[工作精品论文]沙特rsgt码头项目珊瑚礁砂吹填料的压实效果研究与分析

中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集沙特RSGT码头项目珊瑚礁砂（砾）吹填料的压实效果研究与分析王伟智1陈辉2贺迎喜3（1,2中交四航局二公司RSGT项目部广州510300；3中交四航工程研究院有限公司广州510230）摘要依托沙特RSGT集装箱码头项目，结合珊瑚礁的矿物成分及基本物理力学特性分析，针对珊瑚礁砂（砾）填料开展室内击实试验对比研究，采用低能强夯和振动碾压相结合对珊瑚礁砂（砾）浅表层地基进行压实效果研究，试验结果表明珊瑚礁砂（砾）材料属于一类工程应用较少的新型填料，该类填料地基的浅表层碾压效果较好，且经济、环保，可望在珊瑚礁大量分布的沿海地区的港口码头建设项目中得到推广和运用。关键词珊瑚礁砂（砾），压实，振动碾压，强夯，CBR在大量珊瑚暗礁与岛屿分布的沿海地区，为适应码头和港口建设需要，在航道区域或这近海区开挖珊瑚礁形成港池，然后吹填珊瑚礁砂砾形成码头陆域。利用海中港池开挖珊瑚礁砂砾作为地基回填材料，就地取材，降低了工程造价，缩短了工期，为沿海地区码头工程建设的造陆工程提供一条新路。1珊瑚礁的矿物成分和基本物理力学及化学特性珊瑚礁岩土类型从工程地质角度可分为珊瑚礁岩和珊瑚碎屑土两大类，珊瑚礁岩如按成因又可分为原生礁岩和次生礁岩两种，它们都属于碳酸岩中的一种生物礁灰岩。珊瑚礁岩的矿物成分主要是文石和高镁方解石。摩氏硬度为35，其化学成份主要为CACO3，其含量高达9097，在岩土类别中统属碳酸类土或钙质土5。RSGT码头附近水域的珊瑚礁石大多是由微生物经过漫长地质年代进化而生成，属于生物化学沉积岩，根据风化程度不同可分为两类珊瑚礁石和珊瑚礁砂。珊瑚礁石颜色呈洁白或灰白，其物性比重240260，天然密度010501720，孔隙率为4157，抗压强度5211172MPA，饱和礁灰岩弹性模量为81116GPA，泊松比为021026；干燥礁灰岩弹性模量为933206GPA，泊松比为020025,化学性能含量为9097，含量为005016。3/MKG3CACONACL珊瑚礁砂颜色呈洁白或灰白，物性比重215247，天然密度09831628KG/M3，细度模数142168，,吸水率XMM2133，化学性能含量为9296,含量为003063。3CACONACL疏浚开挖后珊瑚礁砂（砾）的颗粒分布情况及级配见图1。444中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集图1珊瑚礁砂颗粒分析试验曲线2工程概况沙特RSGT集装箱码头项目位于沙特阿拉伯吉达市，码头后方新吹填和原有陆域的地基处理面积达41万平方，其中临时围堰至码头外侧回填区域采用振冲法加固，围堰至陆域回填区域采用高能强夯对地基进行深层加固，浅表层采用低能强夯和振动碾压相结合的方法进行压实。3室内击实压实试验研究现场取样对珊瑚礁砂填料开展室内试验研究，以确定该类填料的压实工艺，指导现场施工。31中国公路行业与美国ASTM击实试验标准的对比本项目属于国际建设工程项目，均采欧美国家土木工程建设行业权威标准，如岩土的室内击实试验符合美国材料与试验协会行业标准（ASTM）。针对室内击实试验击实功的不同，美标ASTM分为两类600和2700，这与中国公路工程室内击实标准相对应，分别是轻型击实（598）和重型击实（26772687）。在击实试验方面，中国公路行业标准和美国ASTM标准大同小异，只是击实试验筒尺寸、锤重、击锤落高等方面存在较小差别（见表1），关键是二者击实功（轻型和重型）基本对应相同，因此二者相应得出的击实试验结果也基本相同。3/MMKN3/MKJ3/MKJ表1中国与美国击实试验方法对比试筒尺寸类别锤底直径（CM）锤质量（KG）落高（CM）内径（CM）高（CM）击实功（）3/MKJ最大粒径（CM）公路公路I15253010127598220445中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集I25253015217598240II154545101272687020工程标准规范土工试验规程II254545152172677240ASTMD69800508001325001304801315240071164005600019美国材料试验协会ASTMASTMD1557025080013454001457201315240071164005270001932室内击实与现场碾压理论最大干密度和最佳含水率的关系研究由于击实试验标准ASTMD155716（重型击实）或ASTMD69817（轻型击实），仅适用于粒径大于3/4英寸筛（190MM）颗粒的含量不超过30。