印度洋珊瑚島礁地基動(dòng)力特性測(cè)試分析

鄒桂高 王篤禮 王祎鵬

（中航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100098）

0 引言

印度洋珊瑚島礁由于其獨(dú)特的地理環(huán)境，地層的成因與內(nèi)陸地層成因有明顯差異，形成的地層巖性物理力學(xué)性質(zhì)也可能存在較大的差異。海洋島礁環(huán)境和內(nèi)陸環(huán)境下的地基動(dòng)力特性有一定的差異。研究印度洋珊瑚島礁環(huán)境下的微振動(dòng)以及珊瑚砂地層的振動(dòng)特性，有助于進(jìn)一步分析海洋環(huán)境下珊瑚砂地層的力學(xué)性質(zhì)，并利用這些性質(zhì)很好地為工程建設(shè)服務(wù)。

1 項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目位置

馬爾代夫是印度洋上的群島國(guó)家，是世界最大的珊瑚島國(guó)。維拉納國(guó)際機(jī)場(chǎng)是馬爾代夫最重要的國(guó)際機(jī)場(chǎng)，位于北馬累環(huán)礁瑚湖爾島，靠近首都馬累。根據(jù)機(jī)場(chǎng)發(fā)展的需要，擬對(duì)現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)進(jìn)行改擴(kuò)建，飛行區(qū)新建跑道的建設(shè)是機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建的一部分。項(xiàng)目地理位置見(jiàn)圖1。

圖1 項(xiàng)目地理位置示意圖

1.2 氣象條件

項(xiàng)目所在國(guó)處于印度洋、赤道附近，季風(fēng)氣候。全年溫度幾乎保持一致，日溫度從白天的31℃到晚上的23℃。多雨期（西南季風(fēng)）從五月中旬一直到九月份。最高天文潮位（HAT）+0.64 m，最低天文潮位（LAT）-0.56 m，島上陸地地面高程多在+1.0～+1.5 m之間。

1.3 場(chǎng)地地層情況

飛行區(qū)新建跑道為珊瑚砂吹填地基，吹填珊瑚砂需要進(jìn)行地基處理才能滿足跑道設(shè)計(jì)使用要求。依據(jù)勘察資料，地基處理試驗(yàn)區(qū)場(chǎng)地內(nèi)16.0 m深度范圍內(nèi)的地層為：表層為人工填土層（吹填珊瑚砂），其下為珊瑚砂層，下伏為礁灰?guī)r。各地層編號(hào)見(jiàn)表1，典型地層剖面見(jiàn)圖2。

表1 地層編號(hào)說(shuō)明表

2 地基動(dòng)力特性測(cè)試目的

本項(xiàng)目飛行區(qū)地基為珊瑚砂吹填地基[1]，對(duì)于珊瑚砂地基的認(rèn)識(shí)和研究目前還處于初級(jí)階段，為滿足飛行區(qū)跑道的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了五個(gè)小區(qū)試驗(yàn)對(duì)飛行區(qū)珊瑚砂的受力機(jī)理和地基處理工藝進(jìn)行系統(tǒng)研究。本次開展的珊瑚砂地基動(dòng)力特性測(cè)試工作主要包括：

①場(chǎng)地地脈動(dòng)測(cè)試

測(cè)試目的在于了解印度洋珊瑚島礁環(huán)境下的地脈動(dòng)特點(diǎn)。

②振動(dòng)衰減特性

根據(jù)珊瑚砂地基振動(dòng)衰減特性，研究振動(dòng)碾壓地基處理影響深度。

3 地脈動(dòng)測(cè)試

3.1 場(chǎng)地地脈動(dòng)測(cè)試結(jié)果分析

本次分別對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)室和我公司在北京的土工試驗(yàn)室進(jìn)行了地脈動(dòng)測(cè)試。測(cè)試期間盡量避免人為振動(dòng)干擾。圖3是項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)室的一次24 h（2017-08-19—2017-08-20）地脈動(dòng)測(cè)試時(shí)域曲線，1天內(nèi)地脈動(dòng)振動(dòng)幅值有明顯的變化，夜間至早上，振動(dòng)幅值相對(duì)較小，其他時(shí)段由于受到人為活動(dòng)等影響振動(dòng)幅值相對(duì)較大。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2、表3和圖4。

