堆載預(yù)壓技術(shù)在潮汕機(jī)場大面積深厚軟土地基處理中的應(yīng)用

(上海民航新時代機(jī)場設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州分公司，廣州 510405)

1 研究背景

隨著我國民用航空事業(yè)的發(fā)展，機(jī)場建設(shè)進(jìn)入一個蓬勃發(fā)展的時期。然而，由于受到規(guī)劃和各種實(shí)際條件的限制，許多機(jī)場建設(shè)在軟土地基之上[1-6]，從而使得如何對大面積軟土地基進(jìn)行處理成為機(jī)場建設(shè)中必須解決的問題。

目前，國內(nèi)已有多種軟土地基處理方法應(yīng)用于機(jī)場建設(shè)中：虹橋機(jī)場采用插塑料排水板堆載預(yù)壓法來加固擴(kuò)建工程中遇到的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土和黏土地層[1]，浦東機(jī)場在第三跑道系統(tǒng)場區(qū)建設(shè)中采用真空預(yù)壓插排水板的方法對淤泥質(zhì)黏土地基進(jìn)行處理[2]；寧波機(jī)場和舟山機(jī)場采用袋裝砂井超載預(yù)壓方法加固由淤泥質(zhì)黏土組成的軟基[3-4]；在某軍用機(jī)場10萬m2的飽和軟土處理中，采用了“高真空排水+強(qiáng)夯+沖擊碾壓”的處理技術(shù)[5]；溫州機(jī)場采用堆載預(yù)壓和真空預(yù)壓對機(jī)場軟黏土地基進(jìn)行加固處理[6]。此外，沖擊壓實(shí)、強(qiáng)夯和水泥攪拌樁等技術(shù)也廣泛應(yīng)用于機(jī)場跑道軟土地基處理[6]。以上處理技術(shù)大多應(yīng)用于常見的軟土地層，而對于大面積深厚淤泥土層的處理鮮有報(bào)道。

本文以潮汕機(jī)場大面積深厚淤泥質(zhì)軟土(60 m深)為例，探索堆載預(yù)壓技術(shù)在機(jī)場軟土地基處理中的應(yīng)用，以期為類似條件下軟土地基的加固處理提供一個新思路。

2 工程概況

2.1 工程簡介

潮汕機(jī)場場址位于汕頭市、潮州市和揭陽市三市的交界地帶，場區(qū)多為農(nóng)田、菜地、魚塘、水渠。

機(jī)場主體工程包括跑道、航站樓等。本機(jī)場跑道為1條，跑道及滑行道系統(tǒng)長2 800 m，寬45 m，飛行區(qū)指標(biāo)為4D；航站樓(樓高3層)建筑面積50 000 m2；機(jī)場還包括21個機(jī)位的站坪、貨運(yùn)區(qū)、供水供電、輔助生產(chǎn)及生活用房等公用設(shè)施。

2.2 工程地質(zhì)條件

據(jù)鉆孔揭露深度，場地巖土層按成因類型自上而下劃分為：①人工填土層(Qml)；②第四系海陸交互相沉積層(Qmc)；③第四系坡積層(Qdl)；④第四系殘積層(Qel)；⑤侏羅系基巖風(fēng)化層(J1)。其中，第四系海陸交互相沉積層(Qmc)為機(jī)場建設(shè)所遇到的軟土地層，可細(xì)分為：淤泥層(層厚0.50～21.40 m)、淤泥質(zhì)土層①(層厚0.70～15.30 m)和淤泥質(zhì)土層②(層厚0.90～24.30 m)。淤泥、淤泥質(zhì)土具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、靈敏度高、抗震強(qiáng)度低、承載力低等特點(diǎn)，為地基處理的主要對象。其主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。在3層軟土之間，交替出現(xiàn)粉細(xì)砂層、中粗砂層和粉質(zhì)黏土層，形成硬夾層。

