基于干密度指標(biāo)的珊瑚砂吹填地基機(jī)場(chǎng)跑道沉降計(jì)算

王篤禮 李建光 李 興

( 1. 中航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100098；2. 北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100088 )

1 研究背景

隨著國(guó)家“一帶一路”倡議得到越來(lái)越廣泛地響應(yīng)，國(guó)內(nèi)勘察設(shè)計(jì)單位在“一帶一路”沿線(xiàn)部分國(guó)家遇到了一些與珊瑚砂相關(guān)的巖土工程問(wèn)題。國(guó)內(nèi)對(duì)我國(guó)南海的珊瑚砂工程力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了長(zhǎng)期深入地研究,取得了一系列重要成果,有力指導(dǎo)了南海島礁工程建設(shè)[1]。但國(guó)內(nèi)工程技術(shù)人員對(duì)國(guó)外珊瑚砂的巖土工程問(wèn)題了解較少，工程經(jīng)驗(yàn)較缺乏。

珊瑚砂吹填地基主要由耙吸或絞吸吹填的珊瑚砂、珊瑚斷枝及兩者的混合物構(gòu)成。顆粒大小不均、分布無(wú)規(guī)律，顆粒存在棱角和內(nèi)孔隙，無(wú)確定的最優(yōu)含水率和最大干密度[2-4]。地表荷載、自重、潮汐和地殼運(yùn)動(dòng)等因素造成珊瑚砂顆粒的重排列、珊瑚枝的斷裂、內(nèi)孔隙破裂與刺入，引發(fā)珊瑚砂地基沉降變形。

工程設(shè)計(jì)時(shí)一般采用分層總和法計(jì)算飛機(jī)跑道的沉降變形，但準(zhǔn)確測(cè)定珊瑚砂地基的孔隙比、壓縮模量較困難。有采用蠕變系數(shù)計(jì)算珊瑚砂地基沉降的案例，但不同方法確定的蠕變系數(shù)差異較大。如何較準(zhǔn)確計(jì)算珊瑚砂吹填地基的沉降，目前仍是工程設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)。

2 研究思路

珊瑚砂吹填地基中，只有細(xì)顆粒的珊瑚砂可進(jìn)行常規(guī)室內(nèi)壓縮試驗(yàn)，很顯然，細(xì)顆粒珊瑚砂壓縮試驗(yàn)成果應(yīng)用到工程實(shí)踐中是不合理的。本項(xiàng)研究采用壓力機(jī)對(duì)大尺寸試樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)樣品包括細(xì)顆粒的珊瑚砂、枝丫狀的珊瑚枝及兩者的混合物，獲取壓縮變形規(guī)律，以用于珊瑚砂吹填地基的沉降計(jì)算。

由于珊瑚砂顆粒和珊瑚枝幾乎全部由碳酸鈣組成，不存在遇水崩解、排水固結(jié)等特征，通過(guò)增大室內(nèi)壓縮試驗(yàn)尺度，其壓縮試驗(yàn)成果可以應(yīng)用于珊瑚砂吹填地基的沉降計(jì)算。

3 試驗(yàn)過(guò)程

本次試驗(yàn)采用TENSON壓力機(jī)(見(jiàn)圖1)，試樣筒采用直徑152 mm、高170 mm的圓柱型鋼桶(見(jiàn)圖2)。

圖2 試樣筒

試驗(yàn)樣品采自國(guó)外某機(jī)場(chǎng)，樣品名稱(chēng)、編號(hào)、含水率見(jiàn)表1，樣品照片見(jiàn)圖3—圖5，顆分級(jí)配曲線(xiàn)見(jiàn)圖6、圖7，珊瑚枝未能提供顆分級(jí)配曲線(xiàn)和顆粒組成。工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)水面以上珊瑚砂含水率一般為13%～17%，本次試驗(yàn)含水率采用15%。

表1 樣 品 描 述

圖3 珊瑚砂

圖4 珊瑚枝

圖5 珊瑚砂與珊瑚枝混合料

圖6 珊瑚砂顆粒級(jí)配曲線(xiàn)

