機場基巖上覆土層地基處治研究

彭超

(湖南省地質礦產勘查開發局， 湖南 長沙 410004)

《全國民用機場布局規劃》實施以來，為打造全方位綜合交通，各地民用機場新建、改擴建項目逐漸增多。受選址限制，較多機場項目存在超高填方、土石方工程量大及其他復雜地質條件等問題。相較于高等級公路建設項目，機場道面結構多采用水泥砼路面，這種剛性結構對地基承載性能有特殊要求，尤其是地基不能發生沉降或不均勻沉降。強夯法作為處治高填方地基的主要方法，在地基加固及沉降控制方面具有重要作用，已成為應用最廣、最具經濟性的地基處治方式之一。該文針對某機場基巖上覆土層處治工程，對墊層強夯法、強夯置換墩法處治工藝進行研究。

1 工程概況

依托工程為某地級市民用機場，場址原始地貌為構造剝蝕丘陵，場地植被豐富，地形起伏較大。最高點位于擬建場址中部，海拔為359.40 m，最低點位于場址西側，海拔為220.00 m，相對高差達140 m。工程總規劃建設用地面積58.7萬 m2，土石方量約500萬m3。

該項目位于山谷、巖溶洼地、沖溝、巖溶漏斗處，基巖上覆土層還包括2層粉質黏土，其具高壓縮性，且場區最大填方高度達80 m，原地基、填筑體存在較大工后沉降和差異沉降隱患，需對機場道槽區基巖上覆土層地基進行處治。

2 試驗段選取及初步分析

該項目地質條件復雜，存在諸多巖土工程技術問題，若對基巖上覆土層處治不當，將導致嚴重的地基沉降與不均勻沉降，甚至影響高填方邊坡的安全穩定。為確定合理的地基處治施工工藝、施工參數及質量控制標準，在大面積施工之前，先選取合適試驗段進行軟弱黏土(主要為基巖上覆土層、巖溶填充物)處治(換填、強夯、復合地基或注漿)，通過對處治效果的監測，分析各施工工藝對軟弱粉質黏土處治的適用性，確定可靠的土石方填筑和地基處治施工參數，并按該施工參數進行局部區域施工。對施工完成區域原地基、填筑體、邊坡進行變形監測，檢驗施工參數、施工工藝及設計控制指標的有效性，為大面積施工提供可靠的技術支撐。

針對該項目的特點，選取填方區域(需具有一定填方工程量)作為試驗段，該區域原地勢高差較大，需進行強夯、碾壓、筋材破損等試驗，具有較好的代表性。

進行處治之前，對基巖上覆土層土體進行物理力學性能分析，結果顯示：

(1) 試驗區淺層殘坡積土最大干密度為1.48～1.70 g/cm3，最佳含水率為14.5%～28.7%。

(2) 挖方區發育殘坡積土最大干密度為1.66～1.93 g/cm3，最佳含水率為10.2%～19.6%。

(3) 挖方區殘坡積土與強風化炭質頁巖、砂礫狀土體組成的混合料的最大干密度為2.04～2.11 g/cm3，最佳含水率為5.9%～7.2%。場區表層土料的天然含水量大于最佳含水率，大面積施工時可以根據填料的功能分區，盡量用作邊坡和土面區的綠化用土。

(4) 天然狀態下殘坡積土的抗剪強度為50.4～72.5 kPa，內摩擦角為8.14°～16.94°。填筑石料的抗剪強度為364.9 kPa，內摩擦角為31.7°，抗剪強度指標較高。

3 上覆土層地基處治

3.1 處治方法選取

根據勘探報告，道槽填方區、填方邊坡穩定影響區覆土層厚度為10～20 m。對于道槽區淺覆土層的處治，一般根據沉降計算確定處治深度，根據工程經驗，采用換填法或墊層強夯法使原地基形成一定厚度硬殼層，即可滿足沉降要求。而對于高填方邊坡穩定影響區，由于亞層土體抗剪強度低、埋深厚，根據邊坡穩定性計算結果，當高填方邊坡存在深層滑移可能性時，需對高填方邊坡穩定影響區地基進行深層處治或采用抗滑樁等進行支護，其中深層地基處治工法有墊層強夯法、強夯置換墩法、復合地基法等。該項目選取墊層強夯法、強夯置換墩法進行試驗，分析各工法對場區土層處治的適用性。

3.1.1 墊層強夯法

墊層強夯法適宜處治土層厚度為6～12 m的道槽填方區或填方邊坡穩定影響區，它主要是使道槽區土基形成一定厚度硬殼層，從而提高邊坡區土體抗剪強度。根據能級不同，墊層強夯法分為：1) 2遍點夯4 000 kN、滿夯1 000 kN，碎石墊層厚度1.5 m；2) 2遍點夯8 000 kN、滿夯2 000 kN，碎石墊層厚度2.5 m。強夯處治試驗參數見表1。

