換填墊層法在機(jī)場濕陷性軟土地基處理中的應(yīng)用

張炳福

摘要：黃土地區(qū)機(jī)場建設(shè)工程存在濕陷性軟土地基問題，本文以太原機(jī)場機(jī)坪擴(kuò)容工程為例，采用“換填墊層配合沖擊碾壓”的方法處理場區(qū)軟土地基，通過分析地基承載力、固體體積率、反應(yīng)模量等數(shù)據(jù)來控制地基處理的相關(guān)施工參數(shù)。評估結(jié)果表明，采用換填墊層法可以有效治理軟土地基的濕陷性。

關(guān)鍵詞：濕陷性軟土;換填墊層法;固體體積率;反應(yīng)模量;地基承載力

Abstract： In this paper， taking the expansion project of Taiyuan Airport Apron as an example， the soft soil foundation in the field area is treated by the method of "replacement cushion and impact rolling"， the related construction parameters of foundation treatment are controlled by analyzing the data of foundation bearing capacity， solid volume ratio and reaction modulus. The evaluation results show that the replacement cushion method can effectively control the collapsibility of soft soil foundation.

1? 工程概況

太原國際機(jī)場地處山西中部，是國內(nèi)大型的“千萬級”機(jī)場，同時(shí)也是首都的主備降機(jī)場，自2008年二期改擴(kuò)建以來，航班量以每年10%攀升，現(xiàn)有機(jī)坪已無法滿足運(yùn)行需要，新建機(jī)坪迫在眉睫。在機(jī)坪擴(kuò)容項(xiàng)目前期現(xiàn)場實(shí)地勘察和室內(nèi)土樣試驗(yàn)結(jié)果表明，地基土可按深度自上而下分為4層：第①層為填土，主要為雜填土和素填土，其中素填土稍濕密;第②層為粉質(zhì)黏土，呈粉土和粉質(zhì)粘土互層的狀態(tài)，壓縮性和干強(qiáng)度都屬于中等;第③層為粉土，主要由黃土狀粉土和粉土組成，韌性較低，具備中等壓縮性，但干強(qiáng)度較低;第④層則為粉質(zhì)粘土，土樣飽和度高，有良好的可塑性。

勘察結(jié)果顯示，場地內(nèi)地基整體可判定為濕陷性黃土地基，地基土力學(xué)性能基本穩(wěn)定，但由于附近村莊長期將生活污水排放在施工場地旁廢棄田地內(nèi)，使得施工區(qū)域的地下水位在近年來迅速上升，實(shí)地勘測地下水埋深在自然地面以下1.5～3.5m之間，使得場地內(nèi)天然軟土地基濕陷性進(jìn)一步惡化，處理不當(dāng)，極易導(dǎo)致機(jī)場地基沉陷，嚴(yán)重影響機(jī)場使用安全。

2? 地基處理方案

目前針對濕陷性黃土這類典型的軟土地基，國內(nèi)機(jī)場常用的地基處理方法有攪拌樁法、碎石擠密樁法、真空預(yù)壓法、塑料排水板堆載預(yù)壓法及強(qiáng)夯法等。珠海通用機(jī)場航站區(qū)采用“攪拌樁聯(lián)合排水板”的方法處理施工區(qū)域軟土地基[1];上海浦東國際機(jī)場新建跑道工程采用“真空預(yù)壓法處理淺層地基、塑料排水板堆載預(yù)壓法處理深層地基”的綜合治理辦法，明顯治理了道面的裂縫、錯(cuò)臺(tái)等問題[2]。處理后通過對地下水位上升前后土基的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行研究，研究了地下水位上升對軟土地基承載力的影響[3]。

