冯光华刘良合

水运工程 2022年2期

冯光华，刘良合，周涛

(中交四航局第一工程有限公司，广东广州 510420)

珊瑚礁岩土地基主要分布于热带、亚热带的海域和海岸带，如红海西岸的苏丹沿岸基本都是珊瑚礁地基[1]。国内学者对于不同区域分布的珊瑚土做了大量工程实践和试验研究，汪云龙等[2]的研究结果表明，珊瑚土的工程性质具有显著的区域性；贺迎喜等[3]依托沙特红海门户集装箱码头工程分析红海地区珊瑚礁吹填料的压实效果和试验性能；张文彬[4]以南海某岛礁吹填珊瑚土为研究对象，探究珊瑚土在单元试验中的饱和技术，并以此为基础进行了珊瑚土液化特性试验，对珊瑚土液化规律有初步认识。

坦桑尼亚达累斯萨拉姆港附近珊瑚石分布广泛，当地每个土场均有供应，是经历漫长岁月的珊瑚沉积岩的风化物，珊瑚土经机械破碎后被当地人用作公路路基填料和民用房屋的混凝土集料。当地珊瑚石主要成分为碳酸钙，呈红褐色，珊瑚石带有细微孔洞，强度在10～15 MPa。而当地完全风化的珊瑚沉积物呈细颗粒状，渗透能力强、压实性能较好，在东非4—6月的雨季施工中能提高工效，因此可作为道路、堆场常用的回填料。中国企业在坦桑尼亚的道路工程施工中常采用珊瑚土作为地基回填料。在20世纪60年代，日本人在坦桑尼亚达累斯萨拉姆港建造码头时，码头混凝土面层结构下方采用珊瑚石作为填充料，运营60年后码头的拆除过程显示，其梁、板结构以及内部钢筋仍处于良好状态。但将坦桑尼亚当地的珊瑚石作为回填料的施工性能，却少见业界报道。

1 工程概况

坦桑尼亚达累斯萨拉姆港某老码头升级改造工程，后方为新建散货堆场，主要用于暂存来自世界各国的汽车，面积约7.8万m2，堆场为吹填造陆，采用港池疏浚砂作为底层，上方铺设基层珊瑚石填料，要求现场压实度≥98%，现场CBR值(California bearing ration，加州承载比)≥80%；压实度95%时，要求室内泡水CBR值≥30%。在基层完成 CBR及压实度验收后再洒布沥青、铺设土工布及浇筑厚200 mm的C35混凝土面层，堆场设计荷载30 kPa，面层结构剖面见图1。

图1 堆场面层结构剖面(单位：mm)

堆场设计、施工和试验参考英标[5-7]，其基层填料采用当地珊瑚石与20%黏性土的混合料。

2 室内试验

当地珊瑚石孔隙率为5%～8%，吸水率约4%，密度比花岗岩小，约2.100 t/m3，参考当地公路施工经验，珊瑚石级配碎石缺少细粒料，其黏性较低、高温下失水快、含水率低的地方碾压后容易开裂，碾压效果不理想。为了得到更好的级配，珊瑚石破碎为小于37.5 mm的颗粒，破碎后的颗粒混合10%～30%当地细粒黏性土，组成珊瑚土，配制成良好级配的填料，同时增加混合料黏结性，本文所述珊瑚土掺入20%黏性土。

2.1 筛分试验

破碎后的珊瑚石掺入20%粒径小于4 mm的黏性土，接近下限的珊瑚石级配得以改善，珊瑚土级配曲线位于限制曲线的中部，筛分曲线如图2所示。

图2 筛分曲线

2.2 压碎值及10%细粒值试验

压碎值试验能反映材料在逐渐增加的荷载下抵抗压碎能力，是衡量石料力学性质的指标。压碎值采用9.5～19.5 mm颗粒，在400 kN压力下样品破碎后通过2.36 mm筛的质量百分率。珊瑚石的压碎值比较高，达45%，约为普通花岗岩压碎值的2倍。

10%细粒值在英标BS 812-111中指采用10～14 mm颗粒材料，样品均匀加载作用力，使其在(10±0.5)min内达到一定的贯入度(普通碎石为20 mm)，压碎后通过2.36 mm筛的质量百分率为10%时所需的力值，珊瑚石10%细粒值约为40 kN，而普通花岗岩约为120 kN。由此可知，珊瑚石比普通花岗岩容易破碎，承压能力比花岗岩小很多。

2.3 室内击实试验

CBR试件需要在最佳含水率下击实成型，英标BS 1377-4的击实方法与国标最明显的区别为击实次数，国标[8]中轻型击实每层27和59击、重型击实每层27、98击共4种，英标只有30、62击两种。最大干密度试验时重型击实英标分5层，每层62击，国标分3层，每层98击，见表1。击实得到的最大干密度只有微小区别，按国标试验得到珊瑚土的密度为2.026 t/m3，最佳含水率10%。按英标试验得到珊瑚土的最大干密度为2.030 t/m3，最佳含水率9.8%；珊瑚石级配碎石最大干密度为2.062 t/m3，最佳含水率8.6%；珊瑚石掺3%水泥水稳料最大干密度为2.096 t/m3，最佳含水率7.5%。干密度与含水率关系如图3所示。

表1 中英标准击实方法对比

图3 含水率-干密度曲线

2.4 CBR室内试验及膨胀率试验

CBR试验是一种评定基层材料承载能力的方法，CBR值为标准试件在贯入量为2.5 mm时所施加的试验荷载与标准碎石材料在相同贯入量时所施加的荷载之比值，以百分率表示。

