王篤禮 王 璐 蔣佰坤 張其昌

(中航勘察設(shè)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(jīng)長途搬運，并且保留了原生生物骨架中的細(xì)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(guī)則、多孔隙(含有內(nèi)孔隙)、易破碎以及在常壓下顆粒易膠結(jié)等特點，使得此類鈣質(zhì)土的工程力學(xué)性質(zhì)與一般陸相、海相沉積物相比有較明顯的差異。

目前學(xué)術(shù)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(guī)的物理力學(xué)特性、化學(xué)特性等方面[1-3]。針對珊瑚砂內(nèi)孔隙，孫宗勛[4]提出取樣于南沙群島的珊瑚砂內(nèi)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(guān)的數(shù)據(jù)支持。

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

1 珊瑚砂物理化學(xué)特性

馬爾代夫的珊瑚砂，形狀、顆粒大小不均?；究梢苑譃榇箢w粒的珊瑚砂(又稱珊瑚枝)和小顆粒的珊瑚砂(見圖1)。

室內(nèi)試驗測得，大顆粒珊瑚砂和小顆粒珊瑚砂經(jīng)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(guān)的參數(shù)。

圖1 珊瑚砂顆粒

對珊瑚砂的成分進(jìn)行化學(xué)分析結(jié)果見表1。

表1 珊瑚砂化學(xué)成分分析

經(jīng)分析可得，珊瑚砂的化學(xué)成分以碳酸氫鈣、氯化鈣為主，含堿性物質(zhì)，經(jīng)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(guī)則敞口孔隙，內(nèi)部也有封閉內(nèi)孔隙(孔隙內(nèi)部為水和氣)?？紤]到該種珊瑚砂的化學(xué)成分及物理特性，制定研究方案及現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)如下：假設(shè)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(jìn)而，得孔隙比e：

現(xiàn)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(zhì)量，g。

珊瑚砂的濕土質(zhì)量m通過現(xiàn)場試驗測得，總體積V和粉碎后小顆粒體積Vs1計算結(jié)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(zhì)量，g；

m7——瓶和液體總質(zhì)量，g；

m8——瓶、液、干土和蠟總質(zhì)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(zhì)量，g。

則珊瑚枝干土體積和試坑內(nèi)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(zhì)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(jìn)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(jù)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(jìn)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(jìn)行，數(shù)據(jù)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(nèi)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(nèi)孔隙占比9%。內(nèi)孔隙雖占比最小，但工程研究中不容忽略。

圖2 混合物內(nèi)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(xiàn)場密實度的測量方法有環(huán)刀法、灌砂法、灌水法、核子密度儀法等。國標(biāo)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[5]中沒有介紹核子密度儀法，但水利規(guī)范《土工試驗規(guī)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(jìn)行檢測。

核子密度儀(如圖4所示)用于施工現(xiàn)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(shù)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(qū)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(guān)問題?？蓽y量并顯示干/濕密度、含水率，以及壓實百分?jǐn)?shù)，使用簡便，數(shù)據(jù)可靠。美國ASTM國際標(biāo)準(zhǔn)[7]也對此進(jìn)行了詳細(xì)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(tǒng)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?，F(xiàn)場實測資料見表5。

表5 無核密度儀現(xiàn)場實測干密度和含水率數(shù)據(jù)

表5與表2對比分析，無核密度儀現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與室內(nèi)試驗后得出數(shù)據(jù)相差不大，故該數(shù)據(jù)可靠。

4 結(jié)語

馬爾代夫珊瑚砂因其特有的物理化學(xué)特性，與傳統(tǒng)的石英砂相比差別較大，故傳統(tǒng)方法不適用。本文通過對珊瑚砂物理力學(xué)特性的分析，進(jìn)而提出一套完備的用于現(xiàn)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(shù)據(jù)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(nèi)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(shù)據(jù)為后續(xù)的工程項目提供了有力的數(shù)據(jù)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(xiàn)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(xù)工作提供有力的技術(shù)支持。