某機場跑道真空聯合堆載預壓法地基處理試驗研究

穆永亮，沈云如，姜建偉

（1.德清同創建設發展有限公司，浙江 湖州 313200；2.浙江德稻工程咨詢有限公司，浙江 湖州 313200；3.浙江工業大學 土木工程學院，浙江 杭州 310032）

0 引 言

隨著我國經濟進入快速發展的軌道，國民經濟持續高速增長，航空業務量需求旺盛，我國出現大規模機場改、擴建及新建民用機場的高潮。與一般地面相比，機場跑道對工后沉降，地基穩定有更高的要求，特別是要嚴格控制工后沉降，過大的工后沉降將增大不均勻沉降的可能性，會使跑道上高速運行的飛機產生明顯的顛簸，使飛機結構受到損害，甚至可能會帶來安全隱患。在我國東南沿海一帶，大多屬于軟土地區，土的類別多為淤泥、淤泥質黏土。這類土往往具有細粒含量高、高含水率、土層壓縮性大、強度極低等特點。因此，要想在這類地基上進行機場建筑物及跑道建設，需要對這種軟土地基進行處理，才能保證其在施工和使用期間的承載力及穩定性安全。

對于機場跑道地基處理而言，排水加固法是一種較好的地基處理方法。該法包括真空預壓法、堆載預壓法及真空聯合堆載預壓法等。將二者結合形成的真空聯合堆載預壓法將真空預壓法及堆載預壓法的優勢結合在一起，尤其適用于工程應用當中。隨著工程應用越來越廣泛，國內的學者對其加固效果，設計與施工方法的研究也不斷深入。吳躍東等[1]對真空聯合堆載預壓加固地基過程中孔隙水壓力的變化進行了研究。郭彪等[2]和林偉岸等[3]分別推導出了真空聯合堆載預壓下，豎井地基和砂土地基的固結度解析。付光奇等[4]對以往計算方法及一些工程案例總結的基礎上，提出了真空聯合堆載預壓加固軟土地基的實用設計方法。彭劼等[5]對真空聯合堆載預壓法加固地基過程中對周圍環境的影響進行了研究。周雷靖[6]、翟勇堅[7]和齊添等[8]結合工程實例，對真空聯合堆載預壓方法加固軟基的施工方案及處理效果進行了研究。

本文依托某通用航空機場飛行區跑道建設工程，采用真空聯合堆載預壓法對地基進行加固以達到提高軟土地基強度，減少工后沉降的目的。根據現場試驗監測結果對孔隙水壓力、土層表層及分層沉降、真空度傳遞等變化規律進行分析，以供類似工程參考。

1 工程概況

本工程場地地形較平坦，場地北側及西側分布有大量水塘。本區地貌分區屬浙北平原區，擬建場地地貌屬堆積地貌沖積湖積平原。跑道場地已進行回填處理，表層為厚度不均勻的素填土，土質結構較為疏松，其下層為粉質黏土、淤泥質粉質黏土等，分布較為廣泛，層厚變化較大。結合鉆孔取樣后的試驗結果，試驗跑道土層具體分層及各層的物理力學指標參數見表 1。由于機場跑道對工后沉降要求較高，單一使用真空預壓或堆載預壓處理難以在較短的工期內達到良好的土體加固效果，而真空聯合堆載預壓技術能克服真空預壓（等效預壓荷載不足）和堆載預壓（工期較長）的缺點，因此該技術十分符合機場跑道地基加固要求，本工程選用該技術對機場跑道進行地基處理施工。

表1 各土層的物理力學指標參數Table 1 Physical and mechanical index parameters of soil layers

2 真空聯合堆載預壓實施方案

該工程跑道試驗段真空預壓處理面積約為5 000 m2。排水板間距為1.3 m，排水板之間呈正三角形布置，排水板入土深度為18 m。真空聯合堆載預壓設計剖面示意圖如圖1所示。