英标BS 1377-4规定，贯入2.5 mm，100% CBR值时，标准荷载力规定是13.2 kN；贯入5 mm，英标100% CBR值时，标准荷载力规定是20 kN，与国标相比有一些差异，见表2。

表2 中英标准CBR试验仪器及贯入量及荷载力区别

英标BS 1377-4规定，CBR试验在最佳含水率条件下成型3个试件；而国标规定，CBR试验在最佳含水率条件下成型9个试件；两种方法试件浸泡时间4 d，但有细微区别，见表3。经过几次试验验证，两种方法最终得到的CBR结果相差不到2%，影响不大。按照英标，在最佳含水率条件下，分别成型珊瑚石、珊瑚土、珊瑚石掺2%水泥3种材料各3个CBR试件，进行CBR值测试。泡水4 d后测得的CBR结果与干密度关系曲线如图4所示。根据关系曲线分别算出95%压实度下，珊瑚土泡水CBR值为38%，珊瑚石泡水CBR值为44.8%，珊瑚石掺水泥泡水CBR值为65.4%。都满足压实度在95%时，室内泡水CBR值≥30%的要求，符合设计要求。

图4 泡水CBR值及密度关系

表3 中英标准成型CBR试件方法及数量

测试CBR值之前，记录泡水试样的百分表读数，与泡水前读数对比，计算其膨胀率：珊瑚石膨胀率为0.35%，珊瑚土膨胀率为0.4%，珊瑚石+3%水泥膨胀率为0.2%。由此可知，在泡水条件下材料的膨胀率较小，材料泡水后体积性能较为稳定。

3 现场施工及检测试验

在堆场大规模施工开始前，为测试不同的回填料特性，准备了3个边长为20 m的正方形试验段，材料分别为珊瑚石级配碎石、珊瑚土、珊瑚石掺3%水泥。

3.1 拌和摊铺

经检测，珊瑚土最佳含水率为9.8%，珊瑚石细小空隙较多，吸水性较大，闷料时间控制在24 h以上较为理想，由于坦桑尼亚常年温度较高，港口海边风大，珊瑚土失水较快，一般拌和含水率至少增加1.5%，控制在11.5%。摊铺参考公路基层方法，用摊铺机进行梯队作业，连续摊铺。

3.2 碾压参数确定

由于工程中首次使用珊瑚土做基层填料，参考国内砾石土的施工经验，在试验段松铺系数先控制在1.5左右，用25 t压路机静压2遍，再振压3～5遍，然后静压收面，分别测每次振压后的压实度。后根据沉降法修正松铺系数，珊瑚土松铺系数1.45，珊瑚石松铺系数1.38，珊瑚石+水泥松铺系数1.36，碾压遍数及压实度结果见表4。

表4 碾压遍数及压实度结果

3.3 压实度及CBR检测

碾压完成后，检测试验段CBR值，见表5。压力及贯入深度关系如图5所示，计算压力值与贯入度分别为2.5及5 mm时的标准压力比值，算出CBR值，并在CBR检测点用灌砂法检测压实度，现场CBR与压实度结果见表5。可以看出，压实度结果满足现场压实度≥98%，现场CBR值≥80%的设计要求。

图5 压力-贯入深度关系

表5 3种材料现场CBR与压实度

由图5可知，3个试验段都出现前期压力增长率较大，后期趋缓的现象。珊瑚石在大于20 kN变化速率非常小，珊瑚土在接近20 kN也开始变化缓慢，分析其中原因，是由于珊瑚石含有较多空隙，强度在10～15 MPa，当压力在20 kN时，考虑直径50 mm的贯入杆面积1 962.5 mm2，可以算出基层材料强度约为10 MPa，已接近珊瑚石破坏边缘。

3.4 碾压质量

碾压过程中发现，珊瑚石碾压后表面失水时容易起皮，且容易出现横向裂缝，特别在中午高温时，局部含水率较小，失水过多，缺少黏土的珊瑚石经压路机碾压后开裂现象较为明显。珊瑚石之间空隙率较大，振压5遍后，依然有约10%的点压实度小于98%，需要继续碾压1～2遍才能满足要求。

珊瑚石掺3%水泥水稳料碾压后质量得到一定改善，容易碾压平整，板结后具有较高强度，振压4遍，压实度和CBR值就可以满足要求，且CBR值远大于设计要求，碾压过后的表面平整度较好。

珊瑚土碾压后，由于有黏性土，级配较好，填料碾压后容易密实，振压4遍后压实度满足要求，CBR值也大于80%，满足设计要求。

3.5 小结

分析3个试验段结果，珊瑚土碾压次数比珊瑚石少，不用掺入水泥，成本较低，碾压质量较好，压实度和现场CBR值满足设计要求，适合用作散装堆场基层填料。3种回填料中，珊瑚土经济性较好，碾压效果较好。为进一步了解珊瑚土性能，实验室尝试掺入10%、30%黏性土，发现掺入10%黏性土、95%压实度时，室内泡水CBR达到43.2%，相对珊瑚石泡水CBR值只降低1.6%，现场压实后含水率低的地方依然有少量裂纹；掺入30%黏性土、95%压实度时，室内泡水CBR值一部分略大于30%，一部分低于30%，不符合设计要求，掺入黏性土过多会降低材料承载力。

散货堆场已经移交运营，目前情况良好，并未出现沉降、破碎、明显的面层裂缝，珊瑚土作为基层填料满足使用要求。