高高原機(jī)場(chǎng)塊石架空地基的發(fā)育特征與處理措施研究

文/柴卓　馬偉杰　劉宏　胡柏

高高原機(jī)場(chǎng)塊石架空地基的發(fā)育特征與處理措施研究

文/柴卓馬偉杰劉宏胡柏

對(duì)于海拔超過(guò)4000m的高高原機(jī)場(chǎng)，塊石架空地基是較為普遍存在的一種不良地基。本文以稻城亞丁高高原機(jī)場(chǎng)工程為例，闡述塊石架空地基的形成機(jī)理、發(fā)育演化過(guò)程、堆積特征和處理措施。

高高原機(jī)場(chǎng)；塊石架空；處理措施

1.引言

我國(guó)大陸的第四紀(jì)冰川堆積主要分布在西南和西北地區(qū)的高山、極高山及其周邊，隨著我國(guó)西部山區(qū)工程建設(shè)的不斷進(jìn)行，對(duì)第四紀(jì)的冰川堆積物的工程地質(zhì)和災(zāi)害地質(zhì)研究越來(lái)越受到關(guān)注［1］。冰磧土是在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代期間，由冰川的刨蝕、搬運(yùn)和沉積作用而形成的一種冰川堆積物，冰磧土的形成過(guò)程決定了冰磧土無(wú)層序，顆粒具極大的不均勻等特性［2］。在高寒高海拔特殊環(huán)境條件下，經(jīng)長(zhǎng)期的地表水和地下水沖刷和侵蝕過(guò)程中，冰磧土中細(xì)小顆粒被攜帶走，塊石等粗大顆粒在原地殘留集中而形成具一定規(guī)模的“石河”等塊石架空區(qū)。對(duì)工程建設(shè)而言，塊石架空區(qū)因架空結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定和大空隙特征，是種不良地基。

中國(guó)民航總局對(duì)高原機(jī)場(chǎng)的定義是機(jī)場(chǎng)標(biāo)高1500m（含）～2438m的機(jī)場(chǎng)為一般高原機(jī)場(chǎng)，2438m（含）以上的機(jī)場(chǎng)為高高原機(jī)場(chǎng)。對(duì)于西南山區(qū)海拔超過(guò)4000m的高高原機(jī)場(chǎng)，塊石架空地基是較為普遍存在的一種不良地基。目前關(guān)于冰磧土的研究，主要把冰磧土當(dāng)作一種特殊的填料進(jìn)行研究［3，4］，但對(duì)于塊石架空地基的形成機(jī)理、發(fā)育特征及其危害等研究成果并不多見(jiàn)。本文以稻城亞丁高高原機(jī)場(chǎng)（海拔4411m）工程為例，闡述塊石架空地基的形成機(jī)理、發(fā)育演化過(guò)程、堆積特征和處理措施。

2.形成機(jī)理

稻城亞丁機(jī)場(chǎng)距稻城縣城公路距離約50km的稻城古冰帽之上，場(chǎng)區(qū)海拔4400～4500m，為冰川丘陵地貌，場(chǎng)區(qū)大部分被冰磧物覆蓋，后沖興和大南坳等低洼地帶可見(jiàn)大量的塊石架空地基。

試驗(yàn)研究表明，在一般情況下冰磧土體的滲透性較差，滲入水在垂向下滲一段距離后便轉(zhuǎn)為近水平徑流，然后在斜坡前緣陡坎處溢出。如果陡坎前緣坡積物演化程度較高、滲透性較差，溢出的泉水便會(huì)在此積聚形成沼澤地。在這一過(guò)程中，動(dòng)水壓力效應(yīng)使得地下水可以將其徑流途徑上的細(xì)粒物質(zhì)帶出地表而發(fā)生潛蝕。滲出面附近是滲流場(chǎng)中水力梯度最大的地段，潛蝕作用也最為強(qiáng)烈。隨著這種作用的繼續(xù)，土體中可被搬運(yùn)的顆粒被陸續(xù)“運(yùn)走”，土體被“掏空”。在此過(guò)程中，不同尺度顆粒的解體過(guò)程也一直在進(jìn)行，并為潛蝕的繼續(xù)提供搬運(yùn)對(duì)象。潛蝕使得坡積物中粒徑最大的部分逐漸在滲出面附近集中，形成塊石集中分布的地段［5］。隨著塊石集中區(qū)的擴(kuò)大，滲出面及陡坎會(huì)逐漸后退，部分沼澤地也會(huì)被塊石占據(jù)。隨著潛蝕作用的進(jìn)行，滲出面后的陡坎不斷后退，特殊塊石越積越多，逐漸形成一定規(guī)模的塊石層，即“石河”或塊石架空區(qū)。

3.發(fā)育演化過(guò)程和堆積特征

在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究基礎(chǔ)上，根據(jù)潛蝕坑內(nèi)殘留物的特征，將塊石架空區(qū)的發(fā)育演化過(guò)程分為5個(gè)階段，各階段的特征如下：