圖1 真空聯合堆載預壓剖面示意圖Fig.1 Schematic diagram of vacuum and preloading section

主要施工順序為：（1）清理平整場地→（2）攤鋪30 cm厚中粗砂作為工作面→（3）打設塑料排水板→（4）布設監測點→（5）鋪設濾水管→（6）攤鋪密封膜→（7）安裝并調試真空泵設備→（8）抽真空→（9）監測→（10）抽真空40 d后分層堆載3.2 m厚回填土→（11）檢測。

該飛行區跑道試驗段于2017年1月23日開始覆膜抽真空，真空度在24 h內達到75 kPa，隨后2 d內穩定在84 kPa附近。自2017年3月3日開始以每天 20 cm的速度進行堆載塘渣，堆載高度為3.2 m（含50 cm砂墊層），堆載壓力53 kPa，堆載持續時間62 d。至2017年5月18日固結度達到停泵標準，共計處理時間為118 d。

地基處理過程中對孔隙水壓力、地下水位、膜下真空度、土體表層沉降、深層分層沉降進行監測。測點平面布置圖見圖2。

圖2 試驗段監測儀器平面布置示意圖Fig.2 Layout plan of monitoring instruments in test section

3 真空聯合堆載預壓試驗結果分析

3.1 孔隙水壓力

隨著真空聯合堆載預壓工程的進行，孔隙水壓力逐漸消散，土體含水率下降，土體達到固結壓縮效果，進而使土體強度增強，因此孔隙水壓力的變化能反映土體強度的增強效果。圖3為淤泥孔隙水壓力隨日期的變化曲線。由圖可知，隨著抽真空的開始，不同深度處的孔隙水壓力也相應地降低，說明這期間的排水通道十分順暢。在抽真空40 d后，開始以每天填土20 cm的速度進行堆載，隨著填土高度的不斷增加，不同深度的孔隙水壓力監測值均產生一定的波動，這可能是由填土時的施工干擾造成的。當填土高度達至施工方案設計值后，孔隙水壓力監測值呈穩定下降的趨勢。

圖3 孔隙水壓力消散曲線Fig.3 Pore water pressure dissipation curves

3.2 地下水位

真空聯合堆載預壓過程中地下水位累積下降值隨時間的變化曲線如圖4所示。在整個真空聯合堆載預壓期間地下水位累積下降值持續增大，由于加載期間天氣及外界因素的影響，地下水位累積下降值在部分區域出現震蕩現象，但總體來看，該試驗段的地下水位累計下降值呈增長的趨勢。

圖4 地下水位累積下降值隨時間的變化曲線Fig.4 Curve of cumulative decline of groundwater level with time

3.3 膜下真空度

試驗段膜下真空度隨時間的變化曲線如圖5所示。在抽真空初期，膜下真空度逐漸增大，這是由于該階段膜下和土中孔隙的空氣被抽走，從而導致真空度的上升。在真空泵工作5 d后達至85 kPa左右，達到設計規范[9]對真空預壓膜下真空度的要求（膜下真空度達到86.7 kPa左右），隨后一直穩定在該值附近。在真空聯合堆載預壓中期，由于鄰近試驗段工地施工不小心破壞了該試驗段的真空系統，導致膜下真空度驟降，隨即施工人員立即采取補救措施，將該試驗段重新進行密封，相應的膜下真空度也就逐漸增加至85 kPa。在試驗末期，由于工后沉降基本不發生變化，為節省資源，施工人員將工作的真空泵減少至1臺，隨即膜下真空度也相應減小。

圖5 膜下真空度隨時間的變化曲線Fig.5 Curve of vacuum degree under film with time

3.4 土體表層沉降

試驗段中心區域地表累積沉降量隨時間的變化曲線如圖6所示。隨著真空聯合堆載預壓地基處理的進行，地表累積沉降量逐漸增大并趨于穩定，沉降速率隨著抽真空的進行逐漸減小并趨于穩定。在卸載前 15 d內實測的地表平均沉降速率小于2 mm/d，達到真空聯合堆載預壓設計卸載要求（豎向沉降速率不大于10 mm/d）[9]。最終卸載時刻總沉降量為73.9 cm。