表1 基巖上覆土層強夯處治試驗參數

碎石的技術要求為：最大粒徑不大于15 cm；含泥量不大于7%，且級配良好；不均勻系數Cu≥5，曲率系數Cc=1。

處治前試驗內容：采用標貫試驗獲取土體錐尖阻力沿深度的分布，每試驗區檢測2點，檢測深度為整個上覆土層。

處治后試驗內容：采用標貫試驗獲取土體錐尖阻力沿深度的分布，每試驗區檢測2點；碎石墊層固體體積率檢測(要求強夯后碎石固體體積率不小于81%)，每試驗區檢測3點。

3.1.2 強夯置換墩法

該方法用于墊層強夯法不適用、需處治土層厚度小于15 m的填方邊坡穩定影響區或道槽填方區，要求墩長穿透需處治土層，強夯能級根據需處治土層厚度確定。初始夯擊能E按下式確定：

E=940(H-2.1)

(1)

式中：H為需穿透土層厚度。

根據土層情況，分別采用兩種處治工藝：

(1) 墩體直徑取1.1～1.2倍夯錘直徑，墩體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，含泥量不超過7%。

(2) 墩頂鋪設一層厚60 cm壓實墊層，并鋪設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，粒徑不大于10 cm。防水土工織物可采用“兩布一膜”，置于褥墊層中間。

3.2 處治結果及分析

3.2.1 墊層強夯法

在試驗區進行強夯夯沉量和地面隆起觀測，夯沉量觀測在夯錘邊緣固定位置進行，地面隆起觀測點布置在距夯點中心2、3.5、5、6.5、8 m處。根據觀測數據繪制的逐點夯沉量曲線及地面隆起曲線分別見圖1、圖2。由圖1可知：4 000 kN?m強夯點夯至10擊時，累計沉降量超過1.58 m，已達到最后2擊平均夯沉量小于5 cm的停夯標準。由圖2可知：4 000 kN?m強夯點夯時，原地面最大隆起位于夯坑邊緣，最大隆起量約18 cm；距夯點3 m以外變形隆起很小，隆起量均不超過15 mm。

圖1 4 000 kN?m強夯夯沉量與夯擊數關系曲線

在強夯處治前后對試驗區上覆土層取原狀土樣，取樣位置位于標準貫入試驗范圍內。現場取樣后采用蠟封法將土樣封存，在實驗室進行相關物理力學性質試驗，結果見表2。由表2可知：基巖上覆土層在經過4 000 kN?m強夯處治后，干密度、黏聚力均有所提高，含水率比天然含水率減小5%，表明土體性質得到顯著改善。

圖2 4 000 kN?m強夯施工引起的地面隆起變形曲線

為進一步驗證強夯處治效果，對4 000 kN?m墊層強夯區域處治前后土體進行標準貫入試驗，共選取5個測區，每個測區布置6個測點，取其均值作為標準貫入試驗結果(見表3)。由表3可知：在墊層強夯后，原地面基巖上覆土層強度明顯提高，提高幅度為0.8～2.0倍。

表2 強夯處治前后土體物理力學性質試驗結果

表3 4 000 kN?m墊層強夯處理前后標準貫入試驗結果

對8 000 kN·m墊層強夯處治區域進行標準貫入試驗，試驗結果見表4。由表4可知：8 000 kN·m 夯擊能對基巖上覆土層的處治效果比4 000 kN·m的差，可能是由于高能級強夯會使土體產生破壞，導致其抗剪強度不足。

對強夯(4 000 kN·m)后墊層進行固體體積率檢測，結果見表5。由表5可知：強夯試驗區固體體積率可達到81%以上的設計要求。

表4 8 000 kN?m墊層強夯處治后標準貫入試驗結果

表5 墊層強夯后碎石層固體體積率

3.2.2 強夯置換墩法

對試驗區強夯置換墩法處治前后土體進行標準貫入試驗，結果見表6。由表6可知：強夯置換墩法處治后地基承載力均滿足規范要求，土層強度明顯增大，提升幅度為0.7～2.0倍。強夯置換墩法對土體的改良效果明顯，提升幅度與墊層強夯法相當。

表6 強夯置換墩法處置前后標準貫入試驗結果

對不同深度強夯置換墩法處治區域進行固體容積率檢測，結果見表7。由表7可知：各區域不同處治深度土體的固體體積率均大于81%，滿足設計要求。表明該工藝處治效果可行，后期可推廣應用。

表7 強夯置換墩法處治后固體體積率檢測結果

4 結論

(1) 強夯后土層強度明顯增大，提升幅度為0.8～2.0倍，且較深處土層強度增幅較大。

(2) 基巖上覆土層經過4 000 kN?m強夯處治后，干密度、黏聚力均有所提高，含水率比天然含水率減小5%，且土層強度顯著增強，固體體積率能達到81%以上的設計要求。8 000 kN·m夯擊能對基巖上覆土層的處治效果不好，其原因是高能級強夯會對土體產生破壞，導致土體抗剪強度不夠。

(3) 強夯置換墩法處治后土層強度增大，提升幅度為0.7～2.0倍，固體體積率達到82%以上。

(4) 基巖上覆土層厚度在2 m以內時，采用換填處治，挖出土料可用于土面區封土及綠化用土；基巖上覆土層厚度小于6 m時，采用墊層強夯法處治，點夯2遍加滿夯1遍，點夯能級為4 000 kN·m，滿夯能級為1 000 kN·m；點夯擊數按10～12擊和最后2擊平均夯沉量小于10 cm進行雙重控制。