第1階段：潛蝕坑內(nèi)殘留物主要為砂土，代表潛蝕初始階段，潛蝕程度較低，僅部分細(xì)顆粒被帶走，形成的潛蝕坑較小，深度較淺。（圖1）

第2階段：潛蝕坑內(nèi)殘留物主要為砂土和少量塊石，代表潛蝕有了一定發(fā)展，細(xì)顆粒大部分被帶走，有少量塊石出露。（圖1）

第3階段：潛蝕坑內(nèi)殘留物主要為塊石和砂土，代表潛蝕進(jìn)一步發(fā)展，細(xì)顆粒絕大部分被帶走，塊石占主要部分。（圖2）

圖1　第1、2階段（砂土和少量塊石

圖2　第3階段（塊石+砂土）

圖3　第4階段（塊石+極少量砂土）

圖4　第5階段（塊石集中形成石河）

第4階段：潛蝕坑內(nèi)殘留物主要為塊石和極少量砂土，代表潛蝕程度很嚴(yán)重，細(xì)顆?；颈粠ё咄辏瑵撐g坑往往較大，深度一般超過(guò)1m。（圖3）

第5階段：殘留物主要為塊石，塊石集中形成“石河”，由于潛蝕深度的增大，石河底部的地下水的潛蝕達(dá)到了階段性的平衡。石河底部地下水的潛蝕僅在洪水季節(jié)發(fā)生。（圖4）

圖5 大南坳的潛蝕坑

圖6　后沖興潛蝕坑

為闡明潛蝕發(fā)生的水力條件和潛蝕模式，對(duì)大南坳氣象站北東側(cè)的16個(gè)潛蝕坑（圖5）和后沖興24個(gè)潛蝕坑（圖6）進(jìn)行了調(diào)查研究。結(jié)果表明，滲透變形發(fā)生的形式主要為管涌，水力坡度為8.9%～22.2%，大多為9%～15%，略小于《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50287～99）中規(guī)定的無(wú)粘性土允許水力比降為10%～20%。

調(diào)查結(jié)果表明，塊石架空區(qū)主要分布于低洼地帶，常與地表水體的分布范圍一致，呈“石河”狀。由架空結(jié)構(gòu)或局部鑲嵌接觸的花崗巖塊碎石構(gòu)成，其堆積特點(diǎn)表現(xiàn)為上部塊石，下部碎石，其間常有水體流動(dòng)，形成“潛流”。塊石架空區(qū)的固體體積率為57%～73%，平均值為65%。塊石架空區(qū)的主要特點(diǎn)可概括為：級(jí)配差、空隙大、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，易松動(dòng)，是種不良地基。

4.處理措施

稻城亞丁機(jī)場(chǎng)塊石架空地基采用墊層+強(qiáng)夯措施進(jìn)行處理。墊層為碎石土墊層，厚1m；強(qiáng)夯處理技術(shù)參數(shù)如表1所示，采用3000kN·m夯擊能進(jìn)行2遍點(diǎn)夯，再采用800kN·m夯擊能進(jìn)行滿夯。

試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表明，夯前墊層料的干密度平均為2.04g/ cm3，夯后墊層干密度平均為2.15g/cm3；第一遍點(diǎn)夯的平均夯沉降量為0.297m，第二遍點(diǎn)夯的平均夯沉降量為0.182m，滿夯的平均夯沉降量為0.190m，總夯沉量為0.688m；強(qiáng)夯前場(chǎng)地剪切波速平均值為182m/s；強(qiáng)夯后場(chǎng)地剪切波速平均值為221m/ s，有效加固深度為4～5m。表明塊石架空地基得到了有效加固。塊石架空區(qū)強(qiáng)夯參數(shù)見(jiàn)表1。

5.結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)稻城亞丁機(jī)場(chǎng)塊石架空地基的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和強(qiáng)夯處理試驗(yàn)研究，獲得以下認(rèn)識(shí)。

（1）冰磧土顆粒的極不均勻性，以及特殊的水動(dòng)力環(huán)境條件是塊石架空地基形成的主要原因，而管涌是其形成的主要模式；

（2）根據(jù)殘留物的主要特征可將塊石架空地基的發(fā)育演化過(guò)程劃分為5個(gè)階段，石河是其形成演化的第5個(gè)階段；

（3）塊石架空區(qū)的主要特點(diǎn)可概括為：級(jí)配差、空隙大、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，易松動(dòng)，是種不良地基；

（4）塊石架空地基可采用墊層+強(qiáng)夯進(jìn)行有效處理。

［1］張永雙，曲永新，王獻(xiàn)禮等.中國(guó)西南山區(qū)第四紀(jì)冰川堆積工程地質(zhì)分類探討.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2009（5）：581～588

［2］何迎紅.冰磧土微觀結(jié)構(gòu)的分析研究［J］.巖土工程師，1990 （2）：610～67

［3］劉博學(xué).康定機(jī)場(chǎng)冰磧塊石架空結(jié)構(gòu)地基處理與檢測(cè)試驗(yàn)研究［D］. 天津：中國(guó)民航大學(xué)，2007

［4］謝春慶.冰磧土工程性能研究［J］.山地學(xué)報(bào)：2002.12：129～132

［5］黃潤(rùn)秋，徐則民，許強(qiáng).康定機(jī)場(chǎng)地基土特征及其形成機(jī)制［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2005（1）：1～11

（中國(guó)航空港建設(shè)第九工程總隊(duì)/喀斯特環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（貴州大學(xué)）/成都軍區(qū)房地產(chǎn)管理局工程環(huán)境質(zhì)量監(jiān)督站）