表1 軟土地層物理力學(xué)參數(shù)

2.3 場地水文地質(zhì)條件

擬建場地位于榕江流域中游，西面距離榕江僅5 km，為該區(qū)主要河流。填方區(qū)地表水體發(fā)育，河流主要有中離溪和永江河，人工水渠縱橫，水塘星羅棋布。有多條河流貫穿建設(shè)場區(qū)。

2.4 工程難點(diǎn)

通過分析場地的工程地質(zhì)及水文條件可知，本工程主要面臨以下難題：

(1) 軟土分布范圍廣，深度大(60 m)，同時在軟土(淤泥層、淤泥質(zhì)土層)之間存在硬夾層(粉細(xì)砂層、中粗砂層)。淤泥、淤泥質(zhì)土均為高壓縮性土層，在本場區(qū)分布范圍廣且分布厚度差異較大，加荷后極易引起沉降量過大及不均勻沉降的問題。根據(jù)分層總和法計(jì)算結(jié)果可知，如不采取地基處理措施，場區(qū)內(nèi)工后沉降達(dá)1 m以上，差異沉降可達(dá)5‰以上。此外，在軟土層中存在的砂土層等硬夾層，也給地基處理的實(shí)施帶來了困難。

(2)淤泥、淤泥質(zhì)土層具軟土震陷特征。強(qiáng)震可能產(chǎn)生觸變，失去強(qiáng)度而震陷，對機(jī)場抗震設(shè)計(jì)不利。

(3)規(guī)劃中飛行跑道跨越河道，而河道處地質(zhì)條件與周邊有較大差異，因此該處沉降控制較困難。

3 地基處理方案

3.1 方案選擇

根據(jù)已有的軟土地區(qū)機(jī)場建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，排水固結(jié)法在多個機(jī)場軟土地基處理中得到了廣泛應(yīng)用。塑料排水板和砂井(或袋裝砂井)是常用的豎向排水通道，真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓是常用的加載方式。本場地內(nèi)河流眾多，水源補(bǔ)給充分，不能完全隔斷水源，淤泥質(zhì)土層深厚(深達(dá)60 m)，且伴有夾層。真空預(yù)壓主要用于處理一定深度的土體，且費(fèi)用較高，因此本工程不宜采用真空預(yù)壓方法。本場地存在大面積的填方(填方高度5～10 m，最大填方荷載200 kPa)，可以將填方土體作為堆載，施工較為簡單，且經(jīng)濟(jì)性好，故選擇堆載預(yù)壓方法。上海虹橋機(jī)場軟基處理中也使用了該方法[1]。另一方面，水泥攪拌樁也廣泛應(yīng)用于軟土地基處理，但造價(jià)較高，可以在本工程局部要求嚴(yán)格的區(qū)域內(nèi)使用。

由于該場地地質(zhì)條件復(fù)雜，軟弱土層厚度變化較大，因此采用分段處理的原則對不同區(qū)段軟土按照不同方案進(jìn)行處理。場地劃分為：土基區(qū)(包括道面影響區(qū))、邊坡穩(wěn)定影響區(qū)和土面區(qū)。對于土基區(qū)而言，根據(jù)軟土分布、填土厚度及功能分區(qū)分布采用塑料排水板、砂井作為豎向排水體，堆載系統(tǒng)采用填土荷載。對于邊坡穩(wěn)定影響區(qū)分別采用排水固結(jié)法、水泥攪拌樁進(jìn)行處理。土面區(qū)一般不進(jìn)行特殊的地基處理，沉降較大時采用相對簡單的處理方法進(jìn)行處理。

為了確保施工方案的可行性，正式施工前在場地試驗(yàn)段內(nèi)對所用地基處理方案進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得到如下設(shè)計(jì)參數(shù)：塑料排水板間距為1.3 m，插入深度根據(jù)土層厚度變化進(jìn)行調(diào)整(16～25 m)。砂樁樁徑為377 mm，樁間距為2.5～3 m，樁長根據(jù)具體土層進(jìn)行調(diào)整，一般為16～30 m。典型的地基處理方案剖面如圖1所示。

