云南某機場地基處理工后沉降分析

魏海濤 孫蘭寧 蔡 智 宋 斌

（1.中航勘察設計研究院有限公司，北京 100098；2.中國民航工程咨詢有限公司，北京 100621）

0 引言

為完善我國機場布局體系，根據《中國民用航空發(fā)展第十三個五年規(guī)劃》，西南地區(qū)將繼續(xù)增加機場數量以形成機場群。由于該地區(qū)處云貴高原及青藏高原邊緣，場地多為削山填谷而成，機場場地地質條件復雜，常分布有軟弱土，且機場建設周期較短。綜合已建的機場工程實例如表1所示[1?6]。

由表1 可知，西南地區(qū)機場建設過程中地基處理關鍵在于原場地軟弱土及填筑體（包括土面區(qū)、道槽區(qū)及邊坡區(qū)）的加固處理，其中填筑體的穩(wěn)定是立足于原地基穩(wěn)定的基礎之上的，機場場區(qū)高塹深谷，各類基巖強風化層、沖洪積層在地下水長期浸泡下多成為軟弱地層，若不經處理，必將造成過大的地基沉降及不均勻沉降，嚴重者將危害高填方地基的整體穩(wěn)定性[7]。

表1 西南地區(qū)已建機場工程實例[1-6]

大量西南地區(qū)機場工程實踐表明，原地基軟弱土常用強夯、換填進行處理。當地層含水量大時，常采用碎石樁作為排水固結通道，同時發(fā)揮復合地基功能。為節(jié)省造價，挖填平衡，填筑體多就地取材，采用碎石土、黏土等作為填筑材料，主要采用強夯、碾壓進行處理，并依據現場試驗確定施工參數。針對上述工程關鍵問題，結合云南某機場工程實踐，對泥炭質黏土軟弱地基及填筑體的方案設計作具體闡述，并分析工后沉降監(jiān)測數據，指導進行機場后續(xù)工序，為類似工程提供一定的借鑒。

1 工程及地質概況

機場跑道長1800 m，寬30 m，道肩寬1.5 m，飛行區(qū)技術等級為2B，跑道區(qū)最大填筑厚度約13 m。機場場區(qū)平面如圖1、圖2所示。

圖1 機場場區(qū)全貌圖

圖2 軟基區(qū)域分布圖

1.1 地形地貌

場區(qū)整體屬河流侵蝕堆積地貌階地地形，現狀地表主要為耕作區(qū)、道路區(qū)、居住區(qū)、生產養(yǎng)殖、種植區(qū)等，在中部有河流橫穿，地形地貌受人類工程活動破壞強烈，地形全貌如圖1所示。

1.2 地質概況

場區(qū)主要土層情況如下：

（1）第四系全新統(tǒng)地表土，據成因可分為①1耕土、①2素填土、①3淤泥土。

（2）第四系全新統(tǒng)沖洪積層，為近期河流作用堆積產物，在場地內廣泛分布。②卵石、③卵石，整體力學性能好，②1礫砂、②2粉砂、②5泥炭質黏土零星分布。

（3）第四系上更新統(tǒng)沖洪積層，河流作用堆積形成，分布于第四系全新統(tǒng)沖洪積層之下。巖性以④圓礫、④1礫砂等砂礫石為主、夾雜粉土、黏性土、泥炭質黏土等。

部分地層物理力學參數如表2所示。

表2 部分巖土層物理力學參數表

1.3 軟弱土層

軟基區(qū)位于飛行區(qū)南段，從地表到地下20 m 范圍內斷續(xù)分布，分布的軟弱土類型除了表層分布填土及①3淤泥外，主要軟土層為②5、④4、⑤4泥炭質黏土，其中④4、⑤4泥炭質黏土零星以透鏡體賦存在④、⑤圓礫層中，泥炭質黏土②5多以透鏡體形式分布，集中分布在跑道南側。軟基平面分布形態(tài)不規(guī)則，最長約290 m，最寬約180 m，場區(qū)圍界內分布面積約29000 m2，如圖2、圖3所示。該區(qū)域泥炭質黏土②5加固處理是原地基處理的重點。

