浦东机场下穿通道与滑行道间差异沉降控制研究

杜一鸣

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

机场滑行道是供飞机作地面滑行、联系机场两个不同区域的通道。浦东国际机场三期的F级滑行道，可供A380-800F大型客机通行。为满足飞机稳定性、旅客舒适性要求，飞机滑行道要求严格控制沉降。随着机场规模不断扩大，在滑行道下常常有其它设施横向穿越。比如：下穿行李通道、下穿捷运隧道等。在上海软土地层中，横向穿越的地下设施与滑行道之间将产生较大的差异沉降。设计通过设置水泥土搅拌桩复合地基过渡段协调差异沉降。但由于复合地基沉降分析困难，常常凭经验设定不同的桩长、置换率来形成过渡段，沉降控制效果更多的是依靠工程经验进行定性判断，难以准确设计合适的过渡段，以达到控制差异沉降要求。

水泥土搅拌桩复合地基沉降计算，一般需要确定复合地基的压缩模量，按桩身强度取值的压缩模量取值范围大，沉降量随取值变化，取值的经验性强。复合地基的下卧层沉降按实体深基础计算，没有考虑水泥土搅拌桩的影响，与实际差异也较大。由于复合地基沉降作用机理和参数取值的误差，导致复合地基沉降计算误差大，难以准确分析过渡段的沉降，也难以准确协调下穿通道与滑行道之间的差异沉降。

本文对水泥土搅拌桩复合地基的沉降计算方法进行了探讨，并提出差异沉降变形协调的分析方法和设计原则。

1 控制标准

滑行道工后沉降（按30 a计）及工后差异沉降指标，按表1控制。

表1 工后运行期容许的沉降和差异沉降[1]

2 沉降分析

2.1 建设过程

机场滑行道建设的主要过程：原状地坪——先清除局部明（暗）浜底部的淤泥，回填砂层或填土——经不少于8个月的堆载（10 m高）预压（达到沉降速率连续5 d小于0.5 mm/d）——卸载——进行浅层冲击碾压处理（真空降水3~6 m+50 cm厚山皮石垫层+冲击碾压）——道面结构施工（42 cm厚水泥混凝土板+20 cm厚水泥碎石上基层+20 cm厚水泥碎石下基层）——滑行道竣工——运营。

滑行道建设过程荷载变化见图1。

下穿通道施工在滑行道冲碾处理后，道面结构施工前进行。

下穿通道建设的主要过程：围护施工（含止水帷幕、坑内加固）—坑内降水、边开挖边支撑至坑底—浇筑下穿通道结构（含拆撑）—覆土—浅层冲击碾压处理—道面结构施工。

过渡段水泥土搅拌桩复合地基处理施工在下穿通道围护施工前进行。

2.2 下穿通道、过渡段、滑行道的沉降

2.2.1 下穿通道

下穿通道的沉降，一般包括通道下方地基基础的沉降、通道钢筋混凝土结构在荷载作用下的变形以及通道顶覆土的沉降。其中，钢筋混凝土的下穿通道结构和通道顶覆土的变形量很小。

飞机主起落架的矩形均布荷载作用在下穿通道结构上，相当于作用在箱型基础上。地基平面上附加压力的作用面积比滑行道大幅度增加，使得作用在下穿通道底部地基上的附加压力值大幅度减少，因此，下穿通道沉降比滑行道小。

道面层静载作用引起的沉降，一般历时较长，大部分发生在竣工投运期间。下穿通道处的沉降主要由道面层静载和飞机移动荷载两部分作用组成。

2.2.2 过渡段

在上海软土地基中，过渡段采用水泥土搅拌桩复合地基处理。过渡段内分段设计不同的桩长、桩径、桩距，形成梯度变化的沉降等值区，逐步适应从下穿通道至滑行道之间的差异沉降。

复合地基的沉降，包括复合地基加固区的沉降和加固区以下的未加固区的沉降。复合地基是桩、土共同承载，复合地基段由飞机荷载形成的附加压力的值和面积，与滑行道相同。由于复合地基中的水泥土搅拌桩桩侧摩阻力分担荷载，复合地基中土分担的荷载相应减少。因此，复合地基的沉降量比滑行道更小。

过渡段沉降由道面层静载和飞机移动荷载两部分作用组成。

2.2.3 滑行道

考虑到场地经堆载预压和浅层冲碾处理，滑行道（包括过渡段、下穿通道）地基大部分主固结沉降在施工结束后，已基本发生。道面层结构静荷载作用引起的沉降，在滑行道竣工投运后较长一段时间内仍在发生过程中，滑行道投运后还有飞机移动荷载的作用，因此，滑行道工后沉降控制，主要是道面结构静荷载和飞机移动荷载的影响。