本工程道面結(jié)構(gòu)層厚度小于5m，地基處理按深度可以定義為淺基礎(chǔ)處理，處理方案要求在保證質(zhì)量的前提下盡量縮短工期，以方便后續(xù)工序的高效運(yùn)行，因此擬采用換填墊層法與沖擊碾壓法相結(jié)合的方案，墊層材料為粒徑不大于60cm的級配片石，要求不均勻系數(shù)Cu≥5，曲率系數(shù)Cc=1～3，石料抗壓不小于2.0MPa，同時(shí)沖擊碾壓法擁有重?fù)艉蛷?qiáng)夯的雙重效果，且擊實(shí)能較小，可以有效防止對附近舊道面的地基擾動(dòng)。

換填墊層法中換填厚度通過現(xiàn)場試驗(yàn)來確定，在地基處理方案實(shí)施前，設(shè)置三個(gè)試驗(yàn)區(qū)，其中試驗(yàn)一區(qū)為水穩(wěn)底下挖1.0m，面積為700m2;試驗(yàn)二區(qū)為水穩(wěn)底下挖1.2m，面積為570m2;試驗(yàn)三區(qū)為水穩(wěn)底下挖1.5m，面積為570m2。在各試驗(yàn)小區(qū)下挖到設(shè)計(jì)標(biāo)高后將級配合理的片石按照各個(gè)試驗(yàn)區(qū)的換填厚度分層填筑并壓實(shí)，之后利用沖擊壓路機(jī)將三個(gè)試驗(yàn)區(qū)換填后的地基沖擊碾壓20～25遍。

現(xiàn)場碾壓完成后，對試驗(yàn)區(qū)內(nèi)地基分別采用灌水法、平板載荷實(shí)驗(yàn)、靜載試驗(yàn)等方法來測定各試驗(yàn)區(qū)地基土的固體體積率、基層頂面反應(yīng)模量、地基承載力，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)設(shè)置1個(gè)固體體積率測點(diǎn)、3個(gè)土基反應(yīng)模量測點(diǎn)和2個(gè)地基承載力測點(diǎn)。

測得土基反應(yīng)模量k0后，根據(jù)民航機(jī)場規(guī)范中基層頂面反應(yīng)模量經(jīng)驗(yàn)曲線，利用土基反應(yīng)模量k0和基層當(dāng)量厚度值hje，反演得到基層頂面反應(yīng)模量kj值，其中基層當(dāng)量厚度hje可以用下式計(jì)算：

式中：hi—各基層材料的厚度，在本工程中從上到下分別為水泥混凝土層厚度與水泥穩(wěn)定碎石層厚度，片石層厚度由當(dāng)前試驗(yàn)區(qū)換填厚度決定;

？啄i—各基層材料對應(yīng)的當(dāng)量系數(shù)，查《民用機(jī)場水泥混凝土道面設(shè)計(jì)規(guī)范》（MH/T5004-2010）可得水泥混凝土當(dāng)量系數(shù)取1.9，水泥穩(wěn)定碎石當(dāng)量系數(shù)取1.4，片石的當(dāng)量系數(shù)取0.7。

最終將各試驗(yàn)區(qū)灌水法、平板載荷實(shí)驗(yàn)、靜載實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集起來，分析后，最終的目標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

根據(jù)《民用機(jī)場水泥混凝土道面設(shè)計(jì)規(guī)范》（MH/T5004-2010）的相關(guān)要求，二類E級飛行區(qū)的基層頂面反應(yīng)模量應(yīng)大于等于80MN/m3，結(jié)果顯示三種換填厚度下基層頂面反應(yīng)模量均符合規(guī)范要求;但通過固體體積率試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)換填厚度為1.0m的試驗(yàn)區(qū)固體體積率為79.2%，不符合設(shè)計(jì)中固體體積率應(yīng)大于83%的要求，而換填厚度為1.2m、1.5m的試驗(yàn)區(qū)則符合設(shè)計(jì)要求。但考慮到現(xiàn)場施工進(jìn)度和費(fèi)用，換填厚度越小工期越短費(fèi)用越低，因此確定換填厚度為1.2m的施工方案。

