機(jī)場工程濕陷性黃土的地基處理方法探討

劉 詩 平

(中國民航機(jī)場建設(shè)集團(tuán)公司西北分公司，陜西 西安 710075)

機(jī)場工程濕陷性黃土的地基處理方法探討

劉 詩 平

(中國民航機(jī)場建設(shè)集團(tuán)公司西北分公司，陜西 西安 710075)

結(jié)合西安咸陽國際機(jī)場一期建設(shè)及多次改擴(kuò)建工程實例，闡述了強(qiáng)夯法、換填墊層法、擠密樁法、沖擊碾壓法等常用方法在飛行區(qū)地基處理的應(yīng)用和使用效果，對于咸陽機(jī)場后期的改擴(kuò)建及其他類似工程的設(shè)計與施工具有一定的參考意義。

機(jī)場工程，濕陷性黃土，強(qiáng)夯，擠密樁，沖擊碾壓

0 引言

因在一定壓力條件下遇水濕陷而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的性狀，濕陷性黃土被各種地基處理規(guī)范列入了特殊土的行列，其主要分布于西部地區(qū)的甘肅中、東部、青海東部、寧夏南部、陜西北部和中部、山西和河南西部以及其他一些地區(qū)。

在濕陷性黃土地區(qū)，地基的變形包括壓縮和濕陷兩種。當(dāng)基底壓力不超過地基土的容許承載力時，由飛機(jī)荷載和填土荷載所引起的地基壓縮變形較小，大都在其上部道面結(jié)構(gòu)的容許變形范圍內(nèi)，且壓縮變形以整體沉降為主，不會對道面結(jié)構(gòu)和飛機(jī)的正常運(yùn)行造成影響。而濕陷變形則是由于地基受水浸濕后所引起的附加變形，通常是在局部地區(qū)突然發(fā)生的，變形量因受水浸濕程度的不同而極不均勻，對上部道面結(jié)構(gòu)的危害和破壞性較大。因此，為消除或減輕因濕陷性變形而引起的不均勻沉降對機(jī)場道面的危害，在工程設(shè)計時常需采取一定的處理措施消除濕陷性，以保證道面結(jié)構(gòu)的安全可靠和正常使用。

1 工程概述

西安咸陽國際機(jī)場始建于1984年，1991年建成通航，歷經(jīng)多次改擴(kuò)建工程后機(jī)場擁有2條平行跑道，站坪機(jī)位數(shù)134個，飛行區(qū)道面區(qū)(跑道、滑行道、站坪道面)面積總計達(dá)250余萬平方米。機(jī)場地處黃土塬地貌單元，地形較為平坦，地下水位埋深大多在地面下10 m～15 m，可不考慮地下水對基礎(chǔ)的影響。場地土層自上而下主要有：

第①層耕表土(Qpd)：含大量植物根系，結(jié)構(gòu)松散，層厚0.4 m～0.6 m。

第①-1層雜填土(Qml)：主要由磚瓦塊、爐渣及少量粘性土組成，該層僅在極少量鉆孔被揭露，層厚從1 m～6 m不等。

場地內(nèi)主要地層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

根據(jù)地質(zhì)情況分析，作為道面基礎(chǔ)主要持力層的第②層黃土稍密，高壓縮性，承載力較低，場地屬Ⅱ級～Ⅲ級自重濕陷，局部為Ⅳ級，濕陷土層厚度大多在10 m～15 m，最大為17 m。按照MH/T 5027—2013民用機(jī)場巖土工程設(shè)計規(guī)范和GB 50025—2004濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范的相關(guān)要求，需對地基進(jìn)行處理，以消除道槽結(jié)構(gòu)層底以下一定深度范圍內(nèi)的濕陷性，減少壓縮性，并提高地基承載力[1，2]。

表1 場地內(nèi)主要地層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表

2 地基處理

可滿足上述地基處理要求的常用地基處理方法主要有強(qiáng)夯法、換填墊層法、擠密樁法、沖擊碾壓法等方法。結(jié)合工程地質(zhì)的局部差異、待處理場地周邊建(構(gòu))筑物分布情況、改擴(kuò)建工程時不停航施工的要求等具體情況，上述方法在機(jī)場飛行區(qū)道槽區(qū)地基處理中均有過規(guī)模不等的應(yīng)用或進(jìn)行過單獨(dú)的地基處理試驗。各處理方法的使用或試驗情況介紹如下。