圖1 地基處理方案剖面圖

飛行區(qū)各功能區(qū)的工后沉降量和差異沉降要求如下：按使用年限20 a計(jì)，土基區(qū)工后沉降不大于20 cm，差異沉降不大于1.5‰；土面區(qū)工后沉降不大于40 cm，差異沉降不大于3.0‰。

3.2 主要施工技術(shù)要求

土基區(qū)地基處理施工按照以下順序進(jìn)行：降水、清表(清淤)→回填山皮土整平→鋪設(shè)砂墊層→打設(shè)塑料排水板(砂井)→鋪設(shè)山皮土墊層→沖擊壓實(shí)補(bǔ)強(qiáng)→埋設(shè)排水盲溝→填土→超(等)載預(yù)壓→沖擊壓實(shí)補(bǔ)強(qiáng)→填土。

邊坡穩(wěn)定影響區(qū)水泥攪拌樁處理軟土地基的施工按照以下順序進(jìn)行：降水、清表(清淤)→回填山皮土整平→工藝性試樁→水泥攪拌樁施工→場地平整→鋪設(shè)碎石墊層→鋪設(shè)土工格柵→填土。

邊坡穩(wěn)定影響區(qū)排水固結(jié)法(塑料排水板)處理軟土地基的施工按照以下順序進(jìn)行：降水、清表(清淤)→回填山皮土整平→鋪設(shè)砂墊層→打設(shè)塑料排水板→鋪設(shè)土工格柵→填土。

主要施工階段技術(shù)要求如下：

(1) 原地面回填山皮土整平。回填山皮土采用粉土或粉質(zhì)黏土進(jìn)行，土基區(qū)一般段厚度為150 cm，特殊段(河道穿越段)厚度為200 cm，邊坡穩(wěn)定影響區(qū)厚度為80 cm。

(2) 砂墊層施工。墊層采用透水性較好的中砂或中粗砂，其含泥量不得大于4%，砂墊層的干密度應(yīng)大于1.5 t/m3。土基區(qū)一般段厚度為50 cm，特殊段(河道穿越段)厚度為100 cm，邊坡區(qū)厚度50 cm。

(4) 塑料排水板施工。塑料排水板選用原生B型板，寬度100 mm，厚度4 mm，芯板抗拉強(qiáng)度不應(yīng)小于130 N/cm，排水能力應(yīng)不低于30 cm3/s。由于硬夾層的存在，無法直接將塑料排水板壓入土中，因而采用先用潛孔鉆機(jī)引孔，然后采用靜壓法或振動沉管法打設(shè)的工藝：定位→將塑料排水板通過導(dǎo)管從管靴中拔出→調(diào)整排水板與樁尖→插入排水板→拔管、剪斷排水板。

(5) 砂井用砂要求選用中粗砂，含泥量小于4%，細(xì)度模數(shù)不小于2.3，灌砂量不小于0.11 m3/m。砂井呈梅花形布置，采用振動沉管法施工。

(6) 原地面回填山皮土沖擊壓實(shí)補(bǔ)強(qiáng)。塑料排水板打設(shè)完成之后進(jìn)行，在砂墊層之上鋪設(shè)50 cm厚的山皮土后進(jìn)行2遍沖擊碾壓，提高壓實(shí)度。

3.3 工程問題及處理對策

3.3.1 工程問題

飛行跑道穿越原河道區(qū)在施工過程中出現(xiàn)大面積的裂縫(圖2)。裂縫主要分布于主河道靠河岸側(cè)，且大致沿河道軸線方向延伸。裂縫寬度為0.3～35 cm，長度為10～180 m，主裂縫可見深度達(dá)1～2 m。

