印度洋珊瑚島礁地基動力特性測試分析

鄒桂高 王篤禮 王祎鵬

（中航勘察設計研究院有限公司，北京 100098）

0 引言

印度洋珊瑚島礁由于其獨特的地理環境，地層的成因與內陸地層成因有明顯差異，形成的地層巖性物理力學性質也可能存在較大的差異。海洋島礁環境和內陸環境下的地基動力特性有一定的差異。研究印度洋珊瑚島礁環境下的微振動以及珊瑚砂地層的振動特性，有助于進一步分析海洋環境下珊瑚砂地層的力學性質，并利用這些性質很好地為工程建設服務。

1 項目概況

1.1 項目位置

馬爾代夫是印度洋上的群島國家，是世界最大的珊瑚島國。維拉納國際機場是馬爾代夫最重要的國際機場，位于北馬累環礁瑚湖爾島，靠近首都馬累。根據機場發展的需要，擬對現有機場進行改擴建，飛行區新建跑道的建設是機場擴建的一部分。項目地理位置見圖1。

圖1 項目地理位置示意圖

1.2 氣象條件

項目所在國處于印度洋、赤道附近，季風氣候。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）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 場地地層情況

飛行區新建跑道為珊瑚砂吹填地基，吹填珊瑚砂需要進行地基處理才能滿足跑道設計使用要求。依據勘察資料，地基處理試驗區場地內16.0 m深度范圍內的地層為：表層為人工填土層（吹填珊瑚砂），其下為珊瑚砂層，下伏為礁灰巖。各地層編號見表1，典型地層剖面見圖2。

表1 地層編號說明表

2 地基動力特性測試目的

本項目飛行區地基為珊瑚砂吹填地基[1]，對于珊瑚砂地基的認識和研究目前還處于初級階段，為滿足飛行區跑道的設計要求，設計了五個小區試驗對飛行區珊瑚砂的受力機理和地基處理工藝進行系統研究。本次開展的珊瑚砂地基動力特性測試工作主要包括：

①場地地脈動測試

測試目的在于了解印度洋珊瑚島礁環境下的地脈動特點。

②振動衰減特性

根據珊瑚砂地基振動衰減特性，研究振動碾壓地基處理影響深度。

3 地脈動測試

3.1 場地地脈動測試結果分析

本次分別對項目現場試驗室和我公司在北京的土工試驗室進行了地脈動測試。測試期間盡量避免人為振動干擾。圖3是項目現場試驗室的一次24 h（2017-08-19—2017-08-20）地脈動測試時域曲線，1天內地脈動振動幅值有明顯的變化，夜間至早上，振動幅值相對較小，其他時段由于受到人為活動等影響振動幅值相對較大。測試結果見表2、表3和圖4。

圖2 典型地層剖面

圖3 24 h地脈動測試時域曲線

表2 北京土工試驗室地脈動測試成果表

表3 項目現場土工試驗室地脈動測試成果表

圖4 地脈動振幅-時間變化曲線

依據表2、表3以及圖4地脈動振幅變化曲線，對兩個場地的地脈動結果分析如下：

（1）北京土工試驗室白天的地脈動幅值約為（1.3～1.8）×10-4m/s2，夜晚的地脈動幅值約為（0.9～1.1）×10-4m/s2；項目現場土工試驗室白天的地脈動幅值約為（9.4～9.9）×10-4m/s2，夜晚的地脈動幅值約為（3.9～5.3）×10-4m/s2。項目現場土工試驗室場地的地脈動幅值相對較大，約是北京土工試驗室場地地脈動幅值的4～5倍，兩個場地白天振動幅值都大于夜間，約是夜間振動幅值的1.5～2.0倍。

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

對比我國沿海及內陸部分場地的地面地脈動測試結果[2--3]（見表4）認為，本項目場地和其他海洋環境下地脈動振動幅值相對較大，可能與其所處的海洋島礁環境有關。

表4 國內部分地脈動測試結果統計

3.2 波速測試結果計算的場地卓越周期

本次試驗區場地內進行了大量的面波測試探查地層分布，部分測試曲線及波速反演結果見圖5和表5。根據現場鉆探結果，場地內礁灰巖頂面埋深一般在8～12 m，結合表5測試結果分析認為，礁灰巖橫波波速一般大于350 m/s，并與風化程度有關。

根據面波測試反演的橫波波速結果計算的場地地脈動卓越周期見表5，從計算結果來看，卓越頻率范圍在5.3～6.9 Hz，而且基巖埋深越淺、越完整，計算的卓越周期值相對較高。

通常橫波測試接收的是橫波的水平分量，因而認為場地地脈動水平分量卓越周期與橫波波速計算的場地地脈動卓越周期的相關性更高[4]，這與測試結果相符合。表3顯示本場地地脈動水平分量的卓越周期范圍為6.3～7.1 Hz，可見計算結果與實測結果符合性好，實際上如果考慮深部更好的基巖整體效應， 計算的卓越周期與測試卓越周期符合性會更好。

圖5 面波測試曲線及反演結果

表5 面波測試結果及計算卓越周期

4 振動衰減特性測試

學者進行過地基豎向振動衰減特性的理論研究[5]，本文從工程應用的角度進行了試驗研究。國內本次試驗區擬采用振動碾壓對地基進行加固處理，振動碾壓設備分兩種：①設備自重26 t，振動頻率27/32 Hz；②設備自重36 t，振動頻率28/32 Hz。通過試驗確定地基處理的工藝和處理效果。

分別進行了26 t和36 t錘碾壓設備在不同碾壓遍數下的振動衰減測試，傳感器在地面按照一定間距沿直線布置，碾壓振動設備與傳感器在同一直線上，振動幅值（垂直分量）與距離的曲線關系見圖6和圖7。從測試結果來看，碾壓振動能量衰減相對較快，碾壓振動大部分振動約在6 m 距離內衰減完畢（振動幅值衰減至約10%左右），之后曲線趨于平緩。

圖6 36 t碾壓設備振動衰減曲線

圖7 26 t碾壓設備振動衰減曲線

圖8分別是36 t和26 t碾壓設備處理前后動探曲線。36 t碾壓設備振動碾壓影響標高能夠達到-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，振動碾壓后動探擊數均不少于5擊；26 t碾壓設備振動碾壓影響影響深度能夠達3.5 m，并且表層3 m范圍提高比較明顯，振動碾壓后動探擊數均不少于5擊。

可見，36 t碾壓設備處理效果好于26 t碾壓設備處理效果。振動衰減測試顯示的主要影響深度與36 t碾壓設備處理深度基本一致。經過各類現場試驗總結，本項目最終選擇36 t碾壓設備進行吹填珊瑚砂地基處理。

圖8 不同碾壓設備處理前后動探曲線

5 結論

海洋環境下島礁的地脈動在振動幅值和頻率方面與內陸環境是有區別的，總體來說振動卓越頻率較高（尤其是垂直分量）、振動幅值相對要大，這與其所處的海洋環境和較淺的基巖埋深是相關的，一定程度上可能會對巖土體顆粒的結構和受力特性產生影響，這種影響還有待進一步的研究。通過振動衰減測試也表明，碾壓振動的影響范圍與碾壓振動地基處理的深度有較好的相關性，不同的地基和不同的振動施工設備可以通過振動衰減測試來評價地基處理的深度，也為地基處理效果檢測提供了一種快速檢測的物探手段。