2.1 強(qiáng)夯法

強(qiáng)夯法是用起重機(jī)械將10 t及以上的重錘起吊到一定高度后自由落下，給地基以強(qiáng)大的沖擊能量的夯擊，使土出現(xiàn)沖擊波和沖擊應(yīng)力，迫使土體孔隙壓縮，孔隙水和氣體排出，土體顆粒重新排列，經(jīng)時效壓密達(dá)到固結(jié)，從而提高地基承載力，降低壓縮性、消除濕陷性的一種地基加固方法[3]。適用于處理碎石土、砂土、濕陷性黃土、雜填土、素土和低飽和度的粉土與粘性土等地基。用于濕陷性黃土地基處理時強(qiáng)夯法優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)為施工簡單、效率高、工期短、費(fèi)用低，缺點(diǎn)是振動和噪聲較大，強(qiáng)夯機(jī)械架立和行走速度慢，當(dāng)施工區(qū)域位于飛行區(qū)不停航施工區(qū)域時則難以在夜間停航時間段內(nèi)進(jìn)行有效的施工作業(yè)。目前，強(qiáng)夯法是機(jī)場工程濕陷性黃土地基處理使用面積最大的方法，取得了較為成功的經(jīng)驗。

咸陽機(jī)場現(xiàn)有飛行區(qū)道面80%以上的區(qū)域均采用了強(qiáng)夯法進(jìn)行濕陷性黃土處理，第一遍和第二遍跳夯均采用1 500 kN·m能級，夯位間距為3 m，第三遍滿夯采用1 000 kN·m能級搭接夯。地基處理前后壓實度、濕陷系數(shù)對比如圖1所示。

1 500 kN·m強(qiáng)夯處理后可消除終夯面以下5.5 m深度內(nèi)的濕陷性，3.0 m深度內(nèi)的密實度可達(dá)到80%以上。北跑道自1991年投入使用后至2014年加鋪改造，已連續(xù)使用23年，道面未發(fā)生因地基濕陷而引起的破壞，跑道中線處工后沉降量如圖2所示，平均沉降量約20 mm，最大沉降量42 mm。

2.2 換填墊層法

墊層法的原理是通過換填道面結(jié)構(gòu)層下一定深度的軟弱土，以達(dá)到提高地基承載力，減少沉降，消除濕陷性等作用。換填墊層法優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)為施工簡便、操作簡單、振動和噪聲影響小、質(zhì)量可控，當(dāng)存在與現(xiàn)道面相鄰較近的區(qū)域不停航施工時作業(yè)效率較高；缺點(diǎn)是換填深度過大時開挖深度較大，工程量增加較多。

換填墊層法在咸陽機(jī)場飛行區(qū)道面地基處理中的應(yīng)用主要位于擴(kuò)建道面與現(xiàn)道面相鄰處，如北飛行區(qū)新建滑行道工程、國際廳站坪擴(kuò)建工程、南飛行區(qū)站坪擴(kuò)建工程以及新建東聯(lián)絡(luò)通道工程等，是僅次于強(qiáng)夯法而應(yīng)用面積較多的地基處理方法。為避免強(qiáng)夯施工振動過大對現(xiàn)道面造成破壞而采用換填墊層法進(jìn)行處理，將濕陷性黃土挖除后分層回填碾壓密實，碾壓密實后的黃土無濕陷性，且滲透系數(shù)較低，可起到隔絕上部地表水滲入下部未處理濕陷黃土中的作用。此外，對雜填土分布范圍及深度較大區(qū)域也采用了換填墊層法進(jìn)行處理。換填深度主要結(jié)合濕陷性等級、雜填土的分布深度以及飛機(jī)荷載附加應(yīng)力影響深度進(jìn)行確定，目前，大部分區(qū)域換填深度在3 m左右，局部區(qū)域則結(jié)合濕陷等級的變化進(jìn)行了適當(dāng)?shù)脑黾印?/p>

2.3 擠密樁法

土擠密樁是利用沉管、沖擊或爆擴(kuò)等方法在地基中擠土成孔，然后向孔內(nèi)夯填素土或灰土成樁。成孔時，樁孔內(nèi)的土被擠向周圍，而使樁間土得以擠密，以達(dá)到消除濕陷性的目的，且對樁孔內(nèi)回填土進(jìn)行分層夯實時可再次對樁間土起到擠密作用。用素土分層夯實的樁體稱為土擠密樁，用灰土分層夯實的樁體稱為灰土擠密樁，二者分別與擠密的樁間土組成復(fù)合地基，共同承受上部道面結(jié)構(gòu)傳遞下來的荷載[4]。

擠密樁法適用于處理地下水位以上的濕陷性黃土、素土和雜填土等地基，以消除濕陷性為主要目的的飛行區(qū)道面地基處理主要采用土擠密樁法進(jìn)行。優(yōu)點(diǎn)是振動影響小，對現(xiàn)道面結(jié)構(gòu)影響小，無需進(jìn)行大面積開挖，當(dāng)場地相對狹小、周邊建(構(gòu))筑物分布較多，換填處理挖方土無堆放空間的區(qū)域可采用該方法進(jìn)行處理；缺點(diǎn)是工程費(fèi)用較高，且利用柴油錘沉管時對環(huán)境污染影響較大。北飛行區(qū)東航機(jī)庫維修機(jī)坪曾采用該方法進(jìn)行處理，素土擠密樁樁徑為0.42 m，采用等腰三角形布樁，樁間距為0.9 m、排距為0.8 m、樁長為6 m(處理深度兼顧雜填土埋深確定)。樁間土經(jīng)擠密處理后密實度均在95%以上，濕陷系數(shù)均在0.015以下，見表2。

