機場巖溶空腔淺伏區(qū)地基處理技術(shù)研究

王樹華 張 鵬 周治釗 石天奇

(1.郴州市城市規(guī)劃設(shè)計院，湖南郴州 423000；2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，湖南長沙 410219；3.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

0 引言

巖溶是指水對可溶碳酸鹽巖石化學(xué)腐蝕使地下巖土體產(chǎn)生空腔的一種地質(zhì)現(xiàn)象，嚴重時會發(fā)生區(qū)域塌陷引起周圍巖土體變形[1]，這將對機場飛行區(qū)道路造成路基局部沉陷開裂，產(chǎn)生臺階、陷坑和路基間的局部離層[2]。目前對巖溶地區(qū)不良地質(zhì)進行地基處理采用的方法主要有碎石樁擠密法、壓力注漿法等，在新建機場工程中，考慮到后期荷載要求，通常以強夯法為主，其次為沖擊碾壓法。

20世紀70年代德國首次討論歐洲地區(qū)巖溶塌陷的分布規(guī)律和防治措施[3]； Lee和Gu[4]考慮到計算強夯有效加固深度傳統(tǒng)公式僅考慮了錘重和落距兩個因素的局限性，利用有限元程序?qū)姾粏栴}進行了二維分析，建立基于夯錘半徑、夯擊能和土體初始密實度等因素確定有效加固深度的新方法；Waltham等[5]分析巖溶隱患的機理和防治措施；van Paassen等[6]對強夯法的主要參數(shù)設(shè)計、強夯試驗和強夯加固巖溶地基效果進行分析；Waele等[7]對強夯錘體進行研究，給出了強夯過程中應(yīng)力傳導(dǎo)方程，夯錘運動方程及土體變形規(guī)律；何長明等[8]以紅砂巖高路堤為背景，推導(dǎo)出強夯加固地基有效深度的計算公式，提出了強夯加固地基有效范圍的經(jīng)驗公式；黃 濤等[9]分析高填方地基沉降變形機理，提出采用強夯施工結(jié)合振動碾壓的方法，可以加速提高填方層的固結(jié)壓密程度；張潔玙[10]針對未用填充物處理的溶洞，采用低標號混凝土填充密實后進行表層強夯處理，路基各項指標均滿足設(shè)計要求；何春保等[11]基于強夯加固機理，分析神農(nóng)架機場工程巖溶工程特征，進行載荷等一系列試驗，認為采用墊層強夯法處理巖溶洼地問題可以有效提高地基承載力；夏 天[12]對不同能級強夯加固處理進行靜載試驗、多道瞬態(tài)面波測試和標準貫入試驗，研究巖溶地基的強夯加固效果；黃 赫等[13]突破傳統(tǒng)的單層強夯法舊思路，利用雙層強夯法和雙層強夯置換法處理了巖溶地質(zhì)溶洞問題，通過重型動力觸探和標準貫入試驗分析強夯法加固效果；朱彥鵬[14]評價強夯法在地基加固中的效果，獲得強夯法在山區(qū)高填方機場地基加固中的最優(yōu)夯擊參數(shù)。

目前針對巖溶空洞區(qū)域大多數(shù)采用強夯法，并推薦了設(shè)計夯擊參數(shù)，但是空洞淺伏區(qū)后期為機場飛行區(qū)服務(wù)，對機場路面不均勻沉降、跑道線路平順性以及地基承載力要求高于其他地基處理工程項目。本文研究墊層強夯法和強夯置換法對不同場地土層的路基加固效果的差異性及適用性，為機場巖溶區(qū)地基處理技術(shù)提供理論支撐和科學(xué)根據(jù)。

1 工程地質(zhì)條件

擬建場地距郴州市區(qū)的直線距離約16 km，為道槽區(qū)，地下水循環(huán)交替對巖溶發(fā)育范圍有著重大的影響。中部為一走向近北東向的山脊，兩邊為坡地及溝谷，地形起伏較大，溝谷切割較深，形成了機場特殊的巖溶地貌。研究區(qū)域地基土以黏土、粉質(zhì)黏土為主，主要物理力學(xué)性質(zhì)指標見表1。

