荷載循環(huán)沖擊下跑道軟土沉降及孔壓變化

韓培鋒,2,3，姜兆華，樊曉一，田述軍

(1.西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.工程材料與結(jié)構(gòu)沖擊振動四川省重點實驗室,四川 綿陽 621010；3.清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室, 北京 100084)

我國沿海地區(qū)和內(nèi)陸平原地帶廣泛分布的軟黏土尤其是飽和淤泥和黏土都具有含水量高、壓縮性大、靈敏度高、強(qiáng)度低以及流變性和觸變性明顯等特點[1]。軟弱地基因壓縮沉降大、固結(jié)緩慢以及地基穩(wěn)定性差，在進(jìn)行機(jī)場、高速公路等大型工程建設(shè)時容易引起工程質(zhì)量問題，在機(jī)場建設(shè)過程中加強(qiáng)對軟土地基的處理對于機(jī)場的安全運營非常重要。因此，研究機(jī)場沖擊荷載循環(huán)作用下的沉降和孔隙水壓力響應(yīng)十分必要。目前，國內(nèi)外學(xué)者針對機(jī)場建設(shè)過程中的軟土地基處理開展試驗研究：劉天夫等[2]采用強(qiáng)夯與沖擊碾壓方法對錦州機(jī)場進(jìn)行處理，有效提高了軟弱地基的強(qiáng)度；何春保等[3]針對塑料排水板堆載預(yù)壓法、袋裝砂井堆載預(yù)壓法和砂井堆載預(yù)壓法3 種不同的地基處理方式進(jìn)行對比試驗；劉勇健等[4]通過真三軸試驗研究沖擊荷載作用下海積軟土的孔隙水壓力、軸向變形等動力響應(yīng)特征，利用熱失重法和理論計算法，分析試驗前后軟土中結(jié)合水含量；余湘娟等[5]對次固結(jié)變形與荷載的關(guān)系進(jìn)行了較詳細(xì)的探討，并著重研究了正常固結(jié)土的次固結(jié)特性；王軍等[6]通過GDS雙向動三軸設(shè)備進(jìn)行一系列飽和軟黏土的變圍壓動三軸試驗，系統(tǒng)研究循環(huán)偏應(yīng)力和循環(huán)圍壓耦合對飽和軟黏土孔壓特性的影響。機(jī)場跑道上不同飛機(jī)的起飛和降落對跑道區(qū)軟土形成循環(huán)沖擊作用，但是針對機(jī)場跑道區(qū)荷載循環(huán)沖擊作用下的軟土響應(yīng)研究還較少。因此，研究不同荷載循環(huán)沖擊作用下的軟土沉降及孔隙水壓力變化規(guī)律對于機(jī)場的安全運行十分必要。

1 擬建區(qū)域工程背景

1.1 工程概況

機(jī)場擬建區(qū)域位于重慶市東南部，區(qū)內(nèi)水系發(fā)育，河流流量變化直接受降雨影響。機(jī)場擬建區(qū)域地形地貌受地層和地質(zhì)構(gòu)造控制明顯，兩側(cè)山脈脊嶺諸峰高程一般在800～1 000 m。機(jī)場場區(qū)位于槽谷底部偏東側(cè)，以可溶性巖層為主，形成了本區(qū)特殊的巖溶地貌，即溶丘洼地低山地貌。場區(qū)地層為沉積地層，自上而下地層主要有素填土、軟塑-可塑狀粉質(zhì)黏土、軟塑-可塑狀砂質(zhì)粉土、軟塑狀淤泥質(zhì)黏土、軟塑-可塑狀中密圓礫、細(xì)砂等。各土層的力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 軟弱土層物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physical mechanics index of weak soil layer

1.2 機(jī)場擬建區(qū)域工程地質(zhì)條件

野外調(diào)查與區(qū)域地質(zhì)資料顯示該地區(qū)以褶皺為主，無較大斷裂。場區(qū)處于戳河壩—大集場向斜中段，向斜軸向北20°～30°東，軸面向北西傾斜，形成西翼陡、東翼緩、較緊湊的不對稱向斜。擬建區(qū)位于該向斜北段西翼和南東翼軸部，其軸線從場區(qū)北段東側(cè)邊部通過，南段為白堊系地層超復(fù)掩埋，在白堊系地層中巖層微有波狀起伏。擬建場區(qū)及周邊揭露的地層主要為第四系全新統(tǒng)殘坡積成因的種植土、淤泥、粉土及黏性土。機(jī)場擬建區(qū)域軟弱土分布廣泛，應(yīng)特別注意軟弱土作為地基土?xí)r引發(fā)的不良地質(zhì)問題。