表2 樁間土擠密前后物理指標(biāo)比較

2.4 沖擊碾壓法

沖擊碾壓主要是利用非圓形壓實輪在高速滾動過程中產(chǎn)生的巨大作用能量來實現(xiàn)對土體的壓實，當(dāng)壓實輪高速滾動時，壓實輪廓曲線從最小半徑處起步，隨后接觸點(diǎn)半徑逐步增大，對地表產(chǎn)生揉壓，當(dāng)滾動接近最大半徑處時，出現(xiàn)一瞬間支持力等于重力的碾壓過程，當(dāng)壓實輪繼續(xù)滾動至下一輪瓣輪廓曲線最小半徑處時沖擊地表土體，從而產(chǎn)生巨大沖擊作用，其沖擊相當(dāng)于壓實輪自重對地表產(chǎn)生靜壓力的20倍～30倍，巨大沖擊力引起周邊土體介質(zhì)產(chǎn)生振動響應(yīng)。在這種“揉壓—碾壓—沖擊”的綜合作用下土體顆粒重新組合，強(qiáng)迫排除土體顆粒間的空氣和水，從而使土體變得密實，濕陷性得以消除[5]。

沖擊碾壓法優(yōu)點(diǎn)是碾壓效率較普通壓路機(jī)高，適用于處理濕陷性土層厚度較薄區(qū)域，該方法在咸陽機(jī)場飛行區(qū)道面地基處理中僅進(jìn)行了試驗段的施工，尚無具體的工程實例。試驗段中利用25 kJ沖擊壓路機(jī)對原地面進(jìn)行了沖擊碾壓50遍，每沖擊5遍分別檢測原地表下0.3 m，0.5 m，0.7 m，0.9 m，1.2 m處的含水量、濕陷系數(shù)、壓實度等情況，地基土含水量均在14%～16%之間，濕陷系數(shù)和壓實度隨碾壓遍數(shù)的變化情況如圖3，圖4所示。

根據(jù)沖擊碾壓后濕陷系數(shù)和壓實度指標(biāo)可知，沖擊碾壓用于黃土地基處理時影響深度較小，碾壓50遍后僅可消除0 m～0.8 m深度的濕陷性、0.8 m深度內(nèi)的壓實度可達(dá)到85%以上。

3 結(jié)語

1)在對機(jī)場飛行區(qū)道面濕陷性黃土地基進(jìn)行處理時，可供選擇的地基處理方法有多種，各處理方法均有其各自的特點(diǎn)，實際使用時應(yīng)結(jié)合具體情況進(jìn)行比選后確定，一般情況下，應(yīng)優(yōu)先選用經(jīng)濟(jì)適用的強(qiáng)夯法進(jìn)行大面積地基處理。

2)強(qiáng)夯法、換填墊層法、擠密樁法均在西安咸陽國際機(jī)場飛行區(qū)道面地基處理中取得了較好的工程效果，未發(fā)生因地基濕陷而引起的道面破壞。

3)沖擊碾壓法有效處理深度相對較小，采用該方法進(jìn)行飛行區(qū)道面濕陷性黃土地基處理時應(yīng)進(jìn)一步試驗驗證后使用。

[1] GB 50025—2004，濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范[S].

[2] MH/T 5027—2013，民用機(jī)場巖土工程設(shè)計規(guī)范[S].

[3] 周廣利.沖擊碾壓和強(qiáng)夯法在濕陷性黃土路基中的應(yīng)用[J].山西建筑，2010，36(16)：270-271.

[4] 張志強(qiáng).濕陷性黃土的地基處理方法探討[J].武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2012，45(sup):56-57.

[5] 李廷剛.沖擊碾壓加固吹填粉細(xì)砂地基機(jī)理及應(yīng)用[J].北京科技大學(xué)學(xué)報，2010,32(4):89-90.

Discussiononfoundationtreatmentmethodofcollapsibleloessinairportengineering

LiuShiping

(ChineseAirportConstructionGroupCorporationofCaccNorthwestBranch,Xi’an710075,China)

Based on the example of Xi’an Xianyang International Airport, the dynamic compaction， replacement layer of compacted fill， compaction pile and impact crushing method are used to treat the flying area foundation, the experience have certain sign significance for research and construction of similar projects.

airport engineering, collapsible loess, dynamic compaction, compaction pile, impact crushing

1009-6825(2017)23-0059-03

2017-06-06

劉詩平(1986- )，男，工程師，國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師

TU444

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