粗粒珊瑚礁回填料地基加固处理与工程性能分析

冯波，黄俊文，陈平山，余东华

粗粒珊瑚礁回填料地基加固处理与工程性能分析

冯波1，黄俊文1，陈平山1，余东华2

（1.中交交通基础工程环保与安全重点实验室，中交四航工程研究院有限公司，广东广州510230；2.中交四航局第五工程有限公司，福建福州350003）

以苏丹新港集装箱码头后方堆场地基处理工程为背景，设立了珊瑚礁回填料地基加固试验区，通过现场压实度、CBR、回弹模量与载荷试验，对比了振动碾压、快速强夯（夯击能500 kJ与1 000 kJ）与普通强夯（夯击能3 000 kJ）4种加固方式的加固效果，分析了不同加固方法加固后珊瑚礁回填料地基工程性能。试验结果表明，粗粒珊瑚礁回填料工程性能与碎石土相当，加固后的压实度、CBR、回弹模量与地基承载力特征值均有不同程度提高。

珊瑚礁；回填料；地基加固；工程性能

0　引言

20世纪60年代中期，在中东阿拉伯湾石油开采过程中，首次遇到由生物成因的珊瑚礁钙质土引起的工程问题，但并未意识到珊瑚礁钙质土的高碳酸钙含量会带来不良影响。随后在澳大利亚、菲律宾、巴西等国的海洋石油平台建设过程中，珊瑚礁岩土引起了一系列工程问题，并造成重大损失，这才引起了人们的关注，继而对珊瑚礁岩土的力学特性和工程特性进行了研究[1-2]。

我国于20世纪70年代末也开始遇到珊瑚礁岩土问题，为此对珊瑚礁岩土的工程力学性质进行了一些研究，主要集中于珊瑚混凝土特性试验、钢板桩设计与施工以及浅基础设计参数的选定等工程应用方面，在施工中积累了一定经验[3-5]。直到20世纪80年代中开始的“七·五”、“八·五”科学考察中，才开始将珊瑚礁岩土作为一种具有特殊工程力学性质的对象来研究。中国科学院武汉岩土力学研究所负责了“八·五”、“九·五”珊瑚礁工程地质攻关课题，分别在珊瑚礁岩土基本物理力学性质、动力学特性、颗粒破碎特性以及地基与基础工程等方面开展了全面系统的研究，取得了丰硕的成果[6]。

珊瑚礁回填料（吹填料）作为一种特殊的岩土介质类型，有着独特的工程环境特性和工程地质特性。目前，对珊瑚礁回填料地基加固的研究在国内少有报道，对加固后工程力学特征及地基性能尚在进一步探讨之中。本文以苏丹新港集装箱码头后方堆场地基处理工程为背景，通过现场试验对比了粗粒珊瑚礁回填料不同地基加固方式处理效果，可为珊瑚礁回填料工程应用提供指导。

1　工程背景

苏丹港新集装箱码头后方堆场项目位于苏丹北部的红海沿岸。堆场地基处理总面积64 817 m2。场区地表以下3.5 m左右为珊瑚礁回填料，其下由第四纪全新世新近风积和海相沉积形成的砂土和更新世海相沉积形成的珊瑚礁岩、珊瑚状碎屑岩及珊瑚状灰岩互层组成。

珊瑚礁回填料典型颗分曲线见图1，击实试验结果见图2。由试验结果可知，珊瑚礁回填料中巨粒含量约为6%，砾粒含量约为46%，砂粒含量约为33%，按照GB/T 50145—2007《土的工程分类标准》，应归类为粗粒土。珊瑚礁回填料最佳含水量为11.0%～13.8%，对应的最大干密度为1.966～2.047 g/cm3。

图1　珊瑚礁回填料典型颗分曲线Fig.1 Typical grain size curve of coral reef backfill

图2　珊瑚礁回填料击实试验Fig.2 Compaction test of coral reef backfill

2　地基处理工艺

根据吹填料厚度，现场采取了振动碾压、快速强夯（夯击能500 kJ和1 000 kJ）、普通强夯（夯击能3 000 kJ）3种加固方式。其中3 000 kJ强夯区用履带吊加强夯门架夯实，1 000 kJ强夯区选用履带吊加强夯门架及RIC高速夯实机夯实（图3），每点夯击数10击，夯点间距3 m，三遍点夯。500 kJ普夯选用快速夯实机夯实。

