淤泥攪拌樁在溫州永強(qiáng)機(jī)場(chǎng)真空預(yù)壓中的應(yīng)用

王明磊，單勤，張宏恩，劉仁海

（中交一航局第四工程有限公司，天津 300456）

0 引言

在沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，圍海造地和快速造陸技術(shù)形成的地基往往在自重荷載下未能完成固結(jié)，而吹填土多為粉細(xì)砂和海相淤泥黏土，此地基具有含水量高、壓縮性大、強(qiáng)度及承載力低等特點(diǎn)。通常采用真空預(yù)壓法進(jìn)行軟基處理。沿海地表土層中大多含有細(xì)砂或粉細(xì)砂層，對(duì)真空預(yù)壓的氣密性很不利。比較常用的是采用水泥攪拌樁密封，效果很好，但是處理完成后要挖出水泥攪拌樁，以防地基產(chǎn)生硬殼帶。本次試驗(yàn)段采用淤泥攪拌樁密封墻代替水泥攪拌樁，作為真空預(yù)壓區(qū)的密封墻[1-2]。

1 地質(zhì)概況

溫州永強(qiáng)機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)改擴(kuò)建工程所在場(chǎng)區(qū)深度50.0 m范圍內(nèi)地基土自上而下為：人工素填土、硬殼層黏土、海相淤積軟土、沖淤積土、湖沼相黏性土等4個(gè)工程地質(zhì)層及4個(gè)亞層，如表1所示。場(chǎng)區(qū)為典型軟弱地基土，淤積軟土沉積厚度大，第③1層、第③3層含粉砂淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，第③4層淤泥和第③5層淤泥，土性呈流塑，具含水量高、孔隙比大、靈敏度高、抗剪強(qiáng)度低、承載能力差等特點(diǎn)。

表1 地基土設(shè)計(jì)計(jì)算主要參數(shù)建議采用值Table 1 The proposed value of the main parametersof foundation soil design calculation

機(jī)場(chǎng)跑道荷載大，其附加應(yīng)力影響深度至第③5層底面（約28 m），第③1層、第③3層、第③4層和第③5層土層將產(chǎn)生很大的固結(jié)變形，亦是工后沉降變形的主要來(lái)源。過(guò)大的工后沉降會(huì)造成跑道橫坡變小，道面排水速度減緩，飛機(jī)高速起降時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生“漂滑”現(xiàn)象，影響機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)安全；意味著發(fā)生差異沉降的可能性增大，這將引起跑道的縱坡發(fā)生一定改變，使跑道上高速運(yùn)行的飛機(jī)產(chǎn)生明顯顛簸，甚至帶來(lái)安全隱患，也可能使飛機(jī)結(jié)構(gòu)受到損害；造成局部的不均勻沉降，從而產(chǎn)生道面斷板，給機(jī)場(chǎng)的后期維修造成較大困難，嚴(yán)重時(shí)影響機(jī)場(chǎng)的正常運(yùn)行。

機(jī)場(chǎng)跑道地基是大面積土基，它有別于公路地基的3個(gè)主要區(qū)別是：1）道面荷載大，要求地基承載力高；2）不均勻沉降要求小；3）工后沉降要求小。因此，對(duì)該地區(qū)進(jìn)行加固處理是非常必要的，通過(guò)地基加固處理達(dá)到飛行（或滑行）所必要的安全、平穩(wěn)和舒適的條件[3]。

2 淤泥攪拌樁的作用

第③1層及第③3層含粉砂淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的滲透系數(shù)最小為1.95×10-5cm/s，最深埋設(shè)深度約9.5 m，該層有可能會(huì)影響真空預(yù)壓的真空度，采取在周邊打設(shè)淤泥攪拌樁密封墻，增強(qiáng)密封效果并降低維護(hù)真空的成本。

一般情況下采用滲透系數(shù)為10-7cm/s左右的淤泥或黏土作為密封攪拌樁的原材料[4]。工程實(shí)踐表明，淤泥攪拌樁的工程效果比較好，造價(jià)也比較低廉，對(duì)溫州永強(qiáng)機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)而言，場(chǎng)區(qū)內(nèi)淤泥比較豐富，能夠滿足今后大面積施工要求。相對(duì)而言，黏土攪拌樁的施工工藝偏復(fù)雜，成本較高；水泥攪拌樁密封帷幕也是一種有效的氣密性措施，施工工藝和效果都適宜操作，但工程造價(jià)較大。綜合以上情況，選擇淤泥攪拌樁為密封墻具有經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、效果顯著等優(yōu)點(diǎn)。

