换填垫层法在机场湿陷性软土地基处理中的应用

张炳福

摘要：黄土地区机场建设工程存在湿陷性软土地基问题，本文以太原机场机坪扩容工程为例，采用“换填垫层配合冲击碾压”的方法处理场区软土地基，通过分析地基承载力、固体体积率、反应模量等数据来控制地基处理的相关施工参数。评估结果表明，采用换填垫层法可以有效治理软土地基的湿陷性。

关键词：湿陷性软土;换填垫层法;固体体积率;反应模量;地基承载力

Abstract： In this paper， taking the expansion project of Taiyuan Airport Apron as an example， the soft soil foundation in the field area is treated by the method of "replacement cushion and impact rolling"， the related construction parameters of foundation treatment are controlled by analyzing the data of foundation bearing capacity， solid volume ratio and reaction modulus. The evaluation results show that the replacement cushion method can effectively control the collapsibility of soft soil foundation.

1  工程概況

太原国际机场地处山西中部，是国内大型的“千万级”机场，同时也是首都的主备降机场，自2008年二期改扩建以来，航班量以每年10%攀升，现有机坪已无法满足运行需要，新建机坪迫在眉睫。在机坪扩容项目前期现场实地勘察和室内土样试验结果表明，地基土可按深度自上而下分为4层：第①层为填土，主要为杂填土和素填土，其中素填土稍湿密;第②层为粉质黏土，呈粉土和粉质粘土互层的状态，压缩性和干强度都属于中等;第③层为粉土，主要由黄土状粉土和粉土组成，韧性较低，具备中等压缩性，但干强度较低;第④层则为粉质粘土，土样饱和度高，有良好的可塑性。

勘察结果显示，场地内地基整体可判定为湿陷性黄土地基，地基土力学性能基本稳定，但由于附近村庄长期将生活污水排放在施工场地旁废弃田地内，使得施工区域的地下水位在近年来迅速上升，实地勘测地下水埋深在自然地面以下1.5～3.5m之间，使得场地内天然软土地基湿陷性进一步恶化，处理不当，极易导致机场地基沉陷，严重影响机场使用安全。

2  地基处理方案

目前针对湿陷性黄土这类典型的软土地基，国内机场常用的地基处理方法有搅拌桩法、碎石挤密桩法、真空预压法、塑料排水板堆载预压法及强夯法等。珠海通用机场航站区采用“搅拌桩联合排水板”的方法处理施工区域软土地基[1];上海浦东国际机场新建跑道工程采用“真空预压法处理浅层地基、塑料排水板堆载预压法处理深层地基”的综合治理办法，明显治理了道面的裂缝、错台等问题[2]。处理后通过对地下水位上升前后土基的物理力学指标进行研究，研究了地下水位上升对软土地基承载力的影响[3]。

本工程道面结构层厚度小于5m，地基处理按深度可以定义为浅基础处理，处理方案要求在保证质量的前提下尽量缩短工期，以方便后续工序的高效运行，因此拟采用换填垫层法与冲击碾压法相结合的方案，垫层材料为粒径不大于60cm的级配片石，要求不均匀系数Cu≥5，曲率系数Cc=1～3，石料抗压不小于2.0MPa，同时冲击碾压法拥有重击和强夯的双重效果，且击实能较小，可以有效防止对附近旧道面的地基扰动。

换填垫层法中换填厚度通过现场试验来确定，在地基处理方案实施前，设置三个试验区，其中试验一区为水稳底下挖1.0m，面积为700m2;试验二区为水稳底下挖1.2m，面积为570m2;试验三区为水稳底下挖1.5m，面积为570m2。在各试验小区下挖到设计标高后将级配合理的片石按照各个试验区的换填厚度分层填筑并压实，之后利用冲击压路机将三个试验区换填后的地基冲击碾压20～25遍。

现场碾压完成后，对试验区内地基分别采用灌水法、平板载荷实验、静载试验等方法来测定各试验区地基土的固体体积率、基层顶面反应模量、地基承载力，每个试验区设置1个固体体积率测点、3个土基反应模量测点和2个地基承载力测点。

测得土基反应模量k0后，根据民航机场规范中基层顶面反应模量经验曲线，利用土基反应模量k0和基层当量厚度值hje，反演得到基层顶面反应模量kj值，其中基层当量厚度hje可以用下式计算：