圖2 典型地層剖面

圖3 24 h地脈動(dòng)測(cè)試時(shí)域曲線

表2 北京土工試驗(yàn)室地脈動(dòng)測(cè)試成果表

表3 項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)土工試驗(yàn)室地脈動(dòng)測(cè)試成果表

圖4 地脈動(dòng)振幅-時(shí)間變化曲線

依據(jù)表2、表3以及圖4地脈動(dòng)振幅變化曲線，對(duì)兩個(gè)場(chǎng)地的地脈動(dòng)結(jié)果分析如下：

（1）北京土工試驗(yàn)室白天的地脈動(dòng)幅值約為（1.3～1.8）×10-4m/s2，夜晚的地脈動(dòng)幅值約為（0.9～1.1）×10-4m/s2；項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)土工試驗(yàn)室白天的地脈動(dòng)幅值約為（9.4～9.9）×10-4m/s2，夜晚的地脈動(dòng)幅值約為（3.9～5.3）×10-4m/s2。項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)土工試驗(yàn)室場(chǎng)地的地脈動(dòng)幅值相對(duì)較大，約是北京土工試驗(yàn)室場(chǎng)地地脈動(dòng)幅值的4～5倍，兩個(gè)場(chǎng)地白天振動(dòng)幅值都大于夜間，約是夜間振動(dòng)幅值的1.5～2.0倍。

（2）北京土工試驗(yàn)室地脈動(dòng)水平方向振動(dòng)主要頻率為3.5～3.7 Hz，垂直方向主要振動(dòng)頻率為4.0～4.8 Hz；項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)土工試驗(yàn)室地脈動(dòng)水平方向振動(dòng)主要頻率為6.3～7.1 Hz，垂直方向主要振動(dòng)頻率為12.9～13.6 Hz。項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)土工試驗(yàn)室場(chǎng)地的振動(dòng)卓越頻率相對(duì)較高（尤其是垂直分量），這與該場(chǎng)地的基巖埋深淺（埋深約8～12 m）是相符的；北京土工試驗(yàn)室試驗(yàn)地面以下有一層地下室，由于人為活動(dòng)等原因，振動(dòng)頻率在方向性和時(shí)間上均有一定的差異性。

對(duì)比我國(guó)沿海及內(nèi)陸部分場(chǎng)地的地面地脈動(dòng)測(cè)試結(jié)果[2--3]（見(jiàn)表4）認(rèn)為，本項(xiàng)目場(chǎng)地和其他海洋環(huán)境下地脈動(dòng)振動(dòng)幅值相對(duì)較大，可能與其所處的海洋島礁環(huán)境有關(guān)。

表4 國(guó)內(nèi)部分地脈動(dòng)測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3.2 波速測(cè)試結(jié)果計(jì)算的場(chǎng)地卓越周期

本次試驗(yàn)區(qū)場(chǎng)地內(nèi)進(jìn)行了大量的面波測(cè)試探查地層分布，部分測(cè)試曲線及波速反演結(jié)果見(jiàn)圖5和表5。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探結(jié)果，場(chǎng)地內(nèi)礁灰?guī)r頂面埋深一般在8～12 m，結(jié)合表5測(cè)試結(jié)果分析認(rèn)為，礁灰?guī)r橫波波速一般大于350 m/s，并與風(fēng)化程度有關(guān)。

根據(jù)面波測(cè)試反演的橫波波速結(jié)果計(jì)算的場(chǎng)地地脈動(dòng)卓越周期見(jiàn)表5，從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，卓越頻率范圍在5.3～6.9 Hz，而且基巖埋深越淺、越完整，計(jì)算的卓越周期值相對(duì)較高。

通常橫波測(cè)試接收的是橫波的水平分量，因而認(rèn)為場(chǎng)地地脈動(dòng)水平分量卓越周期與橫波波速計(jì)算的場(chǎng)地地脈動(dòng)卓越周期的相關(guān)性更高[4]，這與測(cè)試結(jié)果相符合。表3顯示本場(chǎng)地地脈動(dòng)水平分量的卓越周期范圍為6.3～7.1 Hz，可見(jiàn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果符合性好，實(shí)際上如果考慮深部更好的基巖整體效應(yīng)， 計(jì)算的卓越周期與測(cè)試卓越周期符合性會(huì)更好。

