機(jī)場場道地基中砂卵碎石地基穩(wěn)定性分析

機(jī)場場道地基中砂卵碎石地基穩(wěn)定性分析

西藏敏化區(qū)的平均高度為4500米。機(jī)場建設(shè)的大型飛行區(qū)為4d。機(jī)場跑道長度為4500米，寬度為60米。場道基礎(chǔ)主要是填充基礎(chǔ)。場區(qū)具有空氣稀薄、日溫差大、濕度小、降水稀少、太陽輻射強(qiáng)烈、蒸發(fā)量大、干濕季分明、風(fēng)大而頻繁、冰雹多、霜期長等氣候特點(diǎn)。西藏阿里機(jī)場場址區(qū)域總體地勢平坦,平均坡度1‰~2‰,飛行區(qū)大部分為砂卵石荒灘(戈壁),僅場區(qū)西北段處于濕地邊緣。鹽漬土問題、凍土問題、稍密砂卵石層厚度不均勻問題、地下水位高問題等是飛行區(qū)的主要工程問題。強(qiáng)夯法是解決上述問題的有效方法,但這種方法在偏遠(yuǎn)的西藏阿里地區(qū)使用較少,且其工程造價(jià)較高。為了找到經(jīng)濟(jì)適用的地基處理方法、保證地基穩(wěn)定,開展了機(jī)場場道地基處理試驗(yàn)。試驗(yàn)的主要項(xiàng)目有:采用沖擊碾壓、振動(dòng)碾壓2種施工方法對試驗(yàn)段的原地基土及填筑體進(jìn)行處理試驗(yàn)、采用超載預(yù)壓法對稍密砂卵礫石層進(jìn)行加固試驗(yàn)、采用復(fù)合土工膜隔斷層法進(jìn)行凍害防治試驗(yàn),并結(jié)合試驗(yàn)段沉降觀測對各種試驗(yàn)的效果進(jìn)行評價(jià)。本文將詳細(xì)介紹阿里機(jī)場地基處理試驗(yàn)的主要成果。1從土層和工程地質(zhì)層結(jié)構(gòu)看場區(qū)主要分布在河流一級階地和河漫灘上,其中A區(qū)(砂卵石區(qū))位于一級階地;B區(qū)(鹽漬化凍土區(qū))位于一級階地和河漫灘的過渡地段;C區(qū)(濕地區(qū))位于河漫灘上。3個(gè)亞區(qū)分布示意圖見圖1。3個(gè)亞區(qū)的主要地層均以圓礫和砂卵石為主,表層結(jié)構(gòu)略有不同。其中A區(qū)表層分布有很薄的雜填土,局部有粉土、粉細(xì)砂土層,少見鹽漬化現(xiàn)象;B區(qū)表層主要以雜填土為主,局部分布粉土、粉細(xì)砂土層,表層可見白色鹽漬化現(xiàn)象;C區(qū)表層主要以耕植土、素填土及粉細(xì)砂為主,具有鹽漬化及凍土性質(zhì)。場區(qū)凍土為季節(jié)性凍土,主要分布在B區(qū)和C區(qū),以粉土和粉細(xì)砂為主,其凍脹、凍融特性為弱凍脹—強(qiáng)凍脹及弱融沉—融沉。場區(qū)的鹽漬土類別為亞硫酸鹽漬土,主要分布在粉土、粉細(xì)砂層中。地表以下0.05m為強(qiáng)鹽漬土,0.05m至地下水位埋深深度(地表下0.75m左右)為中鹽漬土,對混凝土、鋼筋的腐蝕為弱腐蝕性。場區(qū)內(nèi)粉土及粉細(xì)砂多處于飽和狀態(tài),為可液化土。場區(qū)的主要含水層為卵礫石層,其次為砂層和粉土層,賦存孔隙潛水。含水層透水性好,地下水位埋深在0~2.5m之間。豐水期(7~8月份)含水層接受噶爾河及附近山上融化雪水的補(bǔ)給,局部低洼地帶水深可達(dá)0.4m;枯水期地下水向噶爾河排泄。阿里機(jī)場飛行區(qū)存在的主要工程地質(zhì)問題有:(1)凍土問題;(2)鹽漬土問題;(3)軟基問題:場區(qū)西北部存在著大量的沼澤、濕地等軟基。