3? 處治效果評估

為準(zhǔn)確評估地基處理的處治效果，在地基處理完成后對三個(gè)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行工后自然沉降觀測，用以研究分析軟土地基濕陷性的改良程度。

本工程在地基處理結(jié)束后，在每個(gè)試驗(yàn)區(qū)各設(shè)置有2個(gè)沉降觀測點(diǎn)，按照每個(gè)測點(diǎn)每天一次的頻次進(jìn)行沉降觀測，整個(gè)過程一共持續(xù)8天。

觀測期結(jié)束后，匯總各個(gè)測點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)，得出沉降觀測結(jié)果，如表2所示。

從表2沉降數(shù)據(jù)，可以看出：

①三個(gè)試驗(yàn)區(qū)經(jīng)過換填墊層法和沖擊碾壓法處理后，后期地基沉降值基本穩(wěn)定，并在第7天左右達(dá)到最大值;②地基沉降量在2～4mm之間，其中試驗(yàn)一區(qū)的平均沉降值為4mm，試驗(yàn)二區(qū)為3.5mm、試驗(yàn)三區(qū)為2.5mm，結(jié)合各試驗(yàn)區(qū)的換填厚度，可以看出，換填厚度與工后自然沉降值基本成反比關(guān)系;③各試驗(yàn)區(qū)的最終自然沉降值均小于機(jī)坪擴(kuò)容項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求及民航規(guī)范值，即低于5mm，符合機(jī)場建設(shè)要求。

通過分析高程與時(shí)間變化趨勢，可以看出：

①三個(gè)試驗(yàn)區(qū)經(jīng)過地基處理后的起始觀測高程與換填深度成正比關(guān)系，可見換填厚度越深，土質(zhì)淤泥化越嚴(yán)重，沖擊碾壓產(chǎn)生的沉降越大;

②試驗(yàn)二區(qū)、三區(qū)的觀測點(diǎn)在第6天即達(dá)到最大沉降值，而試驗(yàn)一區(qū)的觀測點(diǎn)在第7天才達(dá)到最大沉降值，可見試驗(yàn)一區(qū)消除濕陷性的處理效果略微弱于試驗(yàn)二區(qū)和三區(qū)。

根據(jù)新建機(jī)坪建成以后道面狀況發(fā)現(xiàn)：本工程自2019年11月通過行業(yè)驗(yàn)收以來，已平穩(wěn)運(yùn)行7個(gè)月，機(jī)坪的航空器日滑入、推出架次達(dá)到20架次，冬季經(jīng)歷過1次大型降雪，2次中型降雪，自進(jìn)入雨季以來，強(qiáng)度超過中等的降雨超過10次，道面狀況保持良好，換填墊層處理擴(kuò)建機(jī)坪軟土濕陷性效果良好。

4? 結(jié)論

目前，太原機(jī)場機(jī)坪擴(kuò)容項(xiàng)目已順利完成，機(jī)坪也投入運(yùn)行了一段時(shí)間，綜合看來，道面結(jié)構(gòu)的整體性較好，抗壓強(qiáng)度和耐久性表現(xiàn)均十分優(yōu)異。故結(jié)合工程項(xiàng)目實(shí)踐，得出以下結(jié)論：

①換填墊層法和沖擊碾壓法相配合的治理方式可以有效處置北方機(jī)場淺層軟土地基，其中換填墊層法可以提高地基承載力和穩(wěn)定性，沖擊碾壓法可以加快地基的固結(jié)沉降，降低軟土地基的濕陷性;

②換填墊層法的換填厚度可以通過測定不同開挖厚度下各試驗(yàn)區(qū)的固體體積率、基層頂面反應(yīng)模量、地基承載力，對比分析民航設(shè)計(jì)規(guī)范和項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求，從而達(dá)到定量控制施工參數(shù)的目的;

③采用工后自然沉降觀測的方法，結(jié)合道面完成后實(shí)際運(yùn)行情況，可以有效評估換填墊層法地基處理的處治效果。

參考文獻(xiàn)：

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