圖6 地表累積沉降量隨時間的變化曲線Fig.6 Curve of cumulative surface settlement with time

3.5 分層沉降

試驗段中心區域不同深度的累積沉降隨時間的變化曲線如圖7所示。隨著真空聯合堆載預壓地基處理的進行，不同深度處的測點累積沉降量隨時間變化趨勢基本相同。土層離地表位置越近，相應的累積沉降量也越大，同時沉降收斂速度越慢。

圖7 中心區域不同深度的累積沉降隨時間的變化曲線Fig.7 Curve of cumulative settlement with time at different depths in the central area

4 加固效果檢驗

為對真空聯合堆載預壓法處理的加固效果進行檢驗，分別進行了原位十字板剪切試驗、鉆孔取土室內試驗和靜力觸探試驗。

4.1 靜力觸探試驗

表2給出了地基加固前后試驗段淤泥質粉質黏土層③-1的雙橋靜力觸探的側阻和端阻值，并將其處理前后的平均值（5個數據的平均值）與標準值進行比較。由表可知，地基處理后，試驗段的淤泥質粉質黏土層的側阻及端阻標準值都提高了20%。

表2 地基加固前后試驗段區域雙橋靜力觸探統計值對比表Table 2 Comparison of static cone penetration test statistical values of double bridges in the test section area before and after foundation reinforcement

4.2 鉆孔取土室內試驗

地基處理后飛行區各區域③-1淤泥質粉質黏土層的含水率、濕密度、比重和孔隙比等物性指標以及固結快剪黏聚力和摩擦角等強度指標統計值見表 3。由表可知，地基處理后試驗段淤泥質粉質黏土層含水率降低了9%，密度增加了3.0%，顆粒比重基本不變，孔隙比降低了 16%，黏聚力增加了17.1%，內摩擦角增加了14.1%。

表3 飛行區跑道試驗段③-1淤泥質粉質黏土層各項指標統計值Table 3 Statistical values of indexes of ③-1 muddy silt clay layer in runway test section of flight area

4.3 原位十字板剪切強度測試

地基處理后的淤泥質粉質黏土層的原狀十字板剪切強度達至31.95 kPa，滿足設計要求。

結合上述試驗的各項指標對比可知，土層性能有明顯改善，地基的承載力大幅提高，說明真空聯合堆載預壓法加固效果明顯，達到了設計要求。

4.4 土體固結度

根據《真空預壓加固軟土地基技術規程》（JTS 147—2—2009）[10]可計算得到本工程設計固結度為60%，而實際施工后，固結度達到68%，滿足設計要求。

5 結 論

本文通過對德清通用航空機場飛行區跑道試驗段真空聯合堆載預壓法處理的現場試驗資料分析研究，可以得出以下結論：

（1）監測結果表明，隨著真空聯合堆載預壓法加固處理的進行，淤泥地基的孔隙水壓力隨著地下水的排出而相應消散，消散趨勢沿深度方向大致相同。

（2）地下水位累計下降值隨著真空聯合堆載預壓的進行呈增長趨勢，試驗段在加固過程中真空度基本呈穩定狀態。

（3）自開始抽真空起，地表累積沉降量逐漸增大，且沉降曲線初期斜率較陡，隨著現場試驗的進行，沉降曲線逐漸緩和并趨于穩定。土體分層沉降沿深度方向基本呈相同趨勢，淺層土體較深層土體而言會產生更大的壓縮量。

（4）根據現場十字板剪切強度測試與室內靜力觸探試驗及部分土工試驗結果可知，淤泥地基在經過真空聯合堆載預壓法處理后，地基各物理力學指標均發生了顯著變化，承載力大幅提高，加固效果較好。