地表下一定厚度(小于1m)土層為淤泥質(zhì)粉土層,并具有鹽漬化性質(zhì);(4)地下水位高問題;(5)稍密卵石層厚度不均勻問題:作為場區(qū)主要持力層的稍密卵石層在場區(qū)局部地段分布的厚度不均勻(0~7m),稍密卵石層在上覆荷載作用下其變形性能能否滿足機(jī)場使用要求是地基處理的主要問題。2試驗(yàn)設(shè)備及內(nèi)容阿里機(jī)場場道地基為填方地基,填方高度多在3~5m、局部略高或略低。為了尋找經(jīng)濟(jì)合理的地基處理及土石方填筑施工方法,在飛行區(qū)內(nèi)選擇了T、A兩個(gè)試驗(yàn)段(參見圖1)進(jìn)行地基處理試驗(yàn)及土石方填筑試驗(yàn),T試驗(yàn)段面積12800m2,A試驗(yàn)段面積14400m2。A試驗(yàn)段位于跑道中點(diǎn)偏東南向,屬于工程地質(zhì)A區(qū)-砂卵石區(qū)。T試驗(yàn)段位于跑道中點(diǎn)偏西北向,包含有工程地質(zhì)B區(qū)-鹽漬化區(qū)、C區(qū)-濕地區(qū)。試驗(yàn)段原地基及填筑體處理后計(jì)劃達(dá)到以下目標(biāo):(1)土基頂面的反應(yīng)模量不低于50MN/m3;(2)填筑體不均勻沉降差小于1.5‰;(3)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)大于1.30。試驗(yàn)過程及主要內(nèi)容如下:(1)原地面振動(dòng)碾壓、沖擊碾壓試驗(yàn):試驗(yàn)段表層存在軟土、粉細(xì)砂等細(xì)粒土,厚度0~2m不等,試驗(yàn)時(shí)首先將其清除,并換填為砂卵礫石填料。要求換填材料的含鹽量小于0.3%、土含量不大于15%;換填的粗顆粒土至少要高出原地面1.0~1.5m以上。經(jīng)試驗(yàn)檢測,附近料場的砂卵礫石填料滿足上述要求。換填后進(jìn)行原地面振動(dòng)碾壓、沖擊碾壓試驗(yàn)。(2)填筑體振動(dòng)碾壓、沖擊碾壓試驗(yàn):對原地面地基采用振動(dòng)碾壓、沖擊碾壓處理并進(jìn)行檢測后,開始對填筑體進(jìn)行振動(dòng)碾壓、沖擊碾壓試驗(yàn)。(3)復(fù)合土工膜防凍害、鹽害試驗(yàn):為了檢驗(yàn)復(fù)合土工膜對凍害、鹽害的防治效果,在A3試驗(yàn)區(qū)選擇40×40m2、T1試驗(yàn)區(qū)選擇30×40m2,當(dāng)填筑至道槽土基設(shè)計(jì)標(biāo)高下1.8m時(shí),采用完全包裹方式鋪填復(fù)合土工膜,然后再進(jìn)行上部填筑。采用的復(fù)合土工膜為二布一膜,其基材為短纖針刺非織造土工布基,膜材為PE膜,膜厚0.3mm(300g/m2),單位總質(zhì)量不低于600g/m2,性能指標(biāo)不低于表1。(4)超載預(yù)壓試驗(yàn):為了檢驗(yàn)超載預(yù)壓對稍密砂卵礫石層的加固效果,在T1、T3試驗(yàn)區(qū)選擇60×80m2面積進(jìn)行了超載預(yù)壓試驗(yàn)。當(dāng)填筑至道槽土基設(shè)計(jì)標(biāo)高、埋設(shè)沉降標(biāo)后,再填筑2m厚的砂卵礫石作為預(yù)壓荷載?？紤]枯水期1m的水位降深,預(yù)壓荷載可達(dá)到60kPa。(5)沉降觀測:在各試驗(yàn)區(qū)選擇有代表性的地點(diǎn),當(dāng)填筑碾壓至土基設(shè)計(jì)標(biāo)高后埋設(shè)沉降標(biāo),對地基及填筑體的沉降進(jìn)行觀測;對于超載區(qū),當(dāng)填筑至道槽土基設(shè)計(jì)標(biāo)高、埋設(shè)沉降標(biāo)、再填筑2m厚的砂卵礫石后,沉降標(biāo)相應(yīng)上接2m,對地基及填筑體的沉降進(jìn)行觀測。