圖5 面波測(cè)試曲線及反演結(jié)果

表5 面波測(cè)試結(jié)果及計(jì)算卓越周期

4 振動(dòng)衰減特性測(cè)試

學(xué)者進(jìn)行過(guò)地基豎向振動(dòng)衰減特性的理論研究[5]，本文從工程應(yīng)用的角度進(jìn)行了試驗(yàn)研究。國(guó)內(nèi)本次試驗(yàn)區(qū)擬采用振動(dòng)碾壓對(duì)地基進(jìn)行加固處理，振動(dòng)碾壓設(shè)備分兩種：①設(shè)備自重26 t，振動(dòng)頻率27/32 Hz；②設(shè)備自重36 t，振動(dòng)頻率28/32 Hz。通過(guò)試驗(yàn)確定地基處理的工藝和處理效果。

分別進(jìn)行了26 t和36 t錘碾壓設(shè)備在不同碾壓遍數(shù)下的振動(dòng)衰減測(cè)試，傳感器在地面按照一定間距沿直線布置，碾壓振動(dòng)設(shè)備與傳感器在同一直線上，振動(dòng)幅值（垂直分量）與距離的曲線關(guān)系見(jiàn)圖6和圖7。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，碾壓振動(dòng)能量衰減相對(duì)較快，碾壓振動(dòng)大部分振動(dòng)約在6 m 距離內(nèi)衰減完畢（振動(dòng)幅值衰減至約10%左右），之后曲線趨于平緩。

圖6 36 t碾壓設(shè)備振動(dòng)衰減曲線

圖7 26 t碾壓設(shè)備振動(dòng)衰減曲線

圖8分別是36 t和26 t碾壓設(shè)備處理前后動(dòng)探曲線。36 t碾壓設(shè)備振動(dòng)碾壓影響標(biāo)高能夠達(dá)到-3.5 m 以下，影響深度不小于5.5 m，并且表層4.0 m范圍提高比較明顯，振動(dòng)碾壓后動(dòng)探擊數(shù)均不少于5擊；26 t碾壓設(shè)備振動(dòng)碾壓影響影響深度能夠達(dá)3.5 m，并且表層3 m范圍提高比較明顯，振動(dòng)碾壓后動(dòng)探擊數(shù)均不少于5擊。

可見(jiàn)，36 t碾壓設(shè)備處理效果好于26 t碾壓設(shè)備處理效果。振動(dòng)衰減測(cè)試顯示的主要影響深度與36 t碾壓設(shè)備處理深度基本一致。經(jīng)過(guò)各類現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)總結(jié)，本項(xiàng)目最終選擇36 t碾壓設(shè)備進(jìn)行吹填珊瑚砂地基處理。

圖8 不同碾壓設(shè)備處理前后動(dòng)探曲線

5 結(jié)論

海洋環(huán)境下島礁的地脈動(dòng)在振動(dòng)幅值和頻率方面與內(nèi)陸環(huán)境是有區(qū)別的，總體來(lái)說(shuō)振動(dòng)卓越頻率較高（尤其是垂直分量）、振動(dòng)幅值相對(duì)要大，這與其所處的海洋環(huán)境和較淺的基巖埋深是相關(guān)的，一定程度上可能會(huì)對(duì)巖土體顆粒的結(jié)構(gòu)和受力特性產(chǎn)生影響，這種影響還有待進(jìn)一步的研究。通過(guò)振動(dòng)衰減測(cè)試也表明，碾壓振動(dòng)的影響范圍與碾壓振動(dòng)地基處理的深度有較好的相關(guān)性，不同的地基和不同的振動(dòng)施工設(shè)備可以通過(guò)振動(dòng)衰減測(cè)試來(lái)評(píng)價(jià)地基處理的深度，也為地基處理效果檢測(cè)提供了一種快速檢測(cè)的物探手段。