彭超

(湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

《全國(guó)民用機(jī)場(chǎng)布局規(guī)劃》實(shí)施以來(lái)，為打造全方位綜合交通，各地民用機(jī)場(chǎng)新建、改擴(kuò)建項(xiàng)目逐漸增多。受選址限制，較多機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目存在超高填方、土石方工程量大及其他復(fù)雜地質(zhì)條件等問(wèn)題。相較于高等級(jí)公路建設(shè)項(xiàng)目，機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)多采用水泥砼路面，這種剛性結(jié)構(gòu)對(duì)地基承載性能有特殊要求，尤其是地基不能發(fā)生沉降或不均勻沉降。強(qiáng)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(yīng)用最廣、最具經(jīng)濟(jì)性的地基處治方式之一。該文針對(duì)某機(jī)場(chǎng)基巖上覆土層處治工程，對(duì)墊層強(qiáng)夯法、強(qiáng)夯置換墩法處治工藝進(jìn)行研究。

1 工程概況

依托工程為某地級(jí)市民用機(jī)場(chǎng)，場(chǎng)址原始地貌為構(gòu)造剝蝕丘陵，場(chǎng)地植被豐富，地形起伏較大。最高點(diǎn)位于擬建場(chǎng)址中部，海拔為359.40 m，最低點(diǎn)位于場(chǎng)址西側(cè)，海拔為220.00 m，相對(duì)高差達(dá)140 m。工程總規(guī)劃建設(shè)用地面積58.7萬(wàn) m2，土石方量約500萬(wàn)m3。

該項(xiàng)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(zhì)黏土，其具高壓縮性，且場(chǎng)區(qū)最大填方高度達(dá)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(duì)機(jī)場(chǎng)道槽區(qū)基巖上覆土層地基進(jìn)行處治。

2 試驗(yàn)段選取及初步分析

該項(xiàng)目地質(zhì)條件復(fù)雜，存在諸多巖土工程技術(shù)問(wèn)題，若對(duì)基巖上覆土層處治不當(dāng)，將導(dǎo)致嚴(yán)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(wěn)定。為確定合理的地基處治施工工藝、施工參數(shù)及質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，在大面積施工之前，先選取合適試驗(yàn)段進(jìn)行軟弱黏土(主要為基巖上覆土層、巖溶填充物)處治(換填、強(qiáng)夯、復(fù)合地基或注漿)，通過(guò)對(duì)處治效果的監(jiān)測(cè)，分析各施工工藝對(duì)軟弱粉質(zhì)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(shù)，并按該施工參數(shù)進(jìn)行局部區(qū)域施工。對(duì)施工完成區(qū)域原地基、填筑體、邊坡進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，檢驗(yàn)施工參數(shù)、施工工藝及設(shè)計(jì)控制指標(biāo)的有效性，為大面積施工提供可靠的技術(shù)支撐。

針對(duì)該項(xiàng)目的特點(diǎn)，選取填方區(qū)域(需具有一定填方工程量)作為試驗(yàn)段，該區(qū)域原地勢(shì)高差較大，需進(jìn)行強(qiáng)夯、碾壓、筋材破損等試驗(yàn)，具有較好的代表性。

進(jìn)行處治之前，對(duì)基巖上覆土層土體進(jìn)行物理力學(xué)性能分析，結(jié)果顯示：

(1) 試驗(yàn)區(qū)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(qū)發(fā)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(qū)殘坡積土與強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)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(chǎng)區(qū)表層土料的天然含水量大于最佳含水率，大面積施工時(shí)可以根據(jù)填料的功能分區(qū)，盡量用作邊坡和土面區(qū)的綠化用土。

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

3 上覆土層地基處治

3.1 處治方法選取

根據(jù)勘探報(bào)告，道槽填方區(qū)、填方邊坡穩(wěn)定影響區(qū)覆土層厚度為10～20 m。對(duì)于道槽區(qū)淺覆土層的處治，一般根據(jù)沉降計(jì)算確定處治深度，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，采用換填法或墊層強(qiáng)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(duì)于高填方邊坡穩(wěn)定影響區(qū)，由于亞層土體抗剪強(qiáng)度低、埋深厚，根據(jù)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，當(dāng)高填方邊坡存在深層滑移可能性時(shí)，需對(duì)高填方邊坡穩(wěn)定影響區(qū)地基進(jìn)行深層處治或采用抗滑樁等進(jìn)行支護(hù)，其中深層地基處治工法有墊層強(qiáng)夯法、強(qiáng)夯置換墩法、復(fù)合地基法等。該項(xiàng)目選取墊層強(qiáng)夯法、強(qiáng)夯置換墩法進(jìn)行試驗(yàn)，分析各工法對(duì)場(chǎng)區(qū)土層處治的適用性。

3.1.1 墊層強(qiáng)夯法

墊層強(qiáng)夯法適宜處治土層厚度為6～12 m的道槽填方區(qū)或填方邊坡穩(wěn)定影響區(qū)，它主要是使道槽區(qū)土基形成一定厚度硬殼層，從而提高邊坡區(qū)土體抗剪強(qiáng)度。根據(jù)能級(jí)不同，墊層強(qiáng)夯法分為：1) 2遍點(diǎn)夯4 000 kN、滿夯1 000 kN，碎石墊層厚度1.5 m；2) 2遍點(diǎn)夯8 000 kN、滿夯2 000 kN，碎石墊層厚度2.5 m。強(qiáng)夯處治試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 基巖上覆土層強(qiáng)夯處治試驗(yàn)參數(shù)

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

處治前試驗(yàn)內(nèi)容：采用標(biāo)貫試驗(yàn)獲取土體錐尖阻力沿深度的分布，每試驗(yàn)區(qū)檢測(cè)2點(diǎn)，檢測(cè)深度為整個(gè)上覆土層。