為確定第③1層及第③3層含粉砂淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土是否需要打設(shè)淤泥攪拌樁密封墻，計(jì)劃在Z1試驗(yàn)區(qū)采用淤泥攪拌樁密封墻，Z2試驗(yàn)區(qū)不采用淤泥攪拌樁密封墻。

淤泥攪拌樁的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：1）樁身長(zhǎng)度：以封閉第③1層及第③3層含粉砂淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為目的，樁長(zhǎng)10 m；2）淤泥摻入比為25%；3）樁徑、樁形：攪拌樁樁頭采用雙頭，樁形為“8”字形，單樁徑70 cm，搭接20 cm；4）樁的垂直度要求不大于0.8%[5]。

淤泥攪拌樁采用四噴四攪工藝。

3 淤泥攪拌樁的效果

淤泥攪拌樁打設(shè)之前，在現(xiàn)場(chǎng)取樣得到現(xiàn)場(chǎng)土的滲透系數(shù)，在淤泥攪拌樁成樁7 d后，取淤泥攪拌樁的滲透系數(shù)作對(duì)比，結(jié)果如表2。

表2 淤泥攪拌樁的滲透系數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)滲透系數(shù)的對(duì)比Table 2 Comparison of permeability coefficient and field permeability coefficient of silt mixing pile

由表2可以看出，經(jīng)過(guò)淤泥攪拌樁施工的第③1層及第③3層含粉砂淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的水平滲透系數(shù)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，而且整個(gè)樁的水平滲透系數(shù)基本一致，達(dá)到了良好的密封效果。

4 真空預(yù)壓成果對(duì)比

真空預(yù)壓的設(shè)計(jì)要求：Z1區(qū)面積4 200 m2，Z2區(qū)面積3 100 m2。塑料排水板間距為1.3 m，打設(shè)深度為28 m。淤泥攪拌樁深度10 m。真空預(yù)壓卸載要求同時(shí)滿足：真空預(yù)壓100 d；沉降速率連續(xù)5 d小于1.5 mm/d；場(chǎng)區(qū)處理深度范圍內(nèi)的土體平均固結(jié)度達(dá)到85%，具體詳見圖1。

圖1 真空預(yù)壓區(qū)和沉降觀測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of vacuum preloading section and subsidence observation points

4.1 Z1區(qū)

在真空預(yù)壓前期沉降速度大，后期沉降速度小，地基在排水固結(jié)中漸趨穩(wěn)定。在真空預(yù)壓結(jié)束前一周，地面沉降速率小于1.5 mm/d，達(dá)到真空預(yù)壓卸載標(biāo)準(zhǔn)，真空預(yù)壓用時(shí)107 d。Z1區(qū)施工效果：平均沉降量到747.56 mm，工后沉降為92.43 mm，由地面沉降計(jì)算地基土的平均固結(jié)度達(dá)到87.47%[6]，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。Z1區(qū)真空預(yù)壓前后十字板剪切強(qiáng)度效果對(duì)比見圖2，Z1區(qū)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)總沉降量及固結(jié)度見表3。

圖2 Z1區(qū)真空預(yù)壓前后十字板剪切強(qiáng)度效果對(duì)比圖Fig.2 Comparison of cross plate shear strength effect before and after vacuum preloading in Z1 area

表3 Z1區(qū)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)總沉降量及固結(jié)度Table3 Total settlement and consolidation degree of surface monitoring point in Z1 area

真空預(yù)壓后土體剪切強(qiáng)度均有明顯提高，預(yù)壓后土體剪切強(qiáng)度平均強(qiáng)度約增加78%左右，土體強(qiáng)度平均增加1倍以上。

4.2 Z2區(qū)

Z2區(qū)真空預(yù)壓時(shí)間135 d，施工結(jié)束時(shí)平均沉降量到609.8 mm，工后沉降為99.9 mm，由地面沉降計(jì)算地基土的平均固結(jié)度達(dá)到85.06%[6]，剛剛滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。Z2區(qū)真空預(yù)壓前后十字板剪切強(qiáng)度效果對(duì)比見圖3，Z2區(qū)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)總沉降量及固結(jié)度見表4。

真空預(yù)壓前后土體剪切強(qiáng)度均有明顯提高，預(yù)壓后土體剪切強(qiáng)度平均強(qiáng)度約增加72%左右。

圖3 Z2區(qū)真空預(yù)壓前后十字板剪切強(qiáng)度效果對(duì)比圖Fig.3 Comparison of cross plate shear strength effect before and after vacuum preloading in Z2 area

表4 Z2區(qū)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)總沉降量及固結(jié)度Table 4 Total settlement and consolidation degree of surface monitoring point in Z2 area