但是从现场吹填珊瑚礁石填料的颗分试验结果可知，粒径大于190MM颗粒的含量一般为3555，采用美标ASTMD1557或D698击实试验标准得出的击实曲线不能正确地反映现场填料实际压实情况，因此需要根据室内击实试验结果进行相应的修正，方可指导现场实际碾压施工和检测，为此进行如下试验方法的设计（1）采用干法（DRYPREPARATIONMETHOD）试验方法，首先对珊瑚礁石试样进行风干或烘干，待干燥后，取土样进行颗粒分析试验，计算出粒径大于190MM粗颗粒的含量百分比和小于190MM细颗粒的含量百分比。FPCP（2）然后取干燥土样按四分法准备45个试样，分别加入不同水分（按23含水量递增），拌匀后闷料一夜备用。闷料完成后取试样按照ASTMD1557或D698进行击实试验，获得室内击实理论最大干密度和最佳含水量，同时对每个配水试样分别取样过19MM筛，放入烘箱分别测得大于190MM粗颗粒的含水率C和小于190MM细颗粒的含水率F。（3）根据美标ASTMD4718对室内击实试验最大干密度和最佳含水量进行修正，得到现场实际级配填料的理论最大干密度和最佳含水量，修正公式如下CCFFWPPC（I）WC为修正后的实际级配填料含水率；F为细颗粒的压实含水率；C为粗颗粒的含水率；FP为细颗粒（粒径小于或等于475MM）的百分比；为粗颗粒（粒径大于475MM）的百分比。CP446中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集100FWMCFWMFDPGPGC（II）DC为修正后的实际级配填料压实干密度；MG为粗颗粒的比重（珊瑚礁石粗颗粒的土粒比重为2426，本文计算采用均值25）；F为细集料室内击实干密度；W为水的密度（通常去9802）。3/MG33重型和轻型击实试验方法的选取通过设计室内击实试验方法，确立了室内和现场理论最大干密度和最佳含水量的函数关式，接下来就是针对珊瑚礁填料开展重型和轻型击实试验对比研究，为现场碾压工艺的优化和压实机具的选择提供技术参考。根据32节设计的试验方法，遵循美标ASTMD1557（重型击实）与ASTMD698（轻型击实）试验标准，对珊瑚礁填料开展室内重型和轻型标准击实试验，由于珊瑚礁填料的不均匀性，选取3组试样进行颗粒分析与击实试验对比分析，试验结果如图35和表2所示。0102030405060708090100001010100100010000小于某粒径的土质量百分数（）土粒粒径（MM）140145150155160165170175203550658095110125140）干密度（3/CMG（）含水率）（）含水率重型击实轻型击实图3颗粒分析试验曲线与击实曲线（试样1）0102030405060708090100001010100100010000小于某粒径的土质量百分数（）土粒粒径（MM）140145150155160165170175180203550658095110125140）干密度（3/CMG（）含水率）干密度（）干密度（重型击实轻型击实图4颗粒分析试验曲线与击实曲线（试样2）0102030405060708090100001010100100010000小于某粒径的土质量百分数（）土粒粒径（MM）140145150155160165170175203550658095110125140）干密度（3/CMG（）含水率）干密度（重型击实轻型击实图5颗粒分析试验曲线与击实曲线（试样3）447中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集表2击实试验结果汇总土样编号击实类型试验最佳含水率F试验最大干密度3/GCMFPCPC修正的最佳含水率A修正的最大干密度A3/GCM重型68171603639643555195试样1轻型86159603639643566185重型67176662033803757195试样2轻型77158662033803764180重型65173663333673356192试样3轻型83158663333673364180注（A）修正的最佳含水率和最大干密度按照公式（I）和（II）计算得出。