图3　快速夯实机施工Fig.3 Rapid compactor construction

高速夯实机工作是通过装载机或者挖掘机提供液压动力提升冲击锤，将夯锤提升至一定高度后释放，冲击锤芯重量3~9 t，落高1.2 m，冲击次数约40次/min，夯锤在重力和液压蓄能器的共同作用下加速下落，击打带缓冲垫的夯板，通过夯板夯击地面，夯实深度一般可达到4~5 m，最大可达10m。本项目采用RIC9配合卡特345B挖掘机进行，每夯击起重高度1.2 m，夯锤直径1.2 m，每夯遍夯点间距为2.4 m，分3夯遍施工，夯点采用梅花状形式。RIC9高速夯实机因为单点施工必须连续作业，目前仍没有相关收锤标准，在现场施工控制时以单点夯击施工完后再增加10夯击，以此10击夯沉量不大于50 mm为准则，同时夯坑周围地面不发生过大隆起，不因夯坑过深而发生起锤困难。

振动区采用20 t重型振动压路机。碾压遍数由典型施工确定，静压1遍，振动碾压6遍，碾压时由两侧开始向中心纵向碾压，按照初压、复压、终压（各两遍）三步骤进行。碾压速度控制在2~3 km/h，不得超过4 km/h。碾压时必须保持振动碾的振动功能均衡，通常控制在中到大油门，保证振动频率和振幅，从而保证压实效果。

3　工程性能对比分析

3.1压实度对比分析

压实度采用灌水法检测。振动碾压、500 kJ强夯、1 000 kJ强夯、3 000 kJ强夯加固后，珊瑚礁填料压实度分别达到94.9%、95.9%、97.1%、99.2%，经振动碾压处理后，珊瑚礁回填料压实度满足一般工程使用要求。

3.2CBR值对比分析

CBR试验在我国主要应用于公路工程，港口航运中的研究与应用较少，还未纳入到港口行业中的相关规程，因此其取值标准也未定。CBR值现场检测统计结果见表1。

表1　CBR值统计结果Table 1 Statistical result of CBR values

由表1可知，经振动碾压后，贯入量分别为2.5 mm与5mm时，粗粒珊瑚礁回填料CBR值可达26.1%与33.1%，远大于一般工程使用要求。振动碾压与500 kJ强夯后的CBR值接近，经1 000 kJ与3 000 kJ强夯后，CBR值分别提高约2倍与3倍。

3.3回弹模量对比分析

回弹模量测试方法为承载板测试仪，搭配2台弯沉仪使用。在堆场区、开山区与码头前沿3个不同区域开展了加固前后对比测试（表2），其中堆场区与开山区采用3 000 kJ强夯加固，码头前沿区采用振动碾压加固。

表2　加固前后回弹模量对比Table 2 Resilient modulus contrast before and after reinforcement

由表2回弹模量测试结果，可见强夯与振动碾压加固后回弹模量显著提高。

3.4地基承载力对比分析

地基承载力采用平板载荷试验确定。在振动碾压与强夯试验区（500 kJ、1 000 kJ、3 000 kJ）4个试验区加固前、后共进行了8个点位平板载荷试验，载荷板尺寸为0.5 m×0.5 m，荷载分级为100 kPa。图4为测试结果曲线。

图4　平板载荷试验p-s曲线Fig.4 p-s curves of plate load test

变形模量采用式（1）计算。式中：E0为变形模量，MPa；I0为刚性承压板的形状系数，方形承压板取0.886；P为承压板上的总荷载，kPa；s为与荷载P相对应的沉降量，mm；d为承压板的边长，0.50 m；μ为泊松比，按碎石土取值0.27。

受现场加载能力限制，试验最大荷载为4 000 kPa。地基未加固时，承载力特征值取比例界限对

应的荷载值，加固后的地基取沉降量为承压板边长的0.01倍对应的荷载，加固前后地基承载力特征值见表3。

表3　加固前后地基承载力特征值Table 3 Foundation bearing capacity values before and after reinforcement