2 跑道軟土地基處理試驗及分析

2.1 強(qiáng)夯試驗方案

針對機(jī)場軟土特性及荷載特點，擬采用循環(huán)強(qiáng)夯法對軟弱土層進(jìn)行處理，模擬飛機(jī)起飛降落對軟土的影響。強(qiáng)夯法的優(yōu)點是施工速度快、工序簡單、造價低，且可以解決淺層砂質(zhì)粉土的地震液化問題[7-11]。為模擬不同荷載循環(huán)沖擊跑道區(qū)軟土，將試驗區(qū)域劃分成3 個區(qū)域并清理地表淤泥和整平。分別采用1 000，2 000 kN·m以及1 000 kN·m和2 000 kN·m交替夯擊3 種沖擊荷載模擬不同機(jī)型的沖擊荷載。夯后推平工作面碾壓，每個試驗區(qū)域循環(huán)夯擊7 次，每次間隔10 min，具體的夯擊方式如圖1所示。為了觀測強(qiáng)夯的效果，在強(qiáng)夯區(qū)域設(shè)置3 個位移沉降觀測點，在豎直方向每間隔2 m設(shè)置一個孔隙水壓力傳感器。

圖1 不同荷載循環(huán)沖擊軟土Fig.1 Different load cycle impact soft soil

2.2 荷載循環(huán)沖擊下軟土的孔隙水壓力

為了觀測循環(huán)夯擊能沖擊作用下軟土的孔隙水壓力變化規(guī)律，在3 個試驗區(qū)域埋設(shè)孔隙水壓力傳感器，分別布設(shè)-2，-4，-6，-8，-10 m等5 個觀測點。在每個夯擊試驗區(qū)分別設(shè)置3 個沉降觀測點，監(jiān)測夯擊過程中軟土沉降量。夯擊試驗過程中孔隙水壓力的變化規(guī)律如圖2，3所示。從圖2可以看出：隨著沖擊次數(shù)N增加，孔隙水壓力均有明顯上升，且較大沖擊能對應(yīng)較大孔隙水壓力；不同深度處孔隙水壓力一致，距離地表越深，則孔隙水壓力越??；在循環(huán)沖擊荷載作用下，孔隙水壓力開始增長速度較快，隨著沖擊次數(shù)N增加，孔隙水壓力增長速率減緩。

選取-2，-8 m兩個孔隙水壓力監(jiān)測點，分析3 種不同荷載循環(huán)沖擊下軟土的孔隙水壓力變化特征，孔隙水壓力監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。

圖2 荷載循環(huán)沖擊下不同深度孔隙水壓力Fig.2 Different depths of pore water pressure under load cycle

圖3 不同荷載循環(huán)沖擊下孔隙水壓變化圖Fig.3 The pore water pressure changes under different load cycles

從圖3可以看出：1 000 kN·m沖擊荷載下的孔隙水壓力最小，2 000 kN·m沖擊荷載下的孔隙水壓力最大。1 000 kN·m與2 000 kN·m荷載循環(huán)交替作用時，孔隙水壓力更接近2 000 kN·m時的孔隙水壓力值，在交替循環(huán)荷載下-2 m比-8 m的孔隙水壓力值更加接近2 000 kN·m，說明不同荷載交替循環(huán)作用下的孔隙水壓力增長速度更快。

2.3 荷載循環(huán)沖擊下軟土的沉降分析

通過監(jiān)測3 個試驗區(qū)域的沉降觀測點，得到軟土在不同荷載循環(huán)沖擊下的沉降規(guī)律，結(jié)果如圖4所示。

圖4 荷載沖擊下循環(huán)次數(shù)與沉降量曲線圖Fig.4 The cycle times and the settlement displacement curve of load impingement

由圖4可知：著夯擊次數(shù)N的增大，軟土的沉降量開始快速增大，當(dāng)N繼續(xù)增大時，沉降量增速減緩；夯擊能越大，軟土的沉降量越大，1 000 kN·m時沉降量最小，2 000 kN·m時沉降量最大，而1 000 kN·m和2 000 kN·m沉降量介于兩者之間，且沉降量接近2 000 kN·m，說明不同荷載交替循環(huán)沖擊作用時壓實效果較好。