滑行道横断面及飞机荷载见图2。滑行道沉降变化过程[2]见图3。

滑行道、过渡段、下穿通道的飞机移动荷载对沉降的作用效应可以用拟静力模拟，一般考虑拟静力值为移动荷载值的4~5倍[3]。

图2 滑行道横断面及飞机荷载示意图

图3 滑行道沉降变化过程

3 水泥土搅拌桩复合地基的沉降计算

搅拌桩复合地基中的水泥土搅拌桩，与复合地基中的桩间土分担附加压力，属于半刚性桩。搅拌桩有刚性桩受荷载后沉降的“压力—沉降”特征、有柔性桩的桩身强度低和压缩量大的特点、以及桩身受摩阻力的范围受桩身强度的限制。在沉降控制设计中，当搅拌桩长度较长时，存在“有效”桩长的特点，即桩身上部达到摩阻力极限，桩身下部无摩阻力，这时的桩身强度与桩身摩阻力极限值达到平衡，“有效”桩长由以下等式[4]确定：

水泥土搅拌桩复合地基的沉降量S，可分为两部分：搅拌桩加固区压缩变形S1及搅拌桩加固区以下未加固区压缩变形S2。即：

水泥土搅拌桩复合地基沉降计算分段情况，见图4。

图4 水泥土搅拌桩复合地基沉降计算示意

其中P=Rz+P0

其中：Qi为 第i根桩的荷载值，kN；S1为复合地基层范围内的沉降,mm；S2为复合地基层以下范围的沉降,mm；σC为自重应力线,kPa；σS为由道面层底桩间土承担的荷载P0产生的附加应力曲线,kPa；σZ为由道面层底水泥土搅拌桩承担的荷载ΣQi，在桩端以下土层中产生的附加应力曲线,kPa；σZH,σSH，σCH为 在距道面底 H 处水平面的 σZ，σS，σC，kPa；H 为压缩层厚度,m，满足：σZH+σSH=0.1σCH。

3.1 搅拌桩加固区压缩变形S1

S1的计算方法有：复合模量法、应力修正法、桩身压缩量法[5]。

按应力修正法，考虑到压缩模量取值范围大的困难，注意到搅拌桩与桩间土同步压缩变形的条件和搅拌桩的“压力—沉降”特征，以确定桩--土的附加压力分配，来分析复合地基的沉降。

复合地基中的水泥土搅拌桩，在道面层结构沉降时，与桩间土共同承载沉降，这时桩间土压缩变形与桩顶变形一致。桩顶受压后，搅拌桩体存在刺入变形和桩身压缩。

按照搅拌桩的“压力—沉降”（P-S）曲线规律，在发生一定量的沉降后，搅拌桩达到极限承载力标准值。在荷载增量的继续沉降中，桩的极限承载力不再增加，但桩的沉降量快速增大并继续随桩间土的压缩而沉降。利用搅拌桩与桩间土同步压缩沉降的特点，水泥土搅拌桩承担的附加压力可按下式计算[4]：

式中：Pu为单桩极限承载力标准值，kN；fcu为试块立方体抗压强度标准值，kPa；Ap为桩截面积，m2；η为桩身强度折减系数；Up为桩身截面周长，m；fsi为桩周第层土的平均极限摩阻力标准值，kPa；li为桩周第层土的厚度，m。在桩身强度与桩周极限摩阻力达到平衡时，存在桩长L=L1+L2，其中L1=∑li。

搅拌桩承担的附加压力按以上公式计算极限承载力标准值，并取较小值。复合地基中的桩间土承担其余附加压力。

因为桩间土的压缩变形与桩体变形一致，可通过计算桩间土的压缩变形，作为加固区的变形，即：S1。

桩间土的压缩变形，采用布辛奈斯克（Boussinesq）解，按角点法计算矩形荷载作用下加固区中某点的附加应力，按分层总和法计算S1。

加固区压缩变形S1，按以下公式计算[6]：

式中：S1为 地基最终变形量，mm；为按分层总和法计算出的地基变形量,mm；ψs为沉降计算经验系数；n为地基变形计算深度范围内所划分的土层数；P0为对应于荷载效应准永久组合时的基础底面处的附加压力，kPa；Esi为基础底面下第层土的压缩模量，MPa；Zi，Zi-1基础底面至第 i层土，第 i-1层土底面的距离,m为基础底面计算点至第i层土，第i-1层土底面范围内平均附加应力系数。