圖2 裂縫區(qū)域及測點(diǎn)位置

3.3.2 原因分析

對比該區(qū)域原地面沉降觀測資料可知，裂縫主要發(fā)生在Z8測點(diǎn)處(圖2，主河道靠河岸側(cè))。該點(diǎn)在填土加載完成后至2010年5月10日這段時間內(nèi)，沉降量為59 cm，而同時期周圍測點(diǎn)(Z6，Z7，Z9)沉降量高達(dá)99～107 cm，正是這種沉降不同步引起填土頂面出現(xiàn)裂縫。另一方面，通過實(shí)地勘察發(fā)現(xiàn)河道內(nèi)Z8點(diǎn)區(qū)域內(nèi)存在礫石層，因而在施工時未能按照原設(shè)計(jì)將排水板(或砂井)打入預(yù)定深度，進(jìn)而減小了該區(qū)域的處理深度，產(chǎn)生差異沉降并引起裂縫。

3.3.3 處理對策

根據(jù)現(xiàn)場條件和該區(qū)域的地質(zhì)條件，對該區(qū)域進(jìn)行二次處理：Z8區(qū)仍采用原設(shè)計(jì)方案，在現(xiàn)有超載填土面用潛孔鉆機(jī)引孔后直接施工砂井，砂井直徑為325 mm，等邊三角形布置，間距2.2 m，利用超載填土預(yù)壓3個月，預(yù)壓結(jié)束后卸載，對于表面尚有裂縫的區(qū)域卸載時開挖到設(shè)計(jì)槽底高程以下2 m，再分層填土并鋪設(shè)2層土工格柵，回填碾壓至設(shè)計(jì)槽底高程。根據(jù)二次處理后的沉降觀測資料和現(xiàn)場巡視結(jié)果可知，Z8測點(diǎn)與周圍測點(diǎn)沉降差逐漸減小，已存在的裂縫逐漸閉合，說明二次處理方案較為合理。

圖3 原地基表面沉降曲線

4 處理效果分析

根據(jù)原地面沉降監(jiān)測結(jié)果對地基處理的效果進(jìn)行評判。圖3為不同階段跑道軸線上某處(測點(diǎn)1)原地基表面沉降實(shí)測值與分層總和法預(yù)測值的對比。由圖3可知，隨著荷載的不斷增加，原地基表面沉降逐漸加大，在荷載穩(wěn)定一段時間后，沉降變緩。分層總和法預(yù)測值略大于實(shí)測值，二者發(fā)展趨勢一致，表明處理方案是合理可行的。

工后沉降和差異沉降可以由沉降監(jiān)測曲線采用雙曲線預(yù)測法進(jìn)行預(yù)測。表2為根據(jù)跑道軸線上3個測點(diǎn)(測點(diǎn)1、測點(diǎn)2和測點(diǎn)3)的沉降曲線預(yù)測得到荷載作用20 a后的工后沉降和差異沉降。測點(diǎn)2和測點(diǎn)1之間的距離為150 m，測點(diǎn)3與測點(diǎn)2之間的距離為250 m。由表2可知，3個測點(diǎn)工后沉降均小于20 cm，差異沉降均小于1.5‰，這表明該方案的處理效果良好，滿足工程使用要求。

表2 工后沉降和差異沉降

5 結(jié) 論

(1) 采用塑料排水板和砂井作為豎向排水通道的堆載預(yù)壓技術(shù)，可較好地解決大面積深厚軟土地基的沉降變形問題。分層總和法預(yù)測值略大于實(shí)測值，二者發(fā)展趨勢一致，工后沉降和差異沉降均符合設(shè)計(jì)要求，這表明本設(shè)計(jì)方案可行，處理效果良好，符合預(yù)期目標(biāo)。

(2) 通過采用潛孔鉆機(jī)引孔，解決了有硬夾層存在時塑料排水板難以施工的問題，既有效控制了沉降，又節(jié)省了時間。

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