印度洋珊瑚岛礁地基动力特性测试分析

邹桂高 王笃礼 王祎鹏

（中航勘察设计研究院有限公司，北京 100098）

0 引言

印度洋珊瑚岛礁由于其独特的地理环境，地层的成因与内陆地层成因有明显差异，形成的地层岩性物理力学性质也可能存在较大的差异。海洋岛礁环境和内陆环境下的地基动力特性有一定的差异。研究印度洋珊瑚岛礁环境下的微振动以及珊瑚砂地层的振动特性，有助于进一步分析海洋环境下珊瑚砂地层的力学性质，并利用这些性质很好地为工程建设服务。

1 项目概况

1.1 项目位置

马尔代夫是印度洋上的群岛国家，是世界最大的珊瑚岛国。维拉纳国际机场是马尔代夫最重要的国际机场，位于北马累环礁瑚湖尔岛，靠近首都马累。根据机场发展的需要，拟对现有机场进行改扩建，飞行区新建跑道的建设是机场扩建的一部分。项目地理位置见图1。

图1 项目地理位置示意图

1.2 气象条件

项目所在国处于印度洋、赤道附近，季风气候。全年温度几乎保持一致，日温度从白天的31℃到晚上的23℃。多雨期（西南季风）从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，岛上陆地地面高程多在+1.0～+1.5 m之间。

1.3 场地地层情况

飞行区新建跑道为珊瑚砂吹填地基，吹填珊瑚砂需要进行地基处理才能满足跑道设计使用要求。依据勘察资料，地基处理试验区场地内16.0 m深度范围内的地层为：表层为人工填土层（吹填珊瑚砂），其下为珊瑚砂层，下伏为礁灰岩。各地层编号见表1，典型地层剖面见图2。

表1 地层编号说明表

2 地基动力特性测试目的

本项目飞行区地基为珊瑚砂吹填地基[1]，对于珊瑚砂地基的认识和研究目前还处于初级阶段，为满足飞行区跑道的设计要求，设计了五个小区试验对飞行区珊瑚砂的受力机理和地基处理工艺进行系统研究。本次开展的珊瑚砂地基动力特性测试工作主要包括：

①场地地脉动测试

测试目的在于了解印度洋珊瑚岛礁环境下的地脉动特点。

②振动衰减特性

根据珊瑚砂地基振动衰减特性，研究振动碾压地基处理影响深度。

3 地脉动测试

3.1 场地地脉动测试结果分析

本次分别对项目现场试验室和我公司在北京的土工试验室进行了地脉动测试。测试期间尽量避免人为振动干扰。图3是项目现场试验室的一次24 h（2017-08-19—2017-08-20）地脉动测试时域曲线，1天内地脉动振动幅值有明显的变化，夜间至早上，振动幅值相对较小，其他时段由于受到人为活动等影响振动幅值相对较大。测试结果见表2、表3和图4。

图2 典型地层剖面

图3 24 h地脉动测试时域曲线

表2 北京土工试验室地脉动测试成果表

表3 项目现场土工试验室地脉动测试成果表

图4 地脉动振幅-时间变化曲线

依据表2、表3以及图4地脉动振幅变化曲线，对两个场地的地脉动结果分析如下：

（1）北京土工试验室白天的地脉动幅值约为（1.3～1.8）×10-4m/s2，夜晚的地脉动幅值约为（0.9～1.1）×10-4m/s2；项目现场土工试验室白天的地脉动幅值约为（9.4～9.9）×10-4m/s2，夜晚的地脉动幅值约为（3.9～5.3）×10-4m/s2。项目现场土工试验室场地的地脉动幅值相对较大，约是北京土工试验室场地地脉动幅值的4～5倍，两个场地白天振动幅值都大于夜间，约是夜间振动幅值的1.5～2.0倍。

