換填墊層法在機場濕陷性軟土地基處理中的應用

張炳福

摘要：黃土地區機場建設工程存在濕陷性軟土地基問題，本文以太原機場機坪擴容工程為例，采用“換填墊層配合沖擊碾壓”的方法處理場區軟土地基，通過分析地基承載力、固體體積率、反應模量等數據來控制地基處理的相關施工參數。評估結果表明，采用換填墊層法可以有效治理軟土地基的濕陷性。

關鍵詞：濕陷性軟土;換填墊層法;固體體積率;反應模量;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

太原國際機場地處山西中部，是國內大型的“千萬級”機場，同時也是首都的主備降機場，自2008年二期改擴建以來，航班量以每年10%攀升，現有機坪已無法滿足運行需要，新建機坪迫在眉睫。在機坪擴容項目前期現場實地勘察和室內土樣試驗結果表明，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層為粉質黏土，呈粉土和粉質粘土互層的狀態，壓縮性和干強度都屬于中等;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，但干強度較低;第④層則為粉質粘土，土樣飽和度高，有良好的可塑性。

勘察結果顯示，場地內地基整體可判定為濕陷性黃土地基，地基土力學性能基本穩定，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，使得施工區域的地下水位在近年來迅速上升，實地勘測地下水埋深在自然地面以下1.5～3.5m之間，使得場地內天然軟土地基濕陷性進一步惡化，處理不當，極易導致機場地基沉陷，嚴重影響機場使用安全。

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，國內機場常用的地基處理方法有攪拌樁法、碎石擠密樁法、真空預壓法、塑料排水板堆載預壓法及強夯法等。珠海通用機場航站區采用“攪拌樁聯合排水板”的方法處理施工區域軟土地基[1];上海浦東國際機場新建跑道工程采用“真空預壓法處理淺層地基、塑料排水板堆載預壓法處理深層地基”的綜合治理辦法，明顯治理了道面的裂縫、錯臺等問題[2]。處理后通過對地下水位上升前后土基的物理力學指標進行研究，研究了地下水位上升對軟土地基承載力的影響[3]。

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

換填墊層法中換填厚度通過現場試驗來確定，在地基處理方案實施前，設置三個試驗區，其中試驗一區為水穩底下挖1.0m，面積為700m2;試驗二區為水穩底下挖1.2m，面積為570m2;試驗三區為水穩底下挖1.5m，面積為570m2。在各試驗小區下挖到設計標高后將級配合理的片石按照各個試驗區的換填厚度分層填筑并壓實，之后利用沖擊壓路機將三個試驗區換填后的地基沖擊碾壓20～25遍。

現場碾壓完成后，對試驗區內地基分別采用灌水法、平板載荷實驗、靜載試驗等方法來測定各試驗區地基土的固體體積率、基層頂面反應模量、地基承載力，每個試驗區設置1個固體體積率測點、3個土基反應模量測點和2個地基承載力測點。

測得土基反應模量k0后，根據民航機場規范中基層頂面反應模量經驗曲線，利用土基反應模量k0和基層當量厚度值hje，反演得到基層頂面反應模量kj值，其中基層當量厚度hje可以用下式計算：

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定碎石層厚度，片石層厚度由當前試驗區換填厚度決定;

？啄i—各基層材料對應的當量系數，查《民用機場水泥混凝土道面設計規范》（MH/T5004-2010）可得水泥混凝土當量系數取1.9，水泥穩定碎石當量系數取1.4，片石的當量系數取0.7。

最終將各試驗區灌水法、平板載荷實驗、靜載實驗的實驗數據收集起來，分析后，最終的目標數據結果如表1所示。

根據《民用機場水泥混凝土道面設計規范》（MH/T5004-2010）的相關要求，二類E級飛行區的基層頂面反應模量應大于等于80MN/m3，結果顯示三種換填厚度下基層頂面反應模量均符合規范要求;但通過固體體積率試驗數據分析，發現換填厚度為1.0m的試驗區固體體積率為79.2%，不符合設計中固體體積率應大于83%的要求，而換填厚度為1.2m、1.5m的試驗區則符合設計要求。但考慮到現場施工進度和費用，換填厚度越小工期越短費用越低，因此確定換填厚度為1.2m的施工方案。

3? 處治效果評估

為準確評估地基處理的處治效果，在地基處理完成后對三個試驗區進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束后，在每個試驗區各設置有2個沉降觀測點，按照每個測點每天一次的頻次進行沉降觀測，整個過程一共持續8天。

觀測期結束后，匯總各個測點的觀測數據，得出沉降觀測結果，如表2所示。

從表2沉降數據，可以看出：

①三個試驗區經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定，并在第7天左右達到最大值;②地基沉降量在2～4mm之間，其中試驗一區的平均沉降值為4mm，試驗二區為3.5mm、試驗三區為2.5mm，結合各試驗區的換填厚度，可以看出，換填厚度與工后自然沉降值基本成反比關系;③各試驗區的最終自然沉降值均小于機坪擴容項目的設計要求及民航規范值，即低于5mm，符合機場建設要求。

通過分析高程與時間變化趨勢，可以看出：

①三個試驗區經過地基處理后的起始觀測高程與換填深度成正比關系，可見換填厚度越深，土質淤泥化越嚴重，沖擊碾壓產生的沉降越大;

②試驗二區、三區的觀測點在第6天即達到最大沉降值，而試驗一區的觀測點在第7天才達到最大沉降值，可見試驗一區消除濕陷性的處理效果略微弱于試驗二區和三區。

根據新建機坪建成以后道面狀況發現：本工程自2019年11月通過行業驗收以來，已平穩運行7個月，機坪的航空器日滑入、推出架次達到20架次，冬季經歷過1次大型降雪，2次中型降雪，自進入雨季以來，強度超過中等的降雨超過10次，道面狀況保持良好，換填墊層處理擴建機坪軟土濕陷性效果良好。

4? 結論

目前，太原機場機坪擴容項目已順利完成，機坪也投入運行了一段時間，綜合看來，道面結構的整體性較好，抗壓強度和耐久性表現均十分優異。故結合工程項目實踐，得出以下結論：

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定性，沖擊碾壓法可以加快地基的固結沉降，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區的固體體積率、基層頂面反應模量、地基承載力，對比分析民航設計規范和項目設計要求，從而達到定量控制施工參數的目的;

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

參考文獻：

[1]劉希成，劉純.攪拌樁聯合排水板復合地基在機場軟基處理中的應用[J].國防交通與技術，2019，17（01）：61-65.

[2]張海洋.上海浦東國際機場軟土地基處理技術[J].市政技術，2018，3（36）：187-190.

[3]丘宏.地下水位對某場地地基土承載力的影響[J].華東地質學院學報，2002，25（3）：240-243.