由表3可知，振动碾压、500 kJ强夯、1 000 kJ强夯与3 000 kJ强夯加固后地基承载力特征值与加固前相比，分别提高约2.5倍、3.0倍、3.5倍与5倍。可见粗粒珊瑚礁回填料经振动碾压或小能级强夯后，地基承载力提高明显，与碎石土相当，可满足一般工程要求。

4　结语

本研究以红海地区珊瑚礁回填料地基加固处理工程项目为依托，在苏丹新港设立珊瑚礁回填料地基加固试验区，分别是振动碾压区及夯击能为500 kJ、1 000 kJ、3 000 kJ 4个试验加固区，通过现场检测获取地基土加固前后相关的技术指标，进而分析不同加固方法对珊瑚礁回填料的加固效果，可见粗粒珊瑚礁回填料经振动碾压或小能级强夯后，地基承载力提高明显，与碎石土相当，满足一般工程使用要求。

[1]NAUROY JF，LETIRANT P.Driven pile and drilled and grouted piles in calcareoussands[C]//The17stAnnualOffshore Technology Conference.Houston,1985:83-91.

[2]DUTT R N，DOYLE E H，NANDLAL S.Frictional characteristics of calcareous sands from offshore Florida[C]//The 18st Annual Offshore Technology Conference.Houston,1986:589-600.

[3]许宁.浅谈珊瑚礁岩土的工程地质特性[J].岩土工程学报，1989 （4）：81-88. XU Ning.Discussion of engineering geological properties of reef soils[J].Chinese Journal ofGeotechnical Engineering,1989(4):81-88.

[4]杨志强，赵威，宋朝景.钙质土层的工程地质调查[J].岩土力学，1994，15（4）：53-60. YANG Zhi-qiang，ZHAOWei，SONG Chao-jing.Geotechnical investigation in calcareoussoils[J].Rock and SoilMechanics,1994, 15(4):53-60.

[5]吴京平，褚瑶，楼志刚.颗粒破碎对钙质砂变形及强度特性的影响[J].岩土工程学报，1997，19（5）：49-55. WU Jing-ping,CHU Yao,LOU Zhi-gang.Influence of particle breakage on deformation and strength properties of calcareous sands[J].Chinese JournalofGeotechnical Engineering,1997,19(5): 49-55.

[6]刘崇权，杨志强，汪稔.钙质土力学性质研究现状与进展[J].岩土力学，1995，16（4）：74-83. LIU Chong-quan,YANG Zhi-qiang,WANG Ren.The present condition and development in studies ofmechanical properties of calcareous soils[J].Rock and SoilMechanics,1995,16(4):74-83.

Ground reinforcement treatment and engineering characteristics of coarse grained coral reefs backfill

FENGBo1,HUANG Jun-wen1,CHENPing-shan1,YUDong-hua2
（1.Key Laboratory ofEnvironmental Protection and Security of Transportation Infrastructure ProjectsofCCCC,CCCCFourth Harbor Engineering Institute Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510230,China;2.No.5 Eng.Co.,Ltd.of CCCCFourth Harbor Engineering Co.,Ltd.,Fuzhou,Fujian 350003,China）

Based on the engineering background of foundation treatmentworks of Sudan Port container yard,we established a field trial area for verification of coral reefs backfill foundation treatmentapproaches.Through the in-situ compaction degree, CBR,resilient modulus and plate load tests,we compared the reinforcement effects of vibration rolling,rapid compaction (compaction energy 500 kJ and 1 000 kJ)and general compaction(compaction energy 3 000 kJ),and analyzed the engineering characteristics of coral reefs backfill after the different reinforcement methods.The results show that the engineering properties of reinforced coarse coral reef backfill are similar to gravel soils,and the characteristic values of reinforced compaction degree,CBR,resilientmodulusand foundation bearing capacity have increased atdifferentextents.

coral-reefs;backfill;foundation reinforcement;engineering properties

U655.544.4；TU472.31；TU431

A

2095-7874（2016）04-0006-03

10.7640/zggw js201604002

2015-11-18

2015-12-25

中国博士后科学基金（2014M562179）

冯波（1982—），男，安徽六安市人，博士，高级工程师，主要从事地质工程、隧道与地下工程、岩土工程研究方面的工作。E-mail：bo.feng@foxmail.com