鈣質(zhì)砂地基加固方法效果對比研究

李可良 趙良才

(1.陸軍工程大學(xué) 國防工程學(xué)院爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210007； 2.63850部隊(duì)，吉林 白城 137000)

0 引言

我國南海諸島絕大部分是由珊瑚礁構(gòu)成的，礁體通常由上層松散無膠結(jié)或弱膠結(jié)的砂礫層(主要為鈣質(zhì)砂)和下層固結(jié)成巖的次生或原生礁灰?guī)r組成，厚達(dá)2 000 m以上。鈣質(zhì)砂主要來源于珊瑚類和其他海洋生物的殘骸沉積，因此保留了原生生物骨架中的細(xì)小孔隙。鈣質(zhì)砂顆粒形狀不規(guī)則、易破碎，且具有一定的膠結(jié)特性，與陸源砂相比有明顯差異[1]。

1 鈣質(zhì)砂地基工程特性

Coop[2]研究指出，鈣質(zhì)砂與石英砂相比具有高壓縮性，壓縮特征與黏土相似，符合劍橋模型。劉崇權(quán)等[3]對我國南海南沙永暑礁的鈣質(zhì)砂進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)，印證了鈣質(zhì)砂具有與黏土類似的壓縮性，但機(jī)理不同，鈣質(zhì)砂壓縮過程中的變形幾乎是不可恢復(fù)的塑性變形。張家銘[4]對鈣質(zhì)砂進(jìn)行了一維和等向壓縮試驗(yàn)，同樣驗(yàn)證了鈣質(zhì)砂的壓縮特性同正常固結(jié)粘性土相似，低壓階段，顆粒間相互調(diào)整位置，而高壓階段，顆粒產(chǎn)生破碎。王新志等[5]發(fā)現(xiàn)，相同密實(shí)度的鈣質(zhì)砂承載力和變形模量比石英砂大得多，變形量則小得多，且沉降穩(wěn)定快。

鈣質(zhì)砂的剪切性質(zhì)通常用三軸試驗(yàn)來研究，鈣質(zhì)砂強(qiáng)度指標(biāo)較高，有微小的粘聚力，c≈10 kPa；內(nèi)摩擦角較大，一般大于35°，有的甚至大于50°；摩爾包絡(luò)線呈現(xiàn)出隨圍壓升高而變緩的非線性特征。Coop[2]研究表明，在低圍壓下，根據(jù)初始孔隙比的不同，鈣質(zhì)砂的排水剪可能剪脹，也可能剪縮；高圍壓下，鈣質(zhì)砂的排水剪都是剪縮。Fahey[6]與Coop的結(jié)論類似，認(rèn)為鈣質(zhì)砂排水剪，在低壓下，初期的響應(yīng)是剛性，隨后出現(xiàn)一個(gè)屈服點(diǎn)，然后是應(yīng)變硬化階段；而高壓下，初期反應(yīng)較弱，沒有明顯的屈服點(diǎn)。張家銘[4]的研究表明，鈣質(zhì)砂固結(jié)不排水剪的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線與固結(jié)排水剪有明顯的差別，排水剪應(yīng)力應(yīng)變曲線一般為緩變型，而不排水剪在剪切開始后，偏應(yīng)力在很小的應(yīng)變范圍內(nèi)就陡升至圍壓的2/3，然后才緩慢上升到峰值。

2 分層碾壓法

目前鈣質(zhì)砂地基加固的方法最常用的是分層碾壓法，即用沖擊碾對砂層進(jìn)行碾壓，達(dá)到施工控制預(yù)期效果后，再進(jìn)行分層回填和碾壓，逐步形成硬化的人工加固層。分層碾壓法技術(shù)非常成熟，在鈣質(zhì)砂地基處理實(shí)踐中應(yīng)用較多，效果良好。但是該方法施工周期較長、工序也較復(fù)雜、加固深度和效果有限，不適合鈣質(zhì)砂地基的大面積處理。