(6)動(dòng)力觸探、波速測試:采用動(dòng)力觸探(N120)、波速測試等手段檢測地基及填筑體處理前后的效果。(7)地下水位觀測:除了在各小區(qū)布設(shè)水位觀測孔外,在T試驗(yàn)段垂直跑道軸線的斷面上的噶爾河一側(cè)以及雪山一側(cè)布設(shè)3~5個(gè)水位觀測孔,對地下水位變化做長期觀測。3試驗(yàn)結(jié)果的分析3.1機(jī)械壓實(shí)深度原地基處理試驗(yàn)主要進(jìn)行了原地面振動(dòng)碾壓試驗(yàn)和原地面沖擊碾壓試驗(yàn),現(xiàn)場表土清理后,T試驗(yàn)段原地面土料擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果表明,土料最佳含水量約為5%左右,最大干密度2.22g/cm3左右。在A試驗(yàn)段———砂卵石區(qū),通過A1區(qū)振動(dòng)碾壓和A3區(qū)沖擊碾壓效果比較可知:A1區(qū)檢測深度為0.5m,振動(dòng)碾壓10遍后,0.25m處干密度平均值2.18g/cm3,0.5m處干密度平均值2.19g/cm3;A3區(qū)檢測深度為0.6m,沖擊碾壓20遍后,0.3m處干密度平均值2.16g/cm3,0.6m處干密度2.17g/cm3。通過2種不同碾壓機(jī)械壓實(shí)后測得的干密度相差不大,沖擊碾壓稍低于振動(dòng)碾壓,但沖擊碾壓的瞬間沖擊能較大,動(dòng)能的傳遞深度優(yōu)于振動(dòng)碾壓,其影響深度大于振動(dòng)碾壓。在T試驗(yàn)段———鹽磧化濕地區(qū),T1、T2區(qū)振動(dòng)碾壓10遍后,0.25m處壓實(shí)度為98.1%;T3、T4沖擊碾壓20遍后,0.3m處壓實(shí)度96.24%,0.6m處壓實(shí)度97.64%,0.9m處壓實(shí)度95.92%。受地下水位的影響,振動(dòng)碾壓和沖擊碾壓檢測時(shí)處于不同的深度,所以壓實(shí)后不能給出類比結(jié)論。但可以看出,在地表下30cm范圍內(nèi),振動(dòng)碾壓效果優(yōu)于沖擊碾壓,這與兩種機(jī)械的本身特性相符合。3.2原測試結(jié)果分析試驗(yàn)段地基處理后進(jìn)行動(dòng)力觸探、波速測試及地基反應(yīng)模量檢測等原位測試。3.2.1地基土動(dòng)探擊數(shù)N120動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果如下:(1)原地面以下沖擊碾壓影響深度范圍內(nèi)(約1~2m)的地基土動(dòng)探擊數(shù)明顯增加,達(dá)到密實(shí)程度,平均增加2~3擊,增幅大于50%,見表2。這與原地面沖擊碾壓壓實(shí)度和干密度檢測分析的結(jié)果相呼應(yīng),表明原地面經(jīng)過沖擊碾壓處理后,地基處理效果明顯得到改善。(2)沖擊碾壓只能加固淺部土層,不能加固深部(3~7m)砂卵礫石土層。3.2.2沖擊水壓影響深度A、T試驗(yàn)段道槽區(qū)沖擊碾壓前、后進(jìn)行波速測試,檢測結(jié)果列于表3中。