3.2 搅拌桩加固区下未加固区压缩变形S2

S2的计算方法有应力扩散法、等效实体法和Mindlin-Geddes法[5]。其中的 Mindlin-Geddes法，假定的条件与滑行道沉降计算方法一致，均按弹性力学的半无限空间弹性体经典解作为基础。因此，本文采用Mindlin-Geddes法，但附加压力的分配方法按前述。

复合地基中，水泥土搅拌桩分担的附加压力对未加固区形成的附加应力分布，按Mindlin解求出，记为[σ]p，搅拌桩桩间土分担的荷载对未加固区形成的附加应力分布，记为[σ]s，搅拌桩桩侧摩擦力和桩间土竖向附加压力对未加固区作用的附加应力叠加后，未加固区的总附加应力[σ]z=[σ]p+[σ]s。即可按分层总和法计算S2。

搅拌桩分担的附加压力引起的桩侧摩擦力按矩形分布,并注意到桩侧摩擦力分布只在临界有效桩长（L1）范围内。

式中：ψp为桩基沉降计算经验系数；IP1,K为第k根桩的沿桩身均布侧摩阻力作用的应力影响系数[7],用对明德林应力公式进行积分的方式推导得出；[σ]sji为桩端平面下，第j层土第i个分层的由桩间土荷载作用引起的竖向附加应力,kPa。

4 过渡段设计方法和原则

4.1 过渡段设计方法

用水泥土搅拌桩复合地基过渡段,协调下穿通道与滑行道间的沉降差，首先要分析沉降差值。下穿通道与滑行道之间的沉降量差值越小，在同样长度的过渡段内，越易达到差异沉降（坡率）的要求。因此，减少滑行道的沉降量和避免下穿通道沉降过小，对控制差异沉降有利。

过渡段长度可按下式计：

式中：Δ1为滑行道沉降量,m；Δ2为下穿通道沉降量,m；B0为过渡段长度 m；1.5‰为滑行道允许沉降差控制值。

过渡段内部水泥土搅拌桩复合地基的置换率不变时，桩长按不同沉降量的要求，近滑行道的搅拌桩桩长最短，依次增长至下穿通道，近下穿通道的搅拌桩最长。为适应搅拌桩施工，自滑行道至下穿通道，搅拌桩的桩长一般按阶梯形布置。相同桩长复合地基，可取10 m一小段。

相邻的两种桩长复合地基小段的中点沉降差，按下式计：

式中：δi为i小段搅拌桩复合地基的沉降量,m；δi-1为 i-1小段搅拌桩复合地基的沉降量,m；b0为 相邻两小段的中心距（可取10 m计）；

过渡段宽度按大于等于滑行道宽度考虑。

过渡段设计过程如下：

（1）计算滑行道、下穿通道的沉降量、沉降差，并根据滑行道与下穿通道间的允许沉降差控制值，计算过渡段长度；

（2）依据滑行道、下穿通道的沉降量，将过渡段细分若干小段，对各小段依次初定沉降量和相邻段的沉降差；

（3）通过调整复合地基中搅拌桩的桩长、桩径、桩距，反复试算过渡段中各小段的沉降量，直至全部满足各相邻段之间，以及过渡段与滑行道、下穿通道间允许沉降差（坡率）控制要求；

4.2 过渡段设计原则

（1）适当提高桩身强度，避免水泥土搅拌桩桩身在桩受荷达到极限承载力前破坏；

（2）复合地基置换率不小于12%；

（3）水泥土搅拌桩桩长大于有效桩长时，复合地基下卧层沉降由搅拌桩桩身摩擦力产生的附加应力，从实际桩端起计；

（4）下穿通道在滑行道范围内钢筋混凝土箱型结构应连续，应在滑行道两侧设变形缝。

5 结论

（1）根据水泥土搅拌桩复合地基的桩-土共同受力、沉降和搅拌桩的压力—变形（P-S）曲线的特点，复合地基沉降可按附加压力分配法计算；

（2）复合地基中的水泥土搅拌桩桩周极限摩阻力标准值，产生的桩底以下土体中的附加应力，应按明德林-盖茨（Mindlin-Geddes）求解；复合地基中的桩间土附加压力产生的土体中的附加应力，应按布辛奈斯克（Boussinesq）解求得；

（3）根据沉降差（坡率）控制标准，可确定过渡段长度及过渡段内部各小段的沉降控制值，从而确定复合地基加固中搅拌桩的桩长、桩径、桩距等设计数据，进行过渡段设计；

（4）应采取措施，尽量减小滑行道与下穿通道之间的差异沉降量。