馬爾代夫珊瑚砂孔隙比試驗研究及無核密度儀應用初探

王篤禮 王 璐 蔣佰坤 張其昌

(中航勘察設計研究院有限公司，北京 100098)

0 引言

馬爾代夫位于南亞，是印度洋上的一個島國，也是世界上最大的珊瑚島國。依托于公司承接的馬爾代夫易卜拉欣·納西爾國際機場改擴建工程，開展一系列對珊瑚砂的研究工作。

珊瑚砂，是指珊瑚或貝殼碎片，由于其沉積過程大多未經長途搬運，并且保留了原生生物骨架中的細小孔隙，因而形成的土顆粒具有磨圓度差、表面粗糙、形狀不規則、多孔隙(含有內孔隙)、易破碎以及在常壓下顆粒易膠結等特點，使得此類鈣質土的工程力學性質與一般陸相、海相沉積物相比有較明顯的差異。

目前學術界對珊瑚砂的研究，多取材于我國南海各群島。這些研究包括常規的物理力學特性、化學特性等方面[1-3]。針對珊瑚砂內孔隙，孫宗勛[4]提出取樣于南沙群島的珊瑚砂內孔隙占全部孔隙的10%左右，但并沒有給出如何計算得出以及相關的數據支持。

本文在對珊瑚砂物理和化學特性分析的基礎上，確定了珊瑚砂孔隙比的研究方案，為后續的地基處理方案提供依據。并在工程實踐中創造性地采用了無核密度儀，不僅數據更加可靠，同時大大提高了工作效率。

1 珊瑚砂物理化學特性

馬爾代夫的珊瑚砂，形狀、顆粒大小不均。基本可以分為大顆粒的珊瑚砂(又稱珊瑚枝)和小顆粒的珊瑚砂(見圖1)。

室內試驗測得，大顆粒珊瑚砂和小顆粒珊瑚砂經粉碎后求得的珊瑚砂固體顆粒的比重為2.78。該比重大于蠟的比重0.92，可采用蠟封法求相關的參數。

圖1 珊瑚砂顆粒

對珊瑚砂的成分進行化學分析結果見表1。

表1 珊瑚砂化學成分分析

經分析可得，珊瑚砂的化學成分以碳酸氫鈣、氯化鈣為主，含堿性物質，經過其過濾的pH值一般為7.0～8.0之間。

2 珊瑚砂密實度研究

這里提到的珊瑚砂，是取自馬爾代夫既包括大顆粒珊瑚砂(珊瑚枝)又包括小顆粒珊瑚砂的混合物，這些珊瑚砂既包括表面不規則敞口孔隙，內部也有封閉內孔隙(孔隙內部為水和氣)。考慮到該種珊瑚砂的化學成分及物理特性，制定研究方案及現場實測數據如下：假設某堆珊瑚砂由大顆粒和小顆粒珊瑚砂混合而成，且顆粒之間無咬合情況，則珊瑚砂總體積：