（2）北京土工试验室地脉动水平方向振动主要频率为3.5～3.7 Hz，垂直方向主要振动频率为4.0～4.8 Hz；项目现场土工试验室地脉动水平方向振动主要频率为6.3～7.1 Hz，垂直方向主要振动频率为12.9～13.6 Hz。项目现场土工试验室场地的振动卓越频率相对较高（尤其是垂直分量），这与该场地的基岩埋深浅（埋深约8～12 m）是相符的；北京土工试验室试验地面以下有一层地下室，由于人为活动等原因，振动频率在方向性和时间上均有一定的差异性。

对比我国沿海及内陆部分场地的地面地脉动测试结果[2--3]（见表4）认为，本项目场地和其他海洋环境下地脉动振动幅值相对较大，可能与其所处的海洋岛礁环境有关。

表4 国内部分地脉动测试结果统计

3.2 波速测试结果计算的场地卓越周期

本次试验区场地内进行了大量的面波测试探查地层分布，部分测试曲线及波速反演结果见图5和表5。根据现场钻探结果，场地内礁灰岩顶面埋深一般在8～12 m，结合表5测试结果分析认为，礁灰岩横波波速一般大于350 m/s，并与风化程度有关。

根据面波测试反演的横波波速结果计算的场地地脉动卓越周期见表5，从计算结果来看，卓越频率范围在5.3～6.9 Hz，而且基岩埋深越浅、越完整，计算的卓越周期值相对较高。

通常横波测试接收的是横波的水平分量，因而认为场地地脉动水平分量卓越周期与横波波速计算的场地地脉动卓越周期的相关性更高[4]，这与测试结果相符合。表3显示本场地地脉动水平分量的卓越周期范围为6.3～7.1 Hz，可见计算结果与实测结果符合性好，实际上如果考虑深部更好的基岩整体效应， 计算的卓越周期与测试卓越周期符合性会更好。

图5 面波测试曲线及反演结果

表5 面波测试结果及计算卓越周期

4 振动衰减特性测试

学者进行过地基竖向振动衰减特性的理论研究[5]，本文从工程应用的角度进行了试验研究。国内本次试验区拟采用振动碾压对地基进行加固处理，振动碾压设备分两种：①设备自重26 t，振动频率27/32 Hz；②设备自重36 t，振动频率28/32 Hz。通过试验确定地基处理的工艺和处理效果。

分别进行了26 t和36 t锤碾压设备在不同碾压遍数下的振动衰减测试，传感器在地面按照一定间距沿直线布置，碾压振动设备与传感器在同一直线上，振动幅值（垂直分量）与距离的曲线关系见图6和图7。从测试结果来看，碾压振动能量衰减相对较快，碾压振动大部分振动约在6 m 距离内衰减完毕（振动幅值衰减至约10%左右），之后曲线趋于平缓。

图6 36 t碾压设备振动衰减曲线

图7 26 t碾压设备振动衰减曲线

图8分别是36 t和26 t碾压设备处理前后动探曲线。36 t碾压设备振动碾压影响标高能够达到-3.5 m 以下，影响深度不小于5.5 m，并且表层4.0 m范围提高比较明显，振动碾压后动探击数均不少于5击；26 t碾压设备振动碾压影响影响深度能够达3.5 m，并且表层3 m范围提高比较明显，振动碾压后动探击数均不少于5击。

可见，36 t碾压设备处理效果好于26 t碾压设备处理效果。振动衰减测试显示的主要影响深度与36 t碾压设备处理深度基本一致。经过各类现场试验总结，本项目最终选择36 t碾压设备进行吹填珊瑚砂地基处理。

图8 不同碾压设备处理前后动探曲线

5 结论

海洋环境下岛礁的地脉动在振动幅值和频率方面与内陆环境是有区别的，总体来说振动卓越频率较高（尤其是垂直分量）、振动幅值相对要大，这与其所处的海洋环境和较浅的基岩埋深是相关的，一定程度上可能会对岩土体颗粒的结构和受力特性产生影响，这种影响还有待进一步的研究。通过振动衰减测试也表明，碾压振动的影响范围与碾压振动地基处理的深度有较好的相关性，不同的地基和不同的振动施工设备可以通过振动衰减测试来评价地基处理的深度，也为地基处理效果检测提供了一种快速检测的物探手段。