4.3 成果對(duì)比

Z1與Z2區(qū)真空預(yù)壓試驗(yàn)段數(shù)據(jù)對(duì)比見表5。

表5 Z1與Z2區(qū)真空預(yù)壓數(shù)據(jù)對(duì)比Table 5 Comparison of vacuum preloading data between Z1 and Z2

從表中得出如下結(jié)論：

1）Z1區(qū)的沉降量和固結(jié)度超過(guò)設(shè)計(jì)要求，Z2區(qū)的沉降量和固結(jié)度剛剛滿足設(shè)計(jì)要求。

2）Z1區(qū)的真空預(yù)壓時(shí)間比Z2區(qū)少用28 d。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和施工經(jīng)驗(yàn)，每1 000 m2設(shè)置1臺(tái)真空泵，真空泵的功率為7.5 kW；1臺(tái)真空泵1 d的用電量為180 kW·h；采用淤泥攪拌樁作為密封墻，每1 000 m2節(jié)約用電5 040 kW·h；工業(yè)用電價(jià)格0.8元/（kW·h）；每1 000 m2節(jié)約4 032元。

以20 000 m2（長(zhǎng)×寬=200 m×100 m）為1個(gè)真空預(yù)壓區(qū)為例，扣除打設(shè)淤泥攪拌樁費(fèi)用240 000元，共節(jié)約費(fèi)用2 017 920.00元。

3）Z1區(qū)的平均總沉降量、平均真空度、工后沉降、平均固結(jié)度、土體剪切強(qiáng)度增量均比Z2的數(shù)值高，說(shuō)明Z1的真空預(yù)壓效果遠(yuǎn)比Z2區(qū)效果好。

4）第③1層及第③3層含粉砂淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土對(duì)真空預(yù)壓施工有比較明顯的影響。淤泥攪拌樁作為密封墻能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)Z1區(qū)和Z2區(qū)真空預(yù)壓試驗(yàn)段施工過(guò)程和結(jié)果的分析，充分說(shuō)明，淤泥攪拌樁可以在含粉砂淤泥質(zhì)黏土中作為密封墻使用，而且取得了顯著效果。

2）淤泥攪拌樁在真空預(yù)壓過(guò)程中隨周圍土體一起固結(jié)，與周圍土體形成整體，不會(huì)產(chǎn)生工后局部沉降，使地基更加均勻穩(wěn)固，相對(duì)水泥攪拌樁，既沒有昂貴的造價(jià)，也不產(chǎn)生局部沉降不均。

3）淤泥攪拌樁密封墻的使用可大幅減少真空預(yù)壓的時(shí)間，土體剪切強(qiáng)度、固結(jié)度等均有顯著提升，滿足了民航機(jī)場(chǎng)跑道工程對(duì)地基處理承載力的要求。

4）Z1、Z2獲取的真空預(yù)壓數(shù)據(jù)具有較高的研究?jī)r(jià)值。為后期的溫州永強(qiáng)機(jī)場(chǎng)滑行道延長(zhǎng)段、新建站坪區(qū)域地基處理提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

[1]JGJ79—2012，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].JGJ79—2012,Technical codefor ground treatment of buildings[S].

[2]QB/BY 10301—2003，水泥攪拌樁施工工藝及質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[S].QB/BY 10301—2003,Construction technology and quality acceptancestandard of cement mixingpile[S].

[3] 徐剛強(qiáng).溫州機(jī)場(chǎng)真空預(yù)壓試驗(yàn)段施工組織設(shè)計(jì)[R].溫州：中交一航局四公司，2014.XU Gang-qiang.Construction organization design of vacuum preloading test section of Wenzhou Airport[R].Wenzhou:No.4 Engineering Co.,Ltd.of CCCC-FHECCo.,Ltd.,2014.

[4]胡利文，王永平.真空預(yù)壓淤泥攪拌墻氣密性試驗(yàn)分析與應(yīng)用技術(shù)[J].巖土力學(xué)，2005，26（3）：427-431.HU Li-wen,WANG Yong-ping.Test study and application technique for airtight capacity of mixing silt wall under vacuum preloading[J].Rock and Soil Mechanics,2005,26（3）:427-431.

[5] 肖圓圓.溫州機(jī)場(chǎng)真空預(yù)壓試驗(yàn)段設(shè)計(jì)文件[R].上海：上海民航新時(shí)代機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，2013.XIAO Yuan-yuan.Design document of Wenzhou Airport vacuum preload test section[R].Shanghai:Shanghai Civil Aviation New Age Airport Design and Research Institute Co.,Ltd.,2013.

[6] 曾杰.溫州機(jī)場(chǎng)真空預(yù)壓試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)月報(bào)[R].南京：河海大學(xué)，2013.ZENG Jie.Monitoring monthly report on vacuum preload test section of Wenzhou Airport[R].Nanjing:Hohai University,2013.