式中：V——珊瑚砂總體積，mL；

V1——小顆粒珊瑚砂總體積，mL；

V2——珊瑚枝總體積，mL；

Vz——顆粒間空隙體積，mL。

小顆粒珊瑚砂總體積：

式中：Vs1——小顆粒珊瑚砂固相體積，mL；

Vi1——小顆粒珊瑚砂密閉孔隙體積，mL；

Vo1——小顆粒珊瑚砂敞口孔隙體積，mL。

珊瑚枝總體積：

式中：Vs2——珊瑚枝固相體積，mL；

Vi2——珊瑚枝密閉孔隙體積，mL；

Vo2——珊瑚枝敞口孔隙體積，mL。

進而，得孔隙比e：

現場試驗時，混合物的含水率：

式中：w——含水率，%；

ρw——大顆粒和小顆粒珊瑚砂混合物的濕密度，g/cm3；

ρd——干密度，g/cm3。

將小顆粒珊瑚砂粉碎，求其固相體積：

式中：Vs1——粉碎后小顆粒珊瑚砂體積，mL；

ρs1——通過比重瓶法求得固相珊瑚砂的密度，g/cm3，ρs1=2.78 g/cm3；

m1——珊瑚砂的干質量，g。

珊瑚砂的濕土質量m通過現場試驗測得，總體積V和粉碎后小顆粒體積Vs1計算結果見表2。

利用蠟封法求大顆粒珊瑚砂的體積Vs2，過程如下。首先，通過公式(7)求得干土和蠟的比重：

式中：ρs2——干土和蠟的比重；

m6——干試樣和蠟的總質量，g；

m7——瓶和液體總質量，g；

m8——瓶、液、干土和蠟總質量，g。

其次，通過公式(8)求得蠟和干土的總體積：

式中：V3——蠟和干土總體積，mL。

已知蠟的比重ρn=0.92，通過公式(9)可求得蠟的體積：

式中：V4——蠟的體積，mL；

m4——本次試驗干土質量，g。

則珊瑚枝干土體積和試坑內珊瑚枝總體積可按照公式(10)和公式(11)求得：

式中：V5——珊瑚枝干土體積，mL；

m3——總干土質量，g。

因粉碎后珊瑚枝的固相密度ρs2=2.78，則珊瑚枝固體顆粒體積：

式中：Vs2——珊瑚枝固體顆粒體積，mL。

進而求得珊瑚枝密閉孔隙和敞口孔隙之和：

式中：Vk2——珊瑚枝密閉孔隙和敞口孔隙之和。

表2 珊瑚砂混合物總試樣體積V及小顆粒珊瑚砂顆粒體積Vs1

表3 蠟封法求大顆粒珊瑚砂體積Vs2

其中，蠟封法試驗溫度20℃。

珊瑚砂密閉孔隙和敞口孔隙之和：

Vk1——珊瑚砂密閉孔隙和敞口孔隙之和。

根據公式(13)已求得珊瑚枝密閉孔隙和敞口孔隙之和，則顆粒之間孔隙體積：

進而求得孔隙比：

表4 珊瑚砂珊瑚枝混合物孔隙比

以上試驗均為在碾壓后場地進行，數據分析后得出該珊瑚砂孔隙比在0.495～0.578之間，其中，混合物內孔隙之和占總體積的百分比為6.449%～9.328%，混合物固體顆粒體積占總體積的百分比為58.410%～62.585%，具體見圖2所示。以1#試樣混合物為例，各體積所占百分比如圖3所示，可得混合物中固體顆粒占比為60%，顆粒之間的孔隙占比31%，內孔隙占比9%。內孔隙雖占比最小，但工程研究中不容忽略。

圖2 混合物內孔隙體積和固體顆粒體積占總體積百分比

圖3 1#試坑混合物各體積所占百分比示意圖

3 無核密度儀的使用

目前較為常用的現場密實度的測量方法有環刀法、灌砂法、灌水法、核子密度儀法等。國標《土工試驗方法標準》[5]中沒有介紹核子密度儀法，但水利規范《土工試驗規程》[6]中介紹了核子射線法，即通過核子濕度密度儀采用放射的方法進行檢測。

核子密度儀(如圖4所示)用于施工現場快速地檢測建筑材料的濕密度(總密度)和含水量(濕度)。完成一次檢測通常只需要1分鐘或更短時間。不同品牌和廠家的儀器功能各不相同。有的儀器只檢測密度或只檢測濕度，多數品牌的儀器可以同時檢測密度和濕度。

因核子密度儀使用地點許可證辦理周期較長，且儀器本身輻射較大，操作、運輸、攜帶均不太方便，鑒于此，本項目使用無核密度儀，如圖5所示。該種無核密度儀是一種可替代核子密度儀、測量路基和地基壓實土之間物理特性的無核測量儀。它是一種以電池驅動的便攜式儀器，可以在世界各地任何地方使用而不會帶來核安全等相關問題。可測量并顯示干/濕密度、含水率，以及壓實百分數，使用簡便，數據可靠。美國ASTM國際標準[7]也對此進行了詳細地說明。

圖4 核子密度儀

圖5 無核密度儀

該儀器使用前，在被測工地上選3個點用灌砂法、烘干法等傳統方法獲取濕密度和含水率，建立土壤模型。然后開始正式測量。現場實測資料見表5。

表5 無核密度儀現場實測干密度和含水率數據

表5與表2對比分析，無核密度儀現場實測數據與室內試驗后得出數據相差不大，故該數據可靠。

4 結語

馬爾代夫珊瑚砂因其特有的物理化學特性，與傳統的石英砂相比差別較大，故傳統方法不適用。本文通過對珊瑚砂物理力學特性的分析，進而提出一套完備的用于現場測定大顆粒珊瑚砂和小顆粒珊瑚砂混合物孔隙比的方案，通過實測數據分析后得出該珊瑚砂孔隙比在0.495～0.578之間，其中，混合物內孔隙之和占總體積的百分比為6.449%～9.328%，混合物固體顆粒體積占總體積的百分比為58.410%～62.585%。該數據為后續的工程項目提供了有力的數據支持。

本工程在實施過程中，使用了無核密度儀，快速、無損地現場測定珊瑚砂的密度和含水率，大大提高了工作效率，為后續工作提供有力的技術支持。