3 機(jī)場軟土夯實效果檢測分析

3.1 平板荷載試驗分析

平板載荷試驗是一種較為直觀的試驗，它是在一定面積的承壓板上向地基土逐級施加荷載，測求地基土的壓力與變形特性的原位測試方法[12]。通過平板載荷試驗，可以測定承壓板下一定深度、寬度范圍內(nèi)地基土的強(qiáng)度、變形的綜合特性。為驗證荷載循環(huán)沖擊作用下軟土的壓實效果，對機(jī)場跑道區(qū)軟土進(jìn)行平板載荷試驗。承壓板的尺寸選擇2.0 m×2.0 m，選取3 個夯擊試驗區(qū)，設(shè)置G1觀測點位于夯錘間隙下方1.0 m，G2觀測點位于夯擊點下方1.0 m，分析平板試驗沉降量。強(qiáng)夯后地基土的變形模量[13]為

(1)

式中：E0為地基土的變形模量，MPa；I0為剛性承壓板性狀系數(shù)；p為承壓板底的荷載強(qiáng)度；s為對應(yīng)的沉降量；d為承壓板的直徑。利用平板荷載試驗確定強(qiáng)夯地基承載能力特征值和變形模量，結(jié)果如表2所示。

表2 平板荷載試驗成果Table 2 The results of the plate load test

夯擊能循環(huán)沖擊軟土，通過平板荷載試驗驗證軟土承載能力，通過兩個沉降觀測點監(jiān)測軟土的沉降量，分析1 000 kN·m和2 000 kN·m夯擊能循環(huán)荷載下的沉降結(jié)果，結(jié)果如圖5所示。對比分析不同荷載循環(huán)沖擊下軟土的沉降特征，分析G1觀測點和G2觀測點在不同荷載循環(huán)沖擊作用下的沉降規(guī)律如圖6所示。

圖5 荷載沖擊下荷載試驗沉降曲線Fig.5 Load settlement curve under impact load test

由圖5平板荷載試驗沉降曲線可知：夯點正下方的軟土沉降量小于夯點間隙下方的沉降量，說明夯點下的軟土壓實較密，承載能力較強(qiáng)。3 個試驗區(qū)中，對比相同深度觀測點處的沉降量，由圖6(a，b)可以發(fā)現(xiàn)：夯擊能越大，則平板荷載試驗的沉降量越小，1 000 kN·m和2 000 kN·m夯擊能交替循環(huán)作用下的沉降量較接近于2 000 kN·m夯擊能，說明不同荷載交替循環(huán)作用下夯擊效果更好，軟土的沉降值較小。

選取平板荷載試驗中平板荷載350 kN時G1觀測點在荷載不同循環(huán)次數(shù)沖擊下的沉降量為研究對象，結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出：隨著夯擊次數(shù)N的增大，軟土的沉降量開始較大，后逐漸減小，降低的速率越來越慢；夯擊能量越大，軟土的沉降量越小，荷載交替循環(huán)作用下的軟土擊實效果更好。

圖7 荷載循環(huán)沖擊下沉降曲線Fig.7 The settlement curve under load cycle impact

3.2 靜力觸探試驗及成果分析

靜力觸探試驗的目的是測定夯擊前和夯擊后的錐頭阻力和側(cè)摩阻力在不同地層深度處的變化規(guī)律，估算土的物理力學(xué)指標(biāo)、確定地基承載力和土的變形參數(shù)。當(dāng)靜力觸探的探頭在靜壓力作用下，勻速向土層中貫入時，探頭附近一定范圍內(nèi)的土體受到壓縮和剪切破壞。同時土對探頭產(chǎn)生貫入阻力，其中包括錐尖阻力qc和側(cè)壁摩阻力fs，利用雙橋探頭分別測定兩者的變化規(guī)律，以此判定軟土地基加固效果。錐尖阻力qc和側(cè)壁摩阻力fs分別定義[12]為

(2)

(3)

式中：Qc和Pf分別為錐尖總阻力和側(cè)壁摩阻力；A和F分別是錐底截面面積和摩擦筒表面積。利用雙橋靜力觸探測得錐尖阻力qc和側(cè)壁摩阻力fs。為了對比分析夯擊效果，分別測定夯點下方及夯點之間的監(jiān)測點在夯擊前和夯擊后的錐尖阻力qc和側(cè)壁摩阻力fs，對1 000 kN·m夯擊能循環(huán)沖擊下試驗區(qū)軟土的靜力觸探試驗進(jìn)行分析，監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖8，9所示。