圖3 軟基區(qū)域原始地貌圖

2 地基處理及填筑體方案

本工程地基處理重點為道面區(qū)原地面軟基區(qū)域和填筑體處理，地基處理目的是解決地基的不均勻問題，滿足機場對地基的承載力及沉降要求。

2.1 原地面軟基處理方案比選及現場試驗

（1）方案比選

泥炭質黏土是一種高含水量、高有機質含量、大孔隙的高壓縮性軟土，在以往機場建設過程中經驗積累不多。建筑和鐵路領域[8?10]泥炭質黏土地基處理以排水固結法、置換法（水泥土攪拌、碎石樁、旋噴樁等）、換填墊層法應用比較廣泛。

阮永芬等[8]通過對昆明地區(qū)建筑工程事故分析，認為采用深層攪拌法和振沖法一般都不適用泥炭類土處理。根據表2，分布較厚的②5層泥炭質黏土為極弱透水層，且該區(qū)域與穿過場地的水系相通，不適宜采用單純的排水固結法。綜合以上并結合當地經驗，工程前期擬采用柱錘夯擴三合土樁、強夯置換復合地基方案。

（2）現場試驗

由于泥炭土含水量較高，采用套管柱錘沖擴設備，夯錘直徑370 mm，質量4 t，在試驗過程中，柱錘套管成孔至8 m 以下粘錘無法進尺，拔管時填料和周邊土體會明顯上浮，柱錘三合土樁試樁失敗。同時現場也進行了強夯置換小區(qū)試驗，有效置換墩長度3.0～5.0 m，無法完全置換軟弱土層（道面區(qū)以下②5層泥炭質黏土最大埋深接近11 m）。

綜合以上分析及試驗情況，結合文獻[9]對泥炭土固結強度和壓縮變形的研究，在施工期采用置換及動力固結，施工期完成80%以上固結沉降。本工程飛行道面影響區(qū)軟基區(qū)域擬采用“換填墊層+強夯置換”進行處理。

2.2 原地基處理方案

土面區(qū)原地基清表后采用表面壓實處理，道面影響區(qū)及邊坡影響區(qū)一般素填土范圍采用清淤、排水后強夯處理。

場地原有河流改道、清淤、回填夯實處理，防止地下水沿原有水系造成沖刷、水土流失等破壞，原河道中部設置排水盲溝，以保證土基穩(wěn)定。

根據②5泥炭土分布，跑道主要壓縮層4 m 深度范圍內采用換填山皮石碾壓或強夯處理；邊界按臺階開挖，臺階高寬比不大于1∶2。4 m 深度以上區(qū)域，考慮主要壓縮層厚度及沼氣的影響，開挖4 m 鋪設塊礫石后進行強夯置換處理（見圖4、圖5）。

圖4 泥炭質黏土區(qū)域地基處理剖面圖

圖5 深厚泥炭質黏土區(qū)域地基處理剖面圖

2.3 填筑體處理

工程回填土料來源主要為從料場外運的土石方，填筑材料主要為灰?guī)r、砂巖、粉質黏土等。根據前述已有實例，采用強夯或碾壓均能滿足處理后填筑地基強度及沉降要求。填筑壓實的工藝主要有壓實和夯實兩種，各分區(qū)處理如表3所示。

表3 機場填筑體分區(qū)處理表

泥炭質黏土區(qū)域上部填筑體高度約2~5 m，采用一次回填強夯+預留1.0 m 分層碾壓處理。強夯采用“兩遍點夯，一遍滿夯”形式（見圖6）。點夯能級3000 kN·m，滿夯能量1000 kN·m。單點夯擊數6～8 擊。面層滿夯錘印搭接不小于1/4，單點夯擊數不小于2 擊。

圖6 強夯大樣圖(單位：m)

3 工后沉降分析

土基完成后，對道面原地基及土基頂面均按照《民用機場勘測規(guī)范》（MH/T 5025?2011）要求設置了監(jiān)測點，軟土區(qū)部分沉降監(jiān)測點布置見圖7。