圖7 珊瑚砂和珊瑚枝混合料顆粒級(jí)配曲線(xiàn)

4 試驗(yàn)成果

將9個(gè)樣品分別分層裝入試樣筒中，低壓力壓平后，樣品高度117 mm，放在壓力機(jī)上進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8—圖10，其中豎向應(yīng)變?chǔ)臑樨Q向壓縮變形d與試驗(yàn)原始高度h0的比值。

圖8 壓力-位移曲線(xiàn)

圖9 壓力-應(yīng)變曲線(xiàn)

在試驗(yàn)過(guò)程中，隨著試驗(yàn)壓力P的加大，珊瑚砂樣品有輕微滲水現(xiàn)象；珊瑚枝、珊瑚砂與珊瑚枝混合料樣品沒(méi)有發(fā)生滲水現(xiàn)象。依據(jù)樣品烘干后質(zhì)量及每級(jí)壓力下樣品體積，計(jì)算出每級(jí)壓力P下樣品干密度ρd，繪制壓力-干密度曲線(xiàn)(見(jiàn)圖10)。

喬振宇一撇嘴：“男主外女主內(nèi)的傳統(tǒng)婚姻多好啊，我這個(gè)建筑師又不是養(yǎng)不起你，我負(fù)責(zé)賺錢(qián)養(yǎng)家當(dāng)大爺，你負(fù)責(zé)貌美如花當(dāng)小媳婦，我爸、我哥們兒還有我表妹，他們都是這么結(jié)婚過(guò)日子的，就你瞎較勁兒！”

圖10 壓力-干密度曲線(xiàn)

壓力為2 MPa時(shí)，珊瑚砂、珊瑚砂與珊瑚枝混合料的最大干密度分別為1.580 g/cm3、1.623 g/cm3。

壓力為4 MPa時(shí)，珊瑚砂、珊瑚砂與珊瑚枝混合料的最大干密度分別為1.657 g/cm3、1.706 g/cm3。

珊瑚枝1.1～1.5 MPa開(kāi)始破碎，破碎時(shí)最大干密度為1.076 g/cm3。

為了更好地分析工程荷載2 MPa以?xún)?nèi)的壓力與應(yīng)變的關(guān)系,繪制圖11。珊瑚砂、珊瑚枝及珊瑚砂與珊瑚枝混合料隨著壓力的增加，壓縮變形持續(xù)增長(zhǎng)。其中珊瑚砂、珊瑚砂與珊瑚枝混合料隨著壓力的增加，其壓縮變形規(guī)律相近。

圖11 壓力-應(yīng)變曲線(xiàn)(0～2.0 MPa)

珊瑚砂、珊瑚枝及珊瑚砂與珊瑚枝混合料的干密度與應(yīng)變具有較好的線(xiàn)性相關(guān)性(見(jiàn)圖12)。

圖12 干密度-應(yīng)變曲線(xiàn)

在實(shí)際工程中，珊瑚砂吹填地基主要由珊瑚砂與珊瑚枝混合料組成，純珊瑚砂或珊瑚枝所占比例較小。珊瑚砂與珊瑚枝混合料是工程需要研究的重點(diǎn)，其干密度-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖13所示，壓力-干密度曲線(xiàn)如圖14所示。經(jīng)分析，SHSZ3樣品的壓力-干密度曲線(xiàn)最具有代表性，可用于該機(jī)場(chǎng)跑道地基研究，見(jiàn)圖15。

圖13 珊瑚砂與珊瑚枝混合料干密度-應(yīng)變曲線(xiàn)

圖14 珊瑚砂與珊瑚枝混合料壓力-干密度曲線(xiàn)

圖15 SHSZ3樣品壓力-干密度曲線(xiàn)

圖13中,SHSZ3珊瑚砂與珊瑚枝混合料樣品干密度ρd與應(yīng)變?chǔ)年P(guān)系為：

δ= 0.5751×ρd-0.8414，R2=0.9982

(1)

圖15中，SHSZ3珊瑚砂與珊瑚枝混合料樣品壓力P與干密度ρd關(guān)系為：

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

(2)