式中：hi—各基层材料的厚度，在本工程中从上到下分别为水泥混凝土层厚度与水泥稳定碎石层厚度，片石层厚度由当前试验区换填厚度决定;

？啄i—各基层材料对应的当量系数，查《民用机场水泥混凝土道面设计规范》（MH/T5004-2010）可得水泥混凝土当量系数取1.9，水泥稳定碎石当量系数取1.4，片石的当量系数取0.7。

最终将各试验区灌水法、平板载荷实验、静载实验的实验数据收集起来，分析后，最终的目标数据结果如表1所示。

根据《民用机场水泥混凝土道面设计规范》（MH/T5004-2010）的相关要求，二类E级飞行区的基层顶面反应模量应大于等于80MN/m3，结果显示三种换填厚度下基层顶面反应模量均符合规范要求;但通过固体体积率试验数据分析，发现换填厚度为1.0m的试验区固体体积率为79.2%，不符合设计中固体体积率应大于83%的要求，而换填厚度为1.2m、1.5m的试验区则符合设计要求。但考虑到现场施工进度和费用，换填厚度越小工期越短费用越低，因此确定换填厚度为1.2m的施工方案。

3  处治效果评估

为准确评估地基处理的处治效果，在地基处理完成后对三个试验区进行工后自然沉降观测，用以研究分析软土地基湿陷性的改良程度。

本工程在地基处理结束后，在每个试验区各设置有2个沉降观测点，按照每个测点每天一次的频次进行沉降观测，整个过程一共持续8天。

观测期结束后，汇总各个测点的观测数据，得出沉降观测结果，如表2所示。

从表2沉降数据，可以看出：

①三個试验区经过换填垫层法和冲击碾压法处理后，后期地基沉降值基本稳定，并在第7天左右达到最大值;②地基沉降量在2～4mm之间，其中试验一区的平均沉降值为4mm，试验二区为3.5mm、试验三区为2.5mm，结合各试验区的换填厚度，可以看出，换填厚度与工后自然沉降值基本成反比关系;③各试验区的最终自然沉降值均小于机坪扩容项目的设计要求及民航规范值，即低于5mm，符合机场建设要求。

通过分析高程与时间变化趋势，可以看出：

①三个试验区经过地基处理后的起始观测高程与换填深度成正比关系，可见换填厚度越深，土质淤泥化越严重，冲击碾压产生的沉降越大;

②试验二区、三区的观测点在第6天即达到最大沉降值，而试验一区的观测点在第7天才达到最大沉降值，可见试验一区消除湿陷性的处理效果略微弱于试验二区和三区。

根据新建机坪建成以后道面状况发现：本工程自2019年11月通过行业验收以来，已平稳运行7个月，机坪的航空器日滑入、推出架次达到20架次，冬季经历过1次大型降雪，2次中型降雪，自进入雨季以来，强度超过中等的降雨超过10次，道面状况保持良好，换填垫层处理扩建机坪软土湿陷性效果良好。

4  结论

目前，太原机场机坪扩容项目已顺利完成，机坪也投入运行了一段时间，综合看来，道面结构的整体性较好，抗压强度和耐久性表现均十分优异。故结合工程项目实践，得出以下结论：

①换填垫层法和冲击碾压法相配合的治理方式可以有效处置北方机场浅层软土地基，其中换填垫层法可以提高地基承载力和稳定性，冲击碾压法可以加快地基的固结沉降，降低软土地基的湿陷性;

②换填垫层法的换填厚度可以通过测定不同开挖厚度下各试验区的固体体积率、基层顶面反应模量、地基承载力，对比分析民航设计规范和项目设计要求，从而达到定量控制施工参数的目的;

③采用工后自然沉降观测的方法，结合道面完成后实际运行情况，可以有效评估换填垫层法地基处理的处治效果。

参考文献：

[1]刘希成，刘纯.搅拌桩联合排水板复合地基在机场软基处理中的应用[J].国防交通与技术，2019，17（01）：61-65.

[2]张海洋.上海浦东国际机场软土地基处理技术[J].市政技术，2018，3（36）：187-190.

[3]丘宏.地下水位对某场地地基土承载力的影响[J].华东地质学院学报，2002，25（3）：240-243.