處治后試驗(yàn)內(nèi)容：采用標(biāo)貫試驗(yàn)獲取土體錐尖阻力沿深度的分布，每試驗(yàn)區(qū)檢測(cè)2點(diǎn)；碎石墊層固體體積率檢測(cè)(要求強(qiáng)夯后碎石固體體積率不小于81%)，每試驗(yàn)區(qū)檢測(cè)3點(diǎn)。

3.1.2 強(qiáng)夯置換墩法

該方法用于墊層強(qiáng)夯法不適用、需處治土層厚度小于15 m的填方邊坡穩(wěn)定影響區(qū)或道槽填方區(qū)，要求墩長(zhǎng)穿透需處治土層，強(qiáng)夯能級(jí)根據(jù)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(jù)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(jí)配良好的塊石、碎石等堅(jiān)硬粗粒材料，最大粒徑不大于40 cm，含泥量不超過(guò)7%。

(2) 墩頂鋪設(shè)一層厚60 cm壓實(shí)墊層，并鋪設(shè)防水土工織物和高強(qiáng)土工布。壓實(shí)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(jié)果及分析

3.2.1 墊層強(qiáng)夯法

在試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行強(qiáng)夯夯沉量和地面隆起觀測(cè)，夯沉量觀測(cè)在夯錘邊緣固定位置進(jìn)行，地面隆起觀測(cè)點(diǎn)布置在距夯點(diǎn)中心2、3.5、5、6.5、8 m處。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)繪制的逐點(diǎn)夯沉量曲線及地面隆起曲線分別見(jiàn)圖1、圖2。由圖1可知：4 000 kN?m強(qiáng)夯點(diǎn)夯至10擊時(shí)，累計(jì)沉降量超過(guò)1.58 m，已達(dá)到最后2擊平均夯沉量小于5 cm的停夯標(biāo)準(zhǔn)。由圖2可知：4 000 kN?m強(qiáng)夯點(diǎn)夯時(shí)，原地面最大隆起位于夯坑邊緣，最大隆起量約18 cm；距夯點(diǎn)3 m以外變形隆起很小，隆起量均不超過(guò)15 mm。

圖1 4 000 kN?m強(qiáng)夯夯沉量與夯擊數(shù)關(guān)系曲線

在強(qiáng)夯處治前后對(duì)試驗(yàn)區(qū)上覆土層取原狀土樣，取樣位置位于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)范圍內(nèi)?，F(xiàn)場(chǎng)取樣后采用蠟封法將土樣封存，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知：基巖上覆土層在經(jīng)過(guò)4 000 kN?m強(qiáng)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(zhì)得到顯著改善。

圖2 4 000 kN?m強(qiáng)夯施工引起的地面隆起變形曲線

為進(jìn)一步驗(yàn)證強(qiáng)夯處治效果，對(duì)4 000 kN?m墊層強(qiáng)夯區(qū)域處治前后土體進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，共選取5個(gè)測(cè)區(qū)，每個(gè)測(cè)區(qū)布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，取其均值作為標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表3)。由表3可知：在墊層強(qiáng)夯后，原地面基巖上覆土層強(qiáng)度明顯提高，提高幅度為0.8～2.0倍。

表2 強(qiáng)夯處治前后土體物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果

表3 4 000 kN?m墊層強(qiáng)夯處理前后標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)8 000 kN·m墊層強(qiáng)夯處治區(qū)域進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知：8 000 kN·m 夯擊能對(duì)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(jí)強(qiáng)夯會(huì)使土體產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度不足。

對(duì)強(qiáng)夯(4 000 kN·m)后墊層進(jìn)行固體體積率檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知：強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)固體體積率可達(dá)到81%以上的設(shè)計(jì)要求。

表4 8 000 kN?m墊層強(qiáng)夯處治后標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果

表5 墊層強(qiáng)夯后碎石層固體體積率

3.2.2 強(qiáng)夯置換墩法

對(duì)試驗(yàn)區(qū)強(qiáng)夯置換墩法處治前后土體進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知：強(qiáng)夯置換墩法處治后地基承載力均滿足規(guī)范要求，土層強(qiáng)度明顯增大，提升幅度為0.7～2.0倍。強(qiáng)夯置換墩法對(duì)土體的改良效果明顯，提升幅度與墊層強(qiáng)夯法相當(dāng)。

表6 強(qiáng)夯置換墩法處置前后標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)不同深度強(qiáng)夯置換墩法處治區(qū)域進(jìn)行固體容積率檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表7。由表7可知：各區(qū)域不同處治深度土體的固體體積率均大于81%，滿足設(shè)計(jì)要求。表明該工藝處治效果可行，后期可推廣應(yīng)用。

表7 強(qiáng)夯置換墩法處治后固體體積率檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

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

(2) 基巖上覆土層經(jīng)過(guò)4 000 kN?m強(qiáng)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(qiáng)度顯著增強(qiáng)，固體體積率能達(dá)到81%以上的設(shè)計(jì)要求。8 000 kN·m夯擊能對(duì)基巖上覆土層的處治效果不好，其原因是高能級(jí)強(qiáng)夯會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度不夠。

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

(4) 基巖上覆土層厚度在2 m以內(nèi)時(shí)，采用換填處治，挖出土料可用于土面區(qū)封土及綠化用土；基巖上覆土層厚度小于6 m時(shí)，采用墊層強(qiáng)夯法處治，點(diǎn)夯2遍加滿夯1遍，點(diǎn)夯能級(jí)為4 000 kN·m，滿夯能級(jí)為1 000 kN·m；點(diǎn)夯擊數(shù)按10～12擊和最后2擊平均夯沉量小于10 cm進(jìn)行雙重控制。