當(dāng)壓力P>0.6 MPa時(shí)，即圖15中②段

ρd=0.0566×P+1.5189，R2=0.9967

(3)

5 機(jī)理分析及工程應(yīng)用

機(jī)場(chǎng)跑道地基為吹填和自然沉積的珊瑚砂與珊瑚枝混合物，0～9 m為絞吸吹填形成，9～12 m為自然沉積形成，12 m以下為礁灰?guī)r，地下水位為地面以下1 m，地基處理厚度4 m，地基處理示意圖見(jiàn)圖16。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)分析，人工吹填和自然沉積地層的物質(zhì)組成、物理力學(xué)性質(zhì)基本一致，自然沉積地層同樣會(huì)產(chǎn)生沉降變形。

圖16 地基處理示意圖

依據(jù)地層厚度及實(shí)測(cè)干密度，按式(1)—式(3)計(jì)算吹填時(shí)的虛鋪厚度(吹填標(biāo)高與地基處理后的地面標(biāo)高之差)、總沉降量。

5.1 虛鋪厚度

對(duì)0～4 m人工吹填珊瑚砂與珊瑚枝混合地層進(jìn)行處理，處理前干密度ρd為1.5 g/cm3，處理后干密度ρd達(dá)到1.6 g/cm3，經(jīng)計(jì)算，地基處理期間變形(即需要的虛鋪厚度)為230 mm，計(jì)算過(guò)程見(jiàn)表2。施工現(xiàn)場(chǎng)共布置5個(gè)地基處理試驗(yàn)區(qū)，地基處理過(guò)程中觀(guān)測(cè)地面沉降量為200～300 mm，其中試驗(yàn)區(qū)1中四個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)的碾壓變數(shù)N-高程關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖17。

表2 地基處理期間變形計(jì)算表

圖17 地基處理試驗(yàn)區(qū)1沉降觀(guān)測(cè)曲線(xiàn)

虛鋪厚度的計(jì)算結(jié)果與地基處理后沉降觀(guān)測(cè)成果較接近，驗(yàn)證了該計(jì)算方法的可靠性，為采用同樣的計(jì)算公式進(jìn)行總沉降預(yù)測(cè)提供了依據(jù)。

5.2 總沉降

機(jī)場(chǎng)跑道寬B為60 m，荷載P為120 kPa。除了道面荷載外，地基自重也是地基產(chǎn)生緩慢壓縮變形的重要因素，機(jī)場(chǎng)跑道總沉降量計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖18，計(jì)算過(guò)程見(jiàn)表3。依據(jù)計(jì)算，該跑道總沉降量115.5 mm，滿(mǎn)足沉降小于300 mm的設(shè)計(jì)要求。

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)13個(gè)沉降觀(guān)測(cè)點(diǎn)截止2020年1月共計(jì)25個(gè)月觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，地面沉降小于10 mm，沉降均勻，跑道狀態(tài)良好。

圖18 總沉降計(jì)算簡(jiǎn)圖

表3 總沉降計(jì)算表

6 結(jié)論及建議

(1)通過(guò)室內(nèi)大尺寸樣品的壓縮試驗(yàn)，獲得珊瑚砂、珊瑚枝及珊瑚砂與珊瑚枝混合料的壓力-干密度關(guān)系曲線(xiàn)和干密度-豎向應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)。

(2)依據(jù)實(shí)測(cè)干密度計(jì)算珊瑚砂吹填地基的虛鋪厚度和機(jī)場(chǎng)跑道總沉降量，為珊瑚砂吹填地基的沉降變形提供了一種新的計(jì)算方法?，F(xiàn)場(chǎng)干密度指標(biāo)容易獲取，室內(nèi)壓縮試驗(yàn)容易操作，該計(jì)算方法工程實(shí)用性強(qiáng)。

(3)本次試驗(yàn)是在擊實(shí)試驗(yàn)的擊實(shí)桶中進(jìn)行，應(yīng)進(jìn)一步研究試樣尺寸對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，將試樣桶標(biāo)準(zhǔn)化。

(4)本次研究只采用含水率15%珊瑚砂進(jìn)行試驗(yàn)，應(yīng)進(jìn)一步研究含水率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。