圖8 側(cè)壁摩阻力隨地層深度變化曲線Fig.8 The relation curve of lateral friction drag with depth of formation

圖9 錐尖阻力隨地層深度變化曲線Fig.9 The relationship curve of taper resistance with depth of formation

圖8(a，b)為1 000 kN·m夯擊能循環(huán)沖擊下作用前后側(cè)壁摩阻力隨深度的變化曲線，圖9(a，b)為1 000 kN·m夯擊能循環(huán)沖擊下作用前后錐尖摩阻力隨深度的變化曲線。由圖可知：在循環(huán)沖擊荷載作用下，不同深度處的側(cè)壁摩阻力和錐尖阻力值隨深度發(fā)生變化，夯擊點下方的側(cè)壁摩阻力和錐尖阻力大于夯點之間的側(cè)壁摩阻力和錐尖阻力；夯擊后土層不同深度上的側(cè)壁摩阻力和錐尖阻力都增強(qiáng)，但是錐尖阻力增長幅度更大，說明夯擊對錐尖阻力增強(qiáng)效果更加明顯；夯點下的側(cè)壁摩阻力大于夯點之間的側(cè)壁摩阻力，說明試驗區(qū)地基承載力不均衡，夯點的分布需要調(diào)整。

為了分析不同夯擊能作用下機(jī)場跑道軟土區(qū)的承載能力的變化規(guī)律，對觀測點分別采取1 000，2 000 kN·m以及1 000 kN·m和2 000 kN·m交替作用，選取觀測點G1進(jìn)行試驗分析。G1號觀測點不同深度上的側(cè)壁摩阻力和錐尖阻力在不同沖擊荷載作用下的變化規(guī)律如圖10所示。

圖10 夯點間錐尖阻力和側(cè)壁阻力隨深度變化曲線Fig.10 The relationship of lateral friction drag and taper resistance with depth of formation

圖10(a，b)分別為3 種不同荷載循環(huán)沖擊作用下機(jī)場跑道區(qū)軟土的側(cè)壁摩阻力和錐尖阻力隨土層深度的變化曲線。由圖10(a)可知：1 000 kN·m荷載循環(huán)沖擊下軟土的側(cè)壁摩阻力和錐尖阻力值最小，而2 000 kN·m時對應(yīng)的側(cè)壁摩阻力和錐尖阻力值最大，1 000 kN·m和2 000 kN·m交替循環(huán)沖擊作用下側(cè)壁摩阻力值和錐尖阻力居中。由圖10(b)可知：1 000 kN·m和2 000 kN·m荷載交替作用時，其摩阻力與錐尖阻力與2 000 kN·m作用時的值較接近，而較1 000 kN·m時對應(yīng)的摩阻力與錐尖阻力增長較多，說明不同荷載交替循環(huán)壓實作用效果較好。

4 結(jié) 論

通過夯擊模擬機(jī)場飛機(jī)起飛降落過程中對機(jī)場跑道的循環(huán)沖擊作用，通過平板荷載試驗和靜力觸探試驗驗證夯擊后軟土的承載能力。研究發(fā)現(xiàn)：在循環(huán)沖擊荷載作用下，孔隙水壓力開始增長速度較快，隨著沖擊次數(shù)N增加，孔隙水壓力增長速率減緩。1 000 kN·m沖擊荷載下的孔隙水壓力和沉降量最小，2 000 kN·m沖擊荷載下的孔隙水壓力和沉降量最大。1 000 kN·m與2 000 kN·m荷載循環(huán)交替作用時，孔隙水壓力和沉降量更接近2 000 kN·m時的孔隙水壓力值和沉降量，說明不同荷載交替循環(huán)作用下軟土的孔隙水壓力增長速度更快，擊實效果更好。夯擊后土層不同深度上的側(cè)壁摩阻力和錐尖阻力都增強(qiáng)，但是錐尖阻力增長幅度更大。夯點下的側(cè)壁摩阻力大于夯點之間的側(cè)壁摩阻力，試驗區(qū)地基承載力不均衡，說明夯點的分布需要調(diào)整，試驗結(jié)果可為機(jī)場跑道區(qū)軟土地基處理與加固提供借鑒。

本文得到清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室開放基金資助項目(sklhse-2016-D-04)，西南科技大學(xué)龍山人才計劃資助項目(18lzx685)的資助。