表1 天然地基各土層物理力學(xué)指標表

場地內(nèi)基巖主要為白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r，屬可溶性碳酸鹽巖。場區(qū)發(fā)育地質(zhì)構(gòu)造主要有華塘背斜、南樓—下村向斜、了尾沖壓性斷裂及豪里—塔水壓性斷裂等共計7條斷層，這些地質(zhì)構(gòu)造、巖層層面等結(jié)構(gòu)面在場區(qū)呈網(wǎng)格狀展布，成為巖溶泉、地下流的主要連通通道。場地內(nèi)發(fā)育的巖溶為隱伏性巖溶，巖溶存在一定的連通性，且被黏性土夾灰?guī)r質(zhì)碎石及礫砂等充填。巖溶形態(tài)主要有溶蝕溝槽、溶蝕裂隙、溶洞等。巖溶埋藏深度以8.0～16.5 m為主，少數(shù)超過20 m，為淺伏發(fā)育特征，極易形成地下洞穴頂板的坍塌以及溶洞內(nèi)填充物被地下水的運動帶走導(dǎo)致路基結(jié)構(gòu)下沉。

2 地基處理方案及監(jiān)測方案

2.1 地基處理方案

考慮到強夯法施工工藝較注漿法、沉管擠密樁法簡單，經(jīng)濟性好，因此對于存在頂板埋深較淺的巖溶漏斗、裸露型溶洞及隱伏溶洞直接采用清爆換填法和墊層強夯法處理，而對于埋深較大的巖溶條件飛行區(qū)采用強夯置換墩法處理。

(1)墊層強夯法

處理土層厚度為6～12 m的道槽填方區(qū)的巖溶漏斗和裸露型溶洞(見圖1)。根據(jù)能級不同分為2組：兩遍點夯4000 kN+一遍滿夯1000 kN，碎石墊層厚度1.5 m；兩遍點夯8000 kN+一遍滿夯2000 kN，碎石墊層厚度1.5 m，如表2所示。

圖1 墊層強夯法處理淺埋不同類型巖溶示意圖

表2 強夯處理試驗參數(shù)表

(2)強夯置換墩法

強夯置換墩法要求墩長穿透需要處理的土層，可用于墊層強夯法不適用時，需處理土層厚度小于15 m的道槽填方區(qū)。墩體直徑取1.1～1.2倍夯錘直徑，材料采用級配良好的塊石、碎石等堅硬粗粒材料，最大粒徑不大于40 cm，含泥量不宜超過7%。墩頂鋪設(shè)一層厚度為60 cm的壓實墊層，并鋪設(shè)防水土工織物和高強土工布，壓實墊層材料與墩體材料相同，粒徑不宜大于10 cm。強夯置換墩法夯點間距為3 m，強夯能級根據(jù)需處理土層的厚度確定，初始夯擊能按940(H-2.1)確定，H為需穿透土層厚度，按15 m 進行計算，得到夯擊能為12000 kN，夯點布置方式、收錘標準以及其它設(shè)計參數(shù)與墊層強夯法中夯基能為4000 kN相同，強夯置換墩法處理深埋隱伏型溶洞示意圖見圖2。

圖2 強夯置換墩法處理深埋隱伏型溶洞示意圖

2.2 地基監(jiān)測方案

當(dāng)夯擊能為4000 kN時，地基處理前后對夯沉量、地面隆起值、干密度、黏聚力、含水量進行測定，確定最佳夯擊參數(shù)和有效加固深度。為比較兩種地基處理技術(shù)的適用性，開展相應(yīng)的地基檢測方案。地基處理前，對土體進行標準貫入試驗，每監(jiān)測區(qū)檢測2點。地基處理完成后，進行相同監(jiān)測試驗，對比分析強夯前后各種監(jiān)測指標的變化規(guī)律。對于強夯置換墩法，采用重型動力觸探試驗，驗證地基處理效果。