（B）、FPCPF、C参数的解释见公式（I）和（II）。分析以上击实试验结果可知，采用重型击实试验（击实功为2700）获得的最大干密度比轻型击实（击实功为600）高出5483，这说明对珊瑚礁石采用重型击实效果优于轻型击实，同时也验证了珊瑚礁类的砂砾土适用于重型击实。由于砂砾土的室内重型击实最佳含水量一般低于10，不同于对碾压含水量控制要求较为严格的粘性土压实，通常在沙特炎热气候条件下对新近吹填的填料晾晒23天便可以进行碾压施工。3/MKJ3/MKJ4现场压实试验研究通常对地基浅表层压实，采用方法有振动压实、冲击压实和强夯压实。在本项目中经过技术经济比选，确定采用强夯和振动压实相结合的压实工艺。41强夯压实强夯法在国内外大量工程实践中被证实是一种经济性好且处理质量良好的地基处理方法，但到目前为止，还没有一套成熟的理论和计算方法。关于强夯加固技术处理软弱或松散地基土层的机理，文献3认为可概括为3种动力密实机理，动力固结机理和动力置换机理。本项目中吹填场地的表层土主要为珊瑚礁砂（砾），其中砾石含量达到2546，采用强夯法进行浅表层加固和压实处理属于动力密实。411强夯施工概况本工程围堰至陆域回填区域采用珊瑚礁砂进行回填，回填后的主要土层为珊瑚礁砂砾砂和砾石、少量淤泥夹层或混层。结合现场地质条件及回填料性质，设计采用高低能强夯相结合的方法对回填区地基进行深层加固和浅层压实处理。412浅表层地基强夯压实技术参数与工艺采用高夯击能对深层地基进行加固处理后，再采用低夯击能对浅表层地基进行压实处理，此强夯方案确定为一遍普夯，夯锤质量是18吨，夯击能是1000MKN，采用互相搭接448中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集四分之一直径，即夯点间距为夯锤半径11M。（见图6）。图6低能强夯施工步骤413强夯效果分析（1）强夯加固效果检验由于本项目地基处理采用两遍高能强夯对地基进行深层加固，对第二遍高能强夯形成深度为1830M，直径达2032M的较大夯坑进行回填后再进行浅表层的低能强夯，选取具有代表性的3个夯击点位（S1，S2和S3）进行低能强夯前后的标准贯入SPT检测，检测时间为强夯后25天内。（2）检测结果分析通过强夯对珊瑚礁砂（砾）地基进行浅层动力压实，采用1000MKN的击实能，其有效加固深度为56M，同时由于珊瑚礁填料属于砂砾土，强夯后地基强度增长较快。由3个夯点位的SPT检测数据显示（如图7所示），深度2M范围内即水位线以上土体在低能强夯前后其标贯值N635提高显著，由强夯前的1013击提高到2731击，这是因为检测点位于高能强夯的夯坑中心，高能强夯夯坑回填内的土体较为松散，而经补充普夯后坑内土体得到有效充分压实；在26M范围内标贯击数略有提高，因为普夯前的高能强夯已经对该范围内的土体进行了较高程度的动力夯实作用。现场检测结果表明，特别是对于珊瑚礁砾石粗颗粒含量较高的地基，强夯压实效果更佳，强夯影响范围内的土层标贯N635可达30击以上，因此地基承载能力大大提高，且强夯影响范围内土层的压缩沉降变形大幅度减小，浅表层的压缩变形在强夯结束后短期内基本全部完成。05101520253035标准贯入击数深度（M）030456015AAAAABBBBBA强夯前B强夯后05101520253035标准贯入击数深度（M）030456015AAAAABBBBBA强夯前B强夯后夯点S1夯点S2449中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集05101520253035标准贯入击数深度（M）030456015AAAAABBBBBA强夯前B强夯后夯点S3图7低能强夯前后标准贯入试验SPT试验结果对比42振动压实珊瑚礁填料的粗颗粒含量较高，压缩性低，强度高，透水性强，力学性质稳定，孔隙比较大，颗粒之间没有粘聚力，当外力大于颗粒间的摩擦力时，可以使颗粒间产生相对移动，该类填料地基物理力学性质类似于填石料地基，国内针对填石料的压实特性的研究较多，研究表明填石料地基大多采用振动式压路机对浅表层进行压实8,9，因此在吸取过去对填石料碾压施工的成功经验基础上，本项目地基碾压确定采用振动压实加固浅表层地基。