機場工程地基處理技術方案對比分析

張鵬恒，馬立杰，聶亞偉

（1. 華北理工大學 建筑工程學院，河北 唐山 063210；2. 長安大學 公路學院，陜西 西安 710061）

0 引 言

我國航空技術的迅速發(fā)展，航空民用化越來越成熟，越來越多人選擇航空遠距離出行。針對機場建設遇見的地基不良土質(zhì)（主要指濱海湖沼中天然含水率高、壓縮性高、孔隙率大、抗剪強度低的軟土）按處理的作用機理可分為土的改良、土的置換、土的補強三類，天津濱海機場三期改擴建工程土基處置項目為達到三期工程大面積開挖的土壤充分利用、減少外棄土造成的環(huán)境污染并實現(xiàn)近零排放、解決壓實度不足、降低工程造價的目的，提出了 3種常用地基處理方案：換填山皮石、泡沫輕質(zhì)土、水泥固化土。

1 工程概況

該項目位于天津市東麗區(qū)，年平均氣溫約為14 ℃，1月最冷月平均-2 ℃，年平均降水量在360～970 mm之間。冬季下雪對機場運營影響很大，機場除冰效率高低將直接影響航班的正常。目前的機場除冰主要在機位上定點除冰，為了保證機場于雪天正常運營并減少除冰液對環(huán)境的污染及對站坪的損壞，天津機場擬考慮擴建除冰坪，以滿足冬季除冰作業(yè)需求。

本次擬建場地地處華北平原，屬沖擊、海積低平原，原為低洼坑塘。2014年機場二期擴建時對該區(qū)域進行填土和平整，整體上四周較高，標高介于 3.33～2.15 m，中部地勢略低，標高介于2.09～0.76 m，靜止水位埋深 0.10～1.90 m，相當于標高1.68～1.22 m，南側現(xiàn)有除冰坪站地面高程為 3.0 m。該機場道面應滿足《民用機場巖土工程設計規(guī)范》[1]設計指標要求：密實度不小于96%；道基反應模量k0不小于 40 MN/m3；工后沉降不大于300 mm。

2 工程地質(zhì)

根據(jù)勘察資料和《天津市地基土層序劃分技術規(guī)范》（DB/T 29—191—2009）分析，該場地埋深25 m范圍內(nèi)地基土按成因年代分為6層，自上而下分述：人工填土層（Qml）、全新統(tǒng)上組陸相沖積層（Q43al）、全新統(tǒng)中組海相沉積層（Q42m）、全新統(tǒng)下組沼澤相沉積層（Q41h）、全新統(tǒng)下組陸相沖積層（Q41al）、上更新統(tǒng)第五組陸相沖積層（Q3eal）。本場地存在以下特殊土，全場均有分布的人工填土，厚度1.5～3.5 m，底板標高為1.31～-0.52 m，該層從上而下可分為2個亞層：①1雜填土，厚度一般為1.0～1.5 m，呈雜色，松散狀態(tài)，由磚塊、廢土等組成。本亞層土質(zhì)雜亂，均勻性差，難以利用。①2素填土，厚度一般為 1.0～2.6 m，呈褐色，軟塑狀態(tài)，局部呈可塑、流塑狀態(tài)，無層理，粉質(zhì)黏土、黏土質(zhì)為主，局部夾淤泥質(zhì)土，含植物根屬高壓縮性土，且人工填土填墊年限整體大于 10年，淺部種植土長期受植物活動擾動。現(xiàn)場取土進行室內(nèi)試驗得到三期改擴建處原狀土的基本物理力學指標如表1所示。

表1 原狀土的物理力學指標Table 1 Physical and mechanical indexes of undisturbed soil

在現(xiàn)場對不經(jīng)過任何處治的原狀土經(jīng)傳統(tǒng)工藝碾壓后測試其壓實系數(shù)。根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》[2]的要求，壓實指標監(jiān)測采用灌砂法，壓實度采用重型擊實儀監(jiān)測，測得原狀土的天然含水率為21.5%，最優(yōu)含水率為18%，最大干密度為1.688 g/cm3，壓實系數(shù)91%。地基承載力欠佳，在荷載作用下變形較大，無法測出道基反應模量，若不經(jīng)過任何處治，滿足不了設計要求，不能直接用于機場土基施工，現(xiàn)場狀況如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場碾壓狀況Fig. 1 In-situ rolling

3 地基處理方案

機場土基工程中，很多原地面土的壓實系數(shù)達不到 95%～98%[3]，為此經(jīng)常采取大厚度換填山皮石的方案，該方案需要遠距離運輸大量山皮石，會產(chǎn)生大量的挖方廢土，還增加了工程造價。通過在原地面頂部換填一定厚度的山皮石和泡沫輕質(zhì)土，從整體地基承載力的角度分析結構體承載力是否滿足設計要求，水泥固化土方案可解決開挖出來的淤泥質(zhì)廢土改良再利用的技術難題。