3 結(jié)果分析

3.1 夯沉量和地面隆起值

在試驗區(qū)選取一個夯點進行強夯夯沉量和地面隆起觀測，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)繪制夯沉量曲線及地面隆起曲線見圖3、圖4。由圖3分析可知，逐擊夯沉量隨夯擊數(shù)的增加呈減小趨勢，夯擊數(shù)為1～4時逐級夯沉量減小率分別為22.0%、26.7%、14.9%、10.7%，夯擊數(shù)達到6之后逐擊夯沉量繼續(xù)減小，但是變化范圍微小，可以達到最后2擊平均夯沉量小于5 cm的停夯標準。由累計夯沉量曲線分析可知，當(dāng)夯擊數(shù)達到6時，地面累計夯沉量已經(jīng)達到1.52 m，占總累計沉降量的86.9%，土體密實度顯著提高。

圖3 4000 kN強夯夯沉量與夯擊遍數(shù)關(guān)系曲線圖

在距夯點中心2.0 m、3.5 m、5.0 m、6.5 m、8 m進行地面隆起觀測點布置，4000 kN的強夯點夯時，距離夯點3 m范圍以內(nèi)出現(xiàn)了地面隆起的現(xiàn)象，原地面最大隆起位置在夯坑邊緣，最大隆起值為18 cm，距夯點3 m以外變形隆起很小，其隆起均不超過15 mm，當(dāng)夯點間距為4.5 m，夯擊能為4000 kN夯擊參數(shù)下的地面隆起值符合強夯法地基處理的要求。這是由于夯坑周圍地面不應(yīng)發(fā)生過大的隆起，當(dāng)用強夯法進行地基處理時，夯點周圍土體在一定夯擊能的作用下若隆起體積過大，會造成有效夯實系數(shù)的減小，夯擊效率降低，因此夯擊次數(shù)要適當(dāng)減小以提高夯擊效率。

圖4 4000 kN強夯引起地面隆起變形量曲線圖

3.2 土工試驗結(jié)果

分別對試驗區(qū)土層的原狀土樣以及強夯處理后的土樣進行現(xiàn)場采取，采用蠟封法將土樣封好，相關(guān)物理力學(xué)試驗結(jié)果見圖5。由圖5(a)分析可知，土體在經(jīng)過4000 kN強夯處理后，土體干密度相比強夯加固區(qū)外的土體干密度有小幅提高，其中試樣1的干密度增加幅度最大，為0.06 g/cm3，所有試樣干密度平均增加了0.03 g/cm3。據(jù)圖5(b)分析可知，基巖上覆土層在經(jīng)過4000 kN夯處理后，土體黏聚力增加，其中試樣4的黏聚力增加幅度最大，為5.5 kPa，所有試樣黏聚力平均增加了2.6 kPa。由圖5(c)分析可知，土體在經(jīng)過4000 kN夯處理后，土體含水量變化具有相反的趨勢，含水量的減小幅度比較大，其中試樣2的含水量減小幅度最大，為4.8%，所有試樣含水量平均降低了3.3%。

3.3 標準貫入和動力觸探試驗結(jié)果

圖6、圖7為不同夯擊能作用下的墊層強夯法試驗結(jié)果，由圖6可知，標準貫入試驗數(shù)據(jù)表明在墊層強夯后，地基土層強度明顯提高。在4000 kN夯擊能作用下，貫入深度小于8 m時可以有效提高地基土體的承載力，當(dāng)處理深度為2.7 m時標貫值增加33.3%，當(dāng)處理深度為5.0 m時標貫值增加25.0%，當(dāng)處理深度達到7.0 m時標貫值增加23.5%，但是當(dāng)貫入深度大于8 m時，地基承載力表現(xiàn)出下降的趨勢，這是由于地基所處深度已經(jīng)超過了墊層強夯法的有效地基處理深度，但是在該夯擊能作用下不同貫入深度時的錘擊數(shù)均超過14擊，經(jīng)換算得到地基承載力基本容許值均超過340 kPa，滿足機場飛行區(qū)地基承載力基本容許值300 kPa，因此墊層強夯法適用于處理埋深小于8 m的巖溶。