对珊瑚礁石填料开展室内击实试验研究，确定采用重型标准击实试验方法以获得最佳的击实效果，相应地现场碾压施工需采用重型压实功进行地基土碾压，所采用压路机械相关参数如下重型振动压路机工作质量为25T，激振力大/小为416/275KN，激振频率低/高为27/31HZ。421碾压参数确定为研究确定珊瑚礁填料的现场碾压质量，在碾压试验区，开展珊瑚礁填料的现场振动碾压试验研究，其最终目的是确定该类填料的合适碾压遍数、压实最佳含水率等施工技术参数。现场压实度随碾压遍数、含水率的变化见表3和图8。表3压实度与碾压遍数、含水率关系表压实度（）碾压含水率碾压遍数355575955932948951949694596396495679539869749638967989977966450中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集9293949596979899100304050607080901005遍6遍7遍8遍压实度（）碾压含水率（）图8振动碾压遍数与压实度的关系曲线从图8中可以看出，当碾压至第7遍时，珊瑚礁填料的压实度达到较高水平，压实度达到953986，若继续增加碾压遍数，对压实度提高较小，因此采用该重型振动压路机碾压7遍时其压实效能为最佳，此时的压实功称之为最佳有效压实功。由于珊瑚礁填料属于砂砾类土，当含水率控制在510范围内，压实效果好，且易于现场控制，同时这与修正的现场碾压最佳含水率56相一致。422现场CBR检测加州承载比CBRCALIFORNIABEARINGRATIO是国际上普遍认同在公路工程中广泛使用的一个性能指标，它是评价路基土强度和稳定性的主要依据之一。CBR值是指试料贯入量达25MM时，单位压力与标准碎石压入相同贯入量时标准荷载强度的比值。本项目现场CBR检测遵循英国土木工程标准BS1377，在碾压试验区针对碾压遍数为7遍，含水率为55和75的压实地基开展现场CBR检测，选取8个点位对比分析，其检测结果见表4，5。表4现场CBR检测结果碾压含水率为55检测点编号C1C2C3C4CBR（贯入量为25MM）434531594544CBR（贯入量为50MM）452613612485表5现场CBR检测结果碾压含水率为75检测点编号C5C6C7C8CBR（贯入量为25MM）508484516478CBR（贯入量为50MM）510519612444451中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集由现场CBR检测结果可知，经过低能强夯和振动碾压联合压实后的地基土完全满足项目技术规格书对垫层的现场CBR（大于30）的设计要求，同时压实度均大于95，地基承载力显著提高，后期地基的沉陷变形基本消除。43珊瑚礁填料的粒径及均匀性对现场碾压效果的影响分析及施工建议粗颗粒合理的粒径和含量对填料的压实性能和抗剪强度都有较大的改善作用，但是粗颗粒的粒径过大往往影响压实效果，通常控制填料最大粒径不超过分层压实厚度的2/3。粒径过大时，石料与压路机的碾压面直接作用的可能性加大，会大大消弱周围土体的压实功效10。在前期陆域形成的水力吹填过程和后期地基整平过程中，如果没有有效分散大粒径珊瑚礁石，会造成珊瑚礁石集中的现象，即使采用相同的压实功效，也会在同一层位填料中产生不同的压实结果，因此碾压的不均匀性会造成地基的不均匀压缩变形，这将给运营期的码头地基带来不小的隐患。现场试验结果表明粗颗粒的含量是影响珊瑚礁石压实性能的重要因素之一。含量小于40时，压实效果随着粗颗粒的增大有所增强。在实际施工中对粗颗粒含量较低的珊瑚礁石填料难以控制，况且少量的粗颗粒对土体整体强度影响不大，碾压不均匀反而会影响同一层填料的整体强度。所以建议出了非用不可时，一般不适合采用粗颗粒含量低于40的填料。