3.1 換填山皮石

原狀土經(jīng)傳統(tǒng)工藝碾壓后，挖掘機依次挖除頂面30、50、70、90 cm的原狀土，然后依次換填山皮石，碾壓后測壓實系數(shù)和道基反應模量。使其在換填一定厚度山皮石后，原狀土和山皮石組成的結構體承載力滿足設計要求。從整體地基承載力角度出發(fā)，滿足了承載力要求，同時又驗證了一次性填料壓實的施工可行性。

施工程序：施工準備→測量定位→不良地質(zhì)材料挖除→換填山皮石及壓實→換填后表面處理。

施工工藝：首先測量放樣標出填方范圍，雜填土挖出用自卸汽車運至棄土場。通過烘干法和李氏密度瓶法分別得出山皮石的含水率為 2%、密度為 2.72 g/cm3。山皮石運至攤鋪現(xiàn)場，碾壓前視運輸遠近和天氣狀況適當調(diào)整加水量，保證壓實前達到最優(yōu)含水率。碾壓順序要先低后高、先兩側后中央，大型推土機攤平，個別不平處人工配合找平。用 18 t以上振動壓路機慢速碾壓 6～9遍，兩側多壓 2～3遍，期間鋪撒填隙料后人工或機器掃勻再碾壓，局部填隙料不足處找補，表面平整均勻，無浮石、沙窩及梅花現(xiàn)象。

施工結果：不同厚度分層壓實后用灌水法和承載板法分別測得壓實度和道基反應模量，山皮石固體體積率≥83%，道基反應模量k0≥40 MN/m3，本區(qū)域原狀土在填筑山皮石的情況下，山皮石厚度大于70 cm時可以滿足設計要求。所測壓實度與道基反應模量見表 2。現(xiàn)場施工及試驗檢測見圖2。

圖2 現(xiàn)場碾壓施工和灌水法、承載板法的檢測Fig. 2 In-situ rolling construction and inspection of irrigation method and bearing plate method

表2 不同厚度的山皮石壓實度及道基反應模量Table 2 Compaction degree and road-base reaction modulus of different thicknesses of mountain screes

3.2 泡沫輕質(zhì)土

泡沫輕質(zhì)土作為一種新興材料[4]，因輕質(zhì)高強自流動易自立、施工迅速、綠色無污染在改擴建工程中得到施工單位的青睞[5]。為驗證其適用于機場非道面影響區(qū)，開展了試驗段研究，要求工后的輕質(zhì)泡沫土堅硬，無壓縮性，遇水無軟化，抗水、土腐蝕性穩(wěn)定，在施工 28 d后，應達到抗壓強度1.0、1.5和2.0 MPa。

本次泡沫輕質(zhì)土填筑厚度為1 m，采用下式計算，地下水位埋深較大，故式中h3取0。

式中：h1為泡沫輕質(zhì)土地面以上填筑厚度，m；h2為泡沫輕質(zhì)土地面以下水位以上填筑厚度，m；h3為泡沫輕質(zhì)土地下水位以下填筑厚度，m；TP為路面結構厚度，m；γP為路面結構重度，kN/m3；γf為路基填土重度，kN/m3，一般取 18～19；hf為車輛荷載換算填土荷載的等代厚度，m，一般取0.8；γ0、γ0a為地基土天然重度、飽和重度，kN/m3。

施工程序：施工準備（基槽開挖、清理，側向擋板安裝，設備調(diào)試，材料儲放）→泡沫輕質(zhì)土制備→泵送、澆筑→養(yǎng)護→檢驗和成品保護。

施工工藝：軟管直接泵送。澆筑時應注意：（1）禁止雨天澆筑，溫度15 ℃以上；（2）軟管出口埋入泡沫輕質(zhì)土內(nèi)不小于 20 cm，減少消泡；（3）分層澆筑，高度不宜超過 1 m，在水泥漿初凝時間內(nèi)確保單個澆筑層澆筑完成；（4）澆筑至頂層人工掃平，軟管采用向后直拉進行移動；（5）整個澆筑層終凝后才能進行上層的澆筑施工。澆筑中禁止噴射方式澆筑，未固化的泡沫輕質(zhì)土盡量減少走動，禁止在其表面進行機械或車輛作業(yè)。施工時正處夏季高溫，澆筑體水化熱大，易因內(nèi)外溫差產(chǎn)生裂縫，故每層澆筑完成后須覆蓋塑料薄膜或無紡土工布進行保濕養(yǎng)護，澆筑至設計標高后養(yǎng)護時間不應小于7 d[6]。

施工結果：現(xiàn)場澆筑時取料進行室內(nèi)試驗，28 d抗壓強度滿足試驗設計要求且重度較小，約為普通填土的三分之一，在滿足強度的前提下，能夠有效減少路基的附加應力，進而有效控制路基沉降[7]。硬化后進行水泥穩(wěn)定碎石基層施工，整體效果良好。現(xiàn)場施工配合比及結果見表 3，圖 3是現(xiàn)場泡沫輕質(zhì)土的制備、澆筑圖片。