圖5 強夯前后相關(guān)物理力學(xué)性質(zhì)變化圖

圖6 4000 kN墊層強夯處理前后標貫試驗曲線圖

圖7 8000 kN墊層強夯處理后標貫試驗曲線圖

通過圖7以及現(xiàn)場分析，貫入深度5 m范圍內(nèi)平均擊數(shù)呈現(xiàn)上升的趨勢，貫入深度在5～8 m時平均擊數(shù)比較穩(wěn)定，在13～16擊之間，這是由于在該夯擊能作用下土顆粒重新排列，隨地基處理深度的增加，地基強度也呈增長的趨勢。但貫入深度小于4 m時標貫平均擊數(shù)不足10擊，同時在貫入深度為8 m時土顆粒的平均擊數(shù)在該夯擊能作用下突然減小，這是因為相比于4000 kN 夯擊能處理地基，夯點間距增大為5.5 m，夯擊能在水平方向消散過多，導(dǎo)致有效加固深度減小，同時高能級強夯對顆粒結(jié)構(gòu)影響較大，進一步加劇了能量的損耗，進而導(dǎo)致地基承載力顯著降低，經(jīng)換算得到地基承載力僅為216 kPa，8000 kN夯擊能對巖溶上覆土層處理效果不好，不能滿足飛行區(qū)地基承載力基本容許值要求，還增加了工程的處理費用，因此不考慮將該夯擊能應(yīng)用于機場巖溶區(qū)地基處理工程。

圖8為強夯置換墩法強夯前后的標準貫入試驗結(jié)果，強夯置換墩法處理巖溶埋深大于8 m的飛行區(qū)可以顯著提高地基承載力，貫入深度從0～10 m的地基承載力均有所提高，當(dāng)貫入深度為6～8 m時，標貫試驗值N的增加幅度最大為42.9%，可以看到在強夯置換墩法作用下不同貫入深度時的錘擊數(shù)均超過15擊，經(jīng)換算得到地基承載力基本容許值均超過360 kPa，滿足機場飛行區(qū)地基承載力基本容許值300 kPa的要求，適用于處理巖溶埋深較大的飛行區(qū)。

圖8 強夯置換墩法標準貫入試驗曲線圖

區(qū)別于傳統(tǒng)的強夯法，強夯置換墩法采用柱狀砂石混凝土墩，配合強夯法形成密實的墩間土，使砂石墩與周圍墩間土形成復(fù)合地基。同時，強夯置換墩法可以大幅度提高地基承載力和變形模量，是因為強夯置換法利用重錘在一定落距產(chǎn)生的沖擊能將原有地基級配或物理性質(zhì)不良的顆粒排開，置換成級配較好且物理性質(zhì)能夠達到機場地基處理要求的填料，這樣經(jīng)過強夯處治后的地基強度會有效地提高，但是強夯置換墩法處理地基的有效深度由圖6可知為12 m，處理效果最好的深度范圍在10 m左右的巖溶空腔淺伏地段。動力觸探結(jié)果見表3，可以看出置換樁的質(zhì)量符合機場地基承載力的要求。

表3 重型動力觸探試驗結(jié)果表

4 結(jié)論

通過研究不同措施處理各種類型巖溶的適用性，得到以下結(jié)論：

(1)強夯后的土層強度明顯增大，且較深處的土層強度增加幅度較大。

(2)土體在經(jīng)過4000 kN強夯處理后，干密度、黏聚力均有所提高，處理后含水率較天然含水率相比減??；8000 kN夯擊能對地基處理效果不好。

(3)地基處理深度在2.0 m以內(nèi)，直接采用換填處理，挖出土料可用于土面區(qū)封土及綠化用土；處理深度2.0～8.0 m，可采用墊層強夯法處理，點夯兩遍加滿夯一遍，點夯能級可用4000 kN，滿夯能級1000 kN，采用點夯擊數(shù)10～12擊和最后兩擊平均夯沉量小于5 cm雙重控制；處理深度為8.0～10.0 m，采用強夯置換墩法可以有效提高巖溶飛行區(qū)的地基強度。