当粗颗粒含量处于4070之间时，压实度的显著提高且较稳定，粗细颗粒的含量较以均匀，颗粒之间的摩擦力和嵌挤锁结力增大，内摩擦角增大，粗颗粒之间有足够的细料填充，经碾压后，压实功也能均衡地传递给地基土中，土体的空隙明显减少，单位体积的压实度提高，从而提高了土体的抗剪强度。当粗颗粒含量超过70时，粗颗粒主要是起骨架作用，颗粒间的空隙没有足够的细料填充，颗粒间容易出现较多或较大孔隙，嵌挤锁结力减小，压实时，也就类似压路机直接作用于粒径过大的礁石上，周围的土体得不到有效的压实，同理，粗颗粒间空隙的空气不能很好地排出，土体单位体积内的压实度得不到提高反而有所减少，所以压实度相对而言有所下降，稳定性也差，在自然因素及荷载推荐作用下容易发生松动而引起沉陷变形。采用吹填珊瑚礁砂砾形成陆域工程中，若吹填工艺控制不好，容易出现吹填料粒径不均，级配较差的情况，这对后期的浅表层地基碾压带来不利影响。为了地基土能够充分有效的得到压实，首先在地基吹填过程中合理地组织安排吹填施工，保证吹填料，特别是水位以上填料的均衡性，然后在地基整平过程中严格控制好大粒径珊瑚礁石的分布均匀性，对超大粒径的礁石可填筑在深层水面以下，或集中起来进行破碎碾压以减小其最大粒径，这样才能保证浅表层珊瑚礁填料地基的碾压达到最佳效果。5小结结合沙特RSGT港口工程项目地基处理工程，对珊瑚礁砂（砾）填料室内和现场的压实特性进行了相关研究，得出以下结论（1）针对珊瑚礁砂（砾）材料的独特物理力学特性，开展室内重型和轻型击实试验研究，并建立了室内和现场理论最大干密度和含水率的关系函数，将室内试验成果有效地用于指导现场地基压实施工质量控制。452中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集（2）在珊瑚礁砂（砾）吹填造陆区，在高能强夯加固深层地基的基础上，采用低能强夯和振动碾压相结合的浅表层地基压实技术，地基强度显著提高，消除了地基沉陷隐患，减少工后沉降，同时就地取材、大大降低工程造价、缩短建设工期和减少施工难度，因此具有较高的社会和经济、环保效益，对珊瑚礁海域附近的港口造陆工程具有很大的应用前景。（3）沙特属于热带沙漠气候区，全年炎热干旱少雨，白天现场气温高达3845度，在这种酷热气候环境下，珊瑚礁砂（砾）垫层（SUBGRADELAYER）的现场碾压施工需要充分控制好压实含水率，压实完成后尽快开始下阶段级配碎石基层（SUBBASE）的施工，以保证垫层不会因水分过渡散失而松散，强度较低。国内外有关珊瑚礁作为土木工程材料的工程研究与应用较少，目前国内有关勘察，地基设计规范中，尚未列出珊瑚礁类岩土。因此，深入开展珊瑚礁的试验研究及现场工程实践，对珊瑚礁石吹填地基施工有重要的现实意义。【参考文献】1地基处理手册编写委员会地基处理手册第二版M北京中国建筑工业出版社，20002严与平,柯有青浅谈珊瑚礁工程地质特性及地基处理J资源与环境工程,2008,1247493陈希哲土力学地基基础M北京清华大学出版社，19953964014孙宗勋，詹文欢等南沙群岛珊瑚礁岩体结构特征及工程地质分带J热带海洋学报,2004，35汪稔，宋朝景，赵焕庭等南沙群岛珊瑚礁工程地质M北京科学出版社，1997WANGREN，SONGCHAOJING，ZHAOHUANTING，ETALCORALREEFENGINEERINGGEOLOGYOFNANSHAISLANDSMBEIJINGSCIENCEPRESS，1997INCHINESE6VERDUGOR，ISHIHARAKTHESTEADYSTATEOFSANDYSOILSJSOILSANDFOUNDATIONS，1996，36281917邓筱鹏，吴庆飞，周健，等大面积粉细砂吹填成陆地基加固技术应用J水运工程，2005，54247DENGYOUPENG，WUQINGFEI，ZHOUJIAN，ETALIMPROVEMENTTECHNOLOGYOFLARGEAREASILTYSANDRECLAIMEDFOUNDATIONJPORTANDWATERWAYENGINEERING，2005,542478王康臣填石路堤在高速公路中的应用研究J广东公路交通,1999,4601722（WANGKANGCHENRESEARCHONROCKFILLEMBANKMENTAPPLICATIONINHIGHWAYJGUANGDO