3 強(qiáng)夯法

賀迎喜等[7]結(jié)合沙特吉達(dá)RSGT碼頭修建項(xiàng)目，利用吹填珊瑚礁砂作地基填料(厚6 m～15 m)，采用強(qiáng)夯法進(jìn)行加固處理，結(jié)果表明，強(qiáng)夯法能使土體在7 m～9 m范圍內(nèi)形成超固結(jié)硬土層，深度6 m范圍內(nèi)N63.5平均值由10擊左右提高到25擊左右，有效提高了地基承載力和抗液化能力；隨后邱偉建等[8]進(jìn)一步利用加固后地基的標(biāo)貫SPT數(shù)據(jù)對沉降進(jìn)行了分析計(jì)算，得出沉降滿足要求。王建平等[9]采用高真空擊密法對珊瑚碎屑地基進(jìn)行加固，利用“壓差”原理進(jìn)行降排水，不僅有效降低了強(qiáng)夯間歇時(shí)間，從而縮短了工期，同時(shí)，降水過程提供了約40 kPa的降水預(yù)壓荷載，進(jìn)一步增大了施工的影響深度。

4 振沖法

賀迎喜等[7]在沙特吉達(dá)RSGT碼頭修建項(xiàng)目中對珊瑚礁砂地基也進(jìn)行了振沖擠密加固，結(jié)果顯示振沖擠密法加固深度達(dá)16 m，一般區(qū)域深度的土層，CPT端阻平均值由原來不足3 MPa，大大提高到15 MPa。余以明等[10]對振沖法的不同工藝進(jìn)行了現(xiàn)場對比試驗(yàn)，認(rèn)為加密振沖點(diǎn)位，選擇較粗的吹填料進(jìn)行回填置換，可使軟弱夾層變密實(shí)，珊瑚砂地基承載力明顯提高。

5 加固效果比較

檀會春等[11]以蘇丹港新集裝箱碼頭后方堆場地基處理工程為依托，分析了振動碾壓和強(qiáng)夯兩種加固方法對珊瑚回填料的加固效果，兩種方法均能使地基回彈模量值大幅提高，加固后回彈模量、CBR值、SPT擊數(shù)，強(qiáng)夯法加固效果均略優(yōu)于振動碾壓，振動碾壓法加固處理深度較小，僅0.5 m左右，強(qiáng)夯法(500 kJ)加固處理深度約為2 m。王建平等[12]采用強(qiáng)夯法和兩點(diǎn)振沖法對鈣質(zhì)砂地基加固進(jìn)行了對比，結(jié)果表明，表層3 m范圍內(nèi)，兩種方法加固后的土層標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)提高幅度差不多；但地表以下3 m～6 m，強(qiáng)夯區(qū)提高幅度下降明顯，可能存在砂土液化的問題，6 m以下能量衰減迅速，處理效果差；振沖區(qū)加固效果沿深度方向沒有衰減，均勻性更好，此外，兩點(diǎn)振沖法對礁盤破壞更小，因此兩點(diǎn)振沖法優(yōu)于強(qiáng)夯法。

余東華等[13]在對珊瑚礁回填料進(jìn)行加固處理時(shí)，采用了強(qiáng)夯聯(lián)合振動碾壓法，此方法能把表層加固和一定深度范圍內(nèi)的深層加固結(jié)合起來，地基承載力由40 kPa～130 kPa提高至約400 kPa，大大提高了珊瑚礁回填料地基土的承載力，并有效地解決了地基沉降問題。此外，嚴(yán)與平等介紹了中國援建巴哈馬國家體育場項(xiàng)目中鈣質(zhì)砂地基處理方法，對于荷重不大的地基，采用了長螺旋鉆水泥攪拌樁法，處理深度7 m左右。

6 建議與展望

總結(jié)鈣質(zhì)砂地基加固處理方法，可以發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)砂地基加固處理方法的發(fā)展和研究已經(jīng)較為成熟，在各種地質(zhì)條件下的工程應(yīng)用中解決了很多實(shí)際問題，但仍然存在著許多需要進(jìn)一步探索的問題，本文提供以下幾條建議：

1)這些傳統(tǒng)的加固方法，對地基的承載力提高有限，因此要尋求其他更有效的地基處理方法，如樁基礎(chǔ)，目前鈣質(zhì)砂地基的樁基礎(chǔ)已經(jīng)有學(xué)者開始研究，但工程應(yīng)用上還是憑經(jīng)驗(yàn)施工，缺少理論支撐。

2)加強(qiáng)鈣質(zhì)砂注漿方面的研究，注漿技術(shù)在巖土工程中應(yīng)用比較普遍和成熟，但鈣質(zhì)砂地基注漿加固的研究還非常少。

3)盡快制訂鈣質(zhì)砂巖土工程勘探、測試與地基處理的相關(guān)技術(shù)規(guī)范，以推動鈣質(zhì)砂工程特性研究進(jìn)展及推動各類工程處理方法的應(yīng)用。