圖7 軟土區(qū)域部分沉降監(jiān)測點布置

通過沉降監(jiān)測，研究其壓縮變形，為填方地基沉降判斷提供依據。根據監(jiān)測結果預測填筑體沉降變形規(guī)律，指導后續(xù)施工。

工程中常用的沉降預測方法按照預測原理可分為參數反演、系統(tǒng)分析和曲線擬合3 類。參數反演、系統(tǒng)分析類方法在進行沉降預測時數據樣本要求高，預測模型、函數選擇困難，而且計算過程復雜，所以工程實際應用上有一定難度。曲線擬合預測方法是將已經取得的實測沉降數據擬合，建立與之相適應的曲線模型，并用合適的計算方法推出模型中所需的參數，然后進行后期的工后沉降預測。這類方法計算簡單、參數易確定，在工程實際中得到廣泛應用，其中具有代表性的有指數曲線法、雙曲線法[11]和高填方地基蠕變實用算法[12]。

根據對本工程已有大部分監(jiān)測數據趨近于穩(wěn)定的特點，選擇雙曲線法進行工后沉降的預測。雙曲線法認為工后沉降量與時間的關系是按照雙曲線規(guī)律變化，即

式中：s0為初始時間t0時刻的沉降值，mm；st為t時刻的預測沉降值，mm；α、β為待定參數。

3.1 深厚泥炭質黏土軟基區(qū)域

對軟基區(qū)域沉降監(jiān)測數據采用雙曲線函數擬合的方法對工后沉降進行預測。以R1、R2、R3 點為例，分別位于軟基區(qū)域邊緣及中部，沉降預測擬合曲線及預測結果如圖8所示。

圖8 軟基實測、預測沉降時程曲線圖

（1）R1 點雙曲線擬合公式為：

式中：s為累計沉降量，mm；t為監(jiān)測時間，d。

R1 現有實測沉降量為65.8 mm，預測總沉降量為170.5 mm，現有實測沉降量占比38.6%，剩余工后沉降預測為104.7 mm。該監(jiān)測點區(qū)域工后總沉降滿足要求，但未達到沉降穩(wěn)定狀態(tài)，分析可能原因如下：①部分置換墩未完全穿透泥炭質黏土，形成一定厚度軟弱下臥層；②該區(qū)域原地面以上填筑體厚度小，墊層以上上覆荷載小，從而導致施工期固結沉降偏小。因此建議該區(qū)域采用堆載預壓使其加速固結。

（2）R2、R3 點現有實測沉降量為13.0 mm、18.2 mm，預測總沉降量為15.8 mm、25.6 mm，現有實測沉降量占比82.3%、71.1%，剩余工后沉降預測為2.8 mm、7.4 mm。該監(jiān)測點范圍區(qū)域內已達到沉降穩(wěn)定狀態(tài)，可進行后續(xù)工序。

3.2 一般深度泥炭質黏土軟基區(qū)域

一般深度泥炭質土軟基區(qū)填筑體頂面沉降監(jiān)測曲線如圖9?圖12所示，監(jiān)測區(qū)域內監(jiān)測點T1?T8 累計沉降量為4.8~46.1 mm，最后一期沉降速率為0.01~0.10 mm/d。區(qū)域內沉降特征具有一定的不均勻性，靠近填筑區(qū)域中部的T7、T8 監(jiān)測點累計沉降相對較大，監(jiān)測點沉降均趨于收斂。

圖9 T1—T4 填筑體累計沉降量曲線圖

圖12 T5—T8 填筑體沉降速率曲線圖

通過監(jiān)測分析，所有測點均能滿足設計使用年限內的工后沉降不應超過30 cm 的要求，深厚泥炭質黏土軟基區(qū)域局部差異沉降不滿足1.5‰的要求，其他區(qū)域滿足設計要求。

圖10 T5—T8 填筑體沉降量曲線圖

4 結論

（1）綜合西南地區(qū)已建成機場實例，針對其地形、地質條件復雜、軟弱土分布、高填方等工程難點，總結地基處理方案，強夯、換填、碾壓、碎石樁等由于其經濟適用而常被采用。

（2）根據軟基區(qū)域監(jiān)測數據分析剩余工后沉降規(guī)律，采用雙曲線擬合能夠較好地分析其趨勢。監(jiān)測點累計沉降判斷已達穩(wěn)定狀態(tài)區(qū)域可指導進行后續(xù)工序；未達穩(wěn)定狀態(tài)的小區(qū)域，建議采用堆載預壓加速固結。

（3）在設計使用年限內，所有測點累計（預測）工后沉降均能滿足設計使用年限內不應超過30 cm 的要求，同時驗證了“換填+強夯置換”處理泥炭質黏土地基方案的可行性，為后續(xù)類似工程提供一定的借鑒。