表3 現(xiàn)場抗壓強度結果Table 3 Results of on-site compression strength

圖3 泡沫輕質(zhì)土制備及澆筑Fig. 3 Preparation and pouring of foamed light soil

3.3 水泥固化土

在淤泥質(zhì)土中配置一定比例的固化劑、石灰、水泥可改變其工程力學性質(zhì)及強度[8]。施工前經(jīng)室內(nèi)試驗，按干土∶水泥∶石灰=1∶4%∶8%進行混合摻拌，固化劑的使用量為500 mL/m3進行室內(nèi)試驗，測量最大干密度為1.72 g/cm3和最優(yōu)含水量為17%，7 d無側限抗壓強度可達到2.92 MPa，具體數(shù)據(jù)見表 4。通過室內(nèi)擊實試驗測得含有水泥的擊實曲線見圖4，固化土最優(yōu)含水率為17%，最大干密度為1.72 g/cm3。

表4 水泥固化土無側限抗壓強度Table 4 Unconfined compression strength of cement stabilized soil

圖4 室內(nèi)擊實儀法結果Fig. 4 Results of laboratory compactor method

施工順序：原材料準備→基底準備→固化土制備、碾壓→檢測→養(yǎng)護。

施工工藝：在10 m×10 m×1 m基坑內(nèi)進行基底處理，清理雜物并碾壓密實，分 3次虛鋪，松鋪厚度40 cm，第一層鋪筑須表面刮平后再攤鋪。為避免固化土成橡皮土，嚴格控制施工含水率與最佳含水率在-4%～+2%范圍內(nèi)，現(xiàn)場填方土按室內(nèi)試驗配合比進行機械混拌，用挖掘機將拌合晾曬好的固化土倒入事先準備好的自卸車。為保證碾壓效率可用推土機推平，低速預壓 4～5遍，振動壓路機進行填方壓實應遵循緊跟、慢壓、高頻、低幅的原則，從路外側向中心碾壓，碾輪距填方邊緣不小于 500 mm，防止滑坡，邊角處應人工或小型夯實機具夯實。每層填土壓實后，用承載板法測道基反應模量和環(huán)刀法測壓實度。水泥固化土壓實成型后用塑料布防雨并養(yǎng)生不少于 14 d，養(yǎng)生期封閉交通。

施工結果：水泥固化土換填的結果已滿足此次設計要求，道基反應模量 60.89 MN/m3＞40 MN/m3，壓實度均大于 96%，摻入一定量水泥的固化土可顯著提高原狀土的力學性質(zhì)，增強土的穩(wěn)定性[9]。但是由于現(xiàn)場施工條件限制，沒有碎土機械對固化土充分均勻拌合，只能用挖掘機攪拌，由于接連下雨，含水率遠大于最優(yōu)含水率的情況下使水泥與固化劑作用明顯抑制，導致強度大大降低，以至于現(xiàn)場的固化土7 d無側限抗壓強度無法采集。具體數(shù)據(jù)見表5，表中最后1行是水泥固化土經(jīng) 28 d養(yǎng)護后測得的結果，前 4行是換填后立即檢測的結果。

表5 水泥固化土不同換填深度下的檢測結果Table 5 Test results of cement-solidified soil at different replacement depths

4 地基處理方案技術經(jīng)濟對比分析

3種地基處理方案技術經(jīng)濟比較見表 6，從 3種地基處理方案試驗段完成情況和檢測結果來說，從開始的地基承載力無法滿足到可用于飛行區(qū)機場道面影響區(qū)填筑，可謂試驗成功。

表6 地基處理方案技術對比分析Table 6 Technical comparative analysis of foundation treatment schemes

3種方案的工程造價：水泥固化土＞泡沫輕質(zhì)土＞換填山皮石；施工難易程度：水泥固化土＞換填山皮石＞泡沫輕質(zhì)土；受外界影響：水泥固化土＞泡沫輕質(zhì)土＞換填山皮石；現(xiàn)場效果：泡沫輕質(zhì)土＞換填山皮石＞水泥固化土。

盡管換填山皮石造價最低，但是整個三期擴建工程挖出土方約 600余萬噸，選用此方案將需要 960萬噸的山皮石，龐大數(shù)量增加運輸成本，所以適用于小體積澆筑。水泥固化土造價最高，對環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。而對于新工藝、新材料、新技術的泡沫輕質(zhì)土，高流動性可方便現(xiàn)場澆筑，特別適合大體積現(xiàn)場澆筑的工程[10]。

5 結 論

結合施工現(xiàn)場試驗段對3種地基處理方案的工后質(zhì)量、工期、環(huán)保等方面進行比較，綜合考慮得出現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土為最優(yōu)方案，取得較好的地基處理效果。泡沫輕質(zhì)土作為機場回填材料施工，受天氣影響較小，沒有振搗碾壓步驟，施工速度快；固化后可自立，重度可控制在填土重度的三分之一，進而減輕路基重量，減少差異性沉降。