穆永亮，沈云如，姜建偉

（1.德清同創(chuàng)建設(shè)發(fā)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(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，浙江 杭州 310032）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟進入快速發(fā)展的軌道，國民經(jīng)濟持續(xù)高速增長，航空業(yè)務(wù)量需求旺盛，我國出現(xiàn)大規(guī)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(wěn)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(chǎn)生明顯的顛簸，使飛機結(jié)構(gòu)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(qū)，土的類別多為淤泥、淤泥質(zhì)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(shè)，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(wěn)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(yù)壓法、堆載預(yù)壓法及真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法等。將二者結(jié)合形成的真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法將真空預(yù)壓法及堆載預(yù)壓法的優(yōu)勢結(jié)合在一起，尤其適用于工程應(yīng)用當(dāng)中。隨著工程應(yīng)用越來越廣泛，國內(nèi)的學(xué)者對其加固效果，設(shè)計與施工方法的研究也不斷深入。吳躍東等[1]對真空聯(lián)合堆載預(yù)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(dǎo)出了真空聯(lián)合堆載預(yù)壓下，豎井地基和砂土地基的固結(jié)度解析。付光奇等[4]對以往計算方法及一些工程案例總結(jié)的基礎(chǔ)上，提出了真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固軟土地基的實用設(shè)計方法。彭劼等[5]對真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法加固地基過程中對周圍環(huán)境的影響進行了研究。周雷靖[6]、翟勇堅[7]和齊添等[8]結(jié)合工程實例，對真空聯(lián)合堆載預(yù)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(qū)跑道建設(shè)工程，采用真空聯(lián)合堆載預(yù)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(jù)現(xiàn)場試驗監(jiān)測結(jié)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(guī)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(cè)及西側(cè)分布有大量水塘。本區(qū)地貌分區(qū)屬浙北平原區(qū)，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(zhì)結(jié)構(gòu)較為疏松，其下層為粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土等，分布較為廣泛，層厚變化較大。結(jié)合鉆孔取樣后的試驗結(jié)果，試驗跑道土層具體分層及各層的物理力學(xué)指標參數(shù)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(yù)壓或堆載預(yù)壓處理難以在較短的工期內(nèi)達到良好的土體加固效果，而真空聯(lián)合堆載預(yù)壓技術(shù)能克服真空預(yù)壓（等效預(yù)壓荷載不足）和堆載預(yù)壓（工期較長）的缺點，因此該技術(shù)十分符合機場跑道地基加固要求，本工程選用該技術(shù)對機場跑道進行地基處理施工。

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

2 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓實施方案

該工程跑道試驗段真空預(yù)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(lián)合堆載預(yù)壓設(shè)計剖面示意圖如圖1所示。

圖1 真空聯(lián)合堆載預(yù)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(shè)塑料排水板→（4）布設(shè)監(jiān)測點→（5）鋪設(shè)濾水管→（6）攤鋪密封膜→（7）安裝并調(diào)試真空泵設(shè)備→（8）抽真空→（9）監(jiān)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(qū)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(nèi)達到75 kPa，隨后2 d內(nèi)穩(wěn)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(xù)時間62 d。至2017年5月18日固結(jié)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(jiān)測。測點平面布置圖見圖2。

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

3 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓試驗結(jié)果分析

3.1 孔隙水壓力

隨著真空聯(lián)合堆載預(yù)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(jié)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(yīng)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(jiān)測值均產(chǎn)生一定的波動，這可能是由填土?xí)r的施工干擾造成的。當(dāng)填土高度達至施工方案設(shè)計值后，孔隙水壓力監(jiān)測值呈穩(wěn)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(lián)合堆載預(yù)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(lián)合堆載預(yù)壓期間地下水位累積下降值持續(xù)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(qū)域出現(xiàn)震蕩現(xiàn)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(dǎo)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(shè)計規(guī)范[9]對真空預(yù)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(wěn)定在該值附近。在真空聯(lián)合堆載預(yù)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(tǒng)，導(dǎo)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(yīng)的膜下真空度也就逐漸增加至85 kPa。在試驗?zāi)┢?，由于工后沉降基本不發(fā)生變化，為節(jié)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(yīng)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(qū)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(lián)合堆載預(yù)壓地基處理的進行，地表累積沉降量逐漸增大并趨于穩(wěn)定，沉降速率隨著抽真空的進行逐漸減小并趨于穩(wěn)定。在卸載前 15 d內(nèi)實測的地表平均沉降速率小于2 mm/d，達到真空聯(lián)合堆載預(yù)壓設(shè)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(qū)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(lián)合堆載預(yù)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(yīng)的累積沉降量也越大，同時沉降收斂速度越慢。

圖7 中心區(qū)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(lián)合堆載預(yù)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(nèi)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(zhì)粉質(zhì)黏土層③-1的雙橋靜力觸探的側(cè)阻和端阻值，并將其處理前后的平均值（5個數(shù)據(jù)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(zhì)粉質(zhì)黏土層的側(cè)阻及端阻標準值都提高了20%。

表2 地基加固前后試驗段區(qū)域雙橋靜力觸探統(tǒng)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(nèi)試驗

地基處理后飛行區(qū)各區(qū)域③-1淤泥質(zhì)粉質(zhì)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(jié)快剪黏聚力和摩擦角等強度指標統(tǒng)計值見表 3。由表可知，地基處理后試驗段淤泥質(zhì)粉質(zhì)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(nèi)摩擦角增加了14.1%。

表3 飛行區(qū)跑道試驗段③-1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層各項指標統(tǒng)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(zhì)粉質(zhì)黏土層的原狀十字板剪切強度達至31.95 kPa，滿足設(shè)計要求。

結(jié)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(lián)合堆載預(yù)壓法加固效果明顯，達到了設(shè)計要求。

4.4 土體固結(jié)度

根據(jù)《真空預(yù)壓加固軟土地基技術(shù)規(guī)程》（JTS 147—2—2009）[10]可計算得到本工程設(shè)計固結(jié)度為60%，而實際施工后，固結(jié)度達到68%，滿足設(shè)計要求。

5 結(jié) 論

本文通過對德清通用航空機場飛行區(qū)跑道試驗段真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法處理的現(xiàn)場試驗資料分析研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）監(jiān)測結(jié)果表明，隨著真空聯(lián)合堆載預(yù)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(yīng)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(lián)合堆載預(yù)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(wěn)定狀態(tài)。

（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(xiàn)場試驗的進行，沉降曲線逐漸緩和并趨于穩(wěn)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(chǎn)生更大的壓縮量。

（4）根據(jù)現(xiàn)場十字板剪切強度測試與室內(nèi)靜力觸探試驗及部分土工試驗結(jié)果可知，淤泥地基在經(jīng)過真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法處理后，地基各物理力學(xué)指標均發(fā)生了顯著變化，承載力大幅提高，加固效果較好。