畢節機場紅粘土地基的工程特性研究

劉 敏,劉 宏,高奮飛

(1.貴州大學 資源與環境工程學院,貴州 貴陽 550003;2.貴州大學喀斯特環境與地質災害防治實驗室,貴州 貴陽 550003)

貴州地處東亞喀斯特區中心地帶,氣候濕熱,碳酸性巖鹽廣泛分布,巖溶作用強烈,各種喀斯特地貌廣泛分布[1]。貴州紅粘土是碳酸鹽巖石經風化殘積或坡積形成的粘土,其顏色有紅、褐和黃色,具有高孔隙性、高含水率而力學性質相對較好,以及脹縮性、裂隙性、空間分布上的極不均勻等特性[2]。

畢節機場位于貴州畢節的東偏南方向大方縣響水鄉飛雄村。機場飛行區等級4C,跑道長2600 m,寬45 m,兩側道肩各1.5 m,總寬48 m。機場場址及附近屬巖溶地貌,按地貌成因分類屬“構造侵蝕類型”,從區域上講為古老“夷平面”,場址范圍為低緩的低山丘陵地貌。場區巖溶發育,洼地、漏斗、落水洞、地下溶洞、土洞和紅粘土廣泛分布。本文主要闡述畢節機場紅粘土地基工程特性。

1 紅粘土空間分布特征

場區的紅粘土有褐黃色和深褐色兩種,其狀態主要為軟塑態、可塑態和硬塑態三種。各紅粘土層的基本特征如表1所示。從表1可看出,紅粘土的層厚變化范圍大,場區內可塑粉質粘土最大層厚為24.1 m,平均層厚為4.25m,變異系數為0.969,表明紅粘土的層厚變化幅度大,紅粘土在厚度方向上的分布極不均勻。在平面分布上,受下伏基巖起伏程度及溶溝、溶槽、石芽的影響,紅粘土的分布也極不均勻。場區內相距2.2 m的兩鉆孔所揭露的紅粘土厚度變化幅度為16.4 m。

表1 畢節機場紅粘土基本特征

2 紅粘土物理力學特征

2.1 基本物理力學特征

場區紅粘土的基本物理力學指標[3]如表2所示。粘土:主要呈軟塑、可塑、硬塑,天然含水率大,變化幅度較大,孔隙比大,壓縮系數高,屬于中高壓縮性土層,抗剪強度較低。粉質粘土:主要呈可塑、硬塑狀,天然含水率較大,孔隙比大,壓縮系數高,屬于中高壓縮性土層,抗剪強度較低。

表2 紅粘土基本物理力學指標

2.2 承載特性

場區紅粘土地基的承載特性如表3所示,對于硬塑紅粘土地基承載力標準值為200 kPa～210 kPa,地基承載力相對較高。

表3 紅粘土地基承載特性

2.3 擊實特性

場區紅粘土的擊實特性如表4所示。粘土的最佳含水率為23%～24%,最大干密度為1.56 g/cm3～1.58 g/cm3。粉質粘土的最佳含水率為19%～21%,最大干密度為1.67 g/cm3～1.70 g/cm3。

表4 紅粘土擊實特性

2.4 膨脹性

粘土的自由膨脹率為20%～22%,粉質粘土的自由率為18%～21%,不屬于膨脹土。

3 紅粘土地基的主要工程問題

3.1 地基和邊坡穩定問題

場區地處巖溶較發育區,地形起伏高差大,最大填方邊坡高度為32 m。填方體底部為厚6 m～8 m的紅粘土地基,紅粘土自上而下呈硬塑、可塑和軟塑狀,由于可塑和軟塑狀紅粘土地基承載力低,抗剪強度差,高填方邊坡可能因紅粘土地基失穩破壞而產生滑動變形破壞。此外,紅粘土地基中還發育有大小不一的土洞,土洞的失穩破壞也可能對上部填方邊坡的穩定性造成較大影響。因此,場區紅粘土地基的失效和由此產生的邊坡穩定問題是最主要的工程地質問題之一[4]。

3.2 沉降及差異沉降問題

場區基巖起伏大,紅粘土厚度變化大,紅粘土的最大厚度超過8 m,加之不同深度處的紅粘土的稠度狀態有硬塑、可塑和軟塑多種,其壓縮模量差別大,在上部填土和機場道面附加荷載作用下,可產生較大的差異沉降和不均勻沉降。此外,紅粘土地基中的土洞失穩后會產生較大的不均勻沉降。不均勻沉降問題是場區的另一主要工程地質問題。

4 紅粘土地基的處理措施

目前,紅粘土地基的處理方法主要有碾壓、強夯、碎石樁、注漿、換填以及其他復合地基等[5]。針對畢節機場場區紅粘土分布面積大,厚度變化大,地基土含水率高,土洞較發育等特點,采用振動碾壓和填石強夯兩種方法處理。

4.1 振動碾壓

分布于緩坡上厚度較小、含水率相對較低的紅粘土地基采用振動碾壓處理。振動碾壓機械自重不小于180 kN,激振動力不小于320 kN,行走速度不大于2 km/h。試驗結果(見表5)表明,在天氣情況較好,地基土含水率相對較小情況下進行振動碾壓后,地基土可得到有效加固,地基土的壓實度可達93%以上。

表5 原地面碾壓前后檢測結果對比

4.2 填石強夯

分布于低洼地帶厚度較大、含水率相對較高的紅粘土地基采用填石強夯處理。點夯單擊夯擊能不小于2000 kN/m,墊層厚度不小于1m,夯點間距4.0 m～4.5 m,夯擊次數為10～14擊,兩遍點夯一遍滿夯。試驗結果表明,經填石強夯后的地基土的密實程度明顯提高,重型和超重型動力觸探擊數提高1.5～2.5倍,壓縮系數大幅度下降,地基土的有效加固深度為4.0m～4.5 m。填石強夯不僅對紅粘土地基有明顯加固作用,還可消除地基土中穩定性較差的土洞。同時,填石強夯具施工速度快,受地基土中含水率影響程度較小,地基加固效果好,加固深度大等特點。

5 結 語

通過對畢節機場場區工程地質條件分析和紅粘土地基的試驗研究,取得如下認識。

(1)畢節機場地處貴州巖溶較發育區,場區內紅粘土分布較廣,層厚變化大,紅粘土地基的物理力學性質較差,對機場填方邊坡穩定性和機場跑道的沉降與不均勻沉降影響大。

(2)分布于緩坡上厚度較小、含水率相對較低的紅粘土地基可采用振動碾壓處理;分布于低洼地帶厚度較大、含水率相對較高的紅粘土地基可采用填石強夯處理。填石強夯不僅對紅粘土地基有明顯加固作用,還可消除地基土中穩定性較差的土洞。同時,填石強夯具施工速度快,受地基土中含水率影響程度較小,地基加固效果好,加固深度大等特點。

[1]劉 恒.貴州六盤水紅粘土的工程特性[J].地球與環境,2006,34(2):67-70.

[3]交通部公路科學研究院.JTG E40-2007.公路土工試驗規程[S].北京:人民交通出版社,2007.

[4]《工程地質手冊》編委會.工程地質手冊(第三版)[M].北京:中國建筑工業出版社,1992.

[5]《地基處理手冊》編委會.地基處理[M].北京:中國建筑工業出版社,1988.