從表中可以看出:在沖擊碾壓影響深度范圍內(nèi)(約1~2m),剪切波速Vs、動(dòng)剪切模量Gd、動(dòng)彈模量Ed、動(dòng)探擊數(shù)N63.5都有不同程度的提高;處理后地基土承載力特征值達(dá)250kPa以上。3.2.3現(xiàn)場地基反應(yīng)模量試驗(yàn)成果本次地基反應(yīng)模量試驗(yàn)按照民航相關(guān)規(guī)范進(jìn)行。地基反應(yīng)模量的計(jì)算公式如下:式中:ku為現(xiàn)場測得的地基反應(yīng)模量,MN/m3;pB為承載板下沉量為0.127cm時(shí)所對應(yīng)的單位面積壓力,MPa。試驗(yàn)段現(xiàn)場地基反應(yīng)模量試驗(yàn)成果見表4。可見,采用沖擊碾壓或振動(dòng)碾壓施工方式進(jìn)行施工,地基反應(yīng)模量大多可以達(dá)到70mN/m3以上,建議大面積施工時(shí)以地基反應(yīng)模量不小于70mN/m3做為道槽區(qū)施工質(zhì)量控制指標(biāo)。4場區(qū)地基處理方案通過阿里機(jī)場試驗(yàn)段地基處理試驗(yàn),得出以下結(jié)論及建議:(1)對場區(qū)不同工程地質(zhì)分區(qū)及不同功能區(qū)的原地基,應(yīng)采用不同的地基處理深度。對于道槽及其影響區(qū),應(yīng)清除地表及其下的耕植土、粉土及粉細(xì)砂土等至圓礫或稍密砂礫石層;對于土面區(qū),僅清除表層草根即可;但對于邊坡及其影響區(qū)范圍,由于場址為Ⅶ度抗震設(shè)防,場內(nèi)地下飽和土(粉土、粉細(xì)砂層等)為液化土層,應(yīng)予清除,以保證邊坡的穩(wěn)定性。(2)原地面經(jīng)振動(dòng)碾壓處理后,地表下50cm范圍內(nèi)的壓實(shí)度與干密度都有較大的改善,能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但鑒于振動(dòng)碾壓機(jī)械的局限性,原地面下影響的深度較淺;原地面經(jīng)沖擊碾壓機(jī)械處理后,地表下90cm范圍內(nèi)的壓實(shí)度與干密度都有很大的改善,地基土承載力可達(dá)250kPa以上,能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。地基處理后的壓實(shí)度及干密度檢測結(jié)果表明,對淺層地基(地面下30cm左右),振動(dòng)碾壓效果優(yōu)于沖擊碾壓;對深層地基(地面50~90cm),沖擊碾壓的效果要優(yōu)于振動(dòng)碾壓效果。(3)“粗顆粒砂卵礫石換填+沖擊碾壓”處理后,地表下90cm范圍內(nèi)的壓實(shí)度與干密度都有很大的改善,有效地防止了凍害與鹽害的發(fā)生,可做為阿里機(jī)場場道地基處理的基本方法。“沖擊碾壓+填筑體荷載+超載預(yù)壓”的地基處理方法適合阿里機(jī)場的地基處理,但鑒于超載預(yù)壓區(qū)與非超載預(yù)壓區(qū)的沉降量差別不大、且均較小,說明填筑體本身的荷載已經(jīng)足以使稍密砂卵礫石的沉降在施工期完成,場道工程施工時(shí)可以不考慮超載預(yù)壓處理。試驗(yàn)段模擬工程實(shí)體沉降觀測結(jié)果表明:“換填+沖擊(振動(dòng))碾壓”處理后的砂卵礫石地基工后沉降量及鼓脹量均較小,在毫米級,地基穩(wěn)定性較好,滿足場道對地基的要求。(4)建議施工時(shí)以地基反應(yīng)模量不小于70MN/m3作為道槽區(qū)施工質(zhì)量控制指標(biāo)。(5)阿里地區(qū)雨季在