黄河下游某机场膨胀土力学性质研究及处理方案

徐凤琳

(济宁市勘测院,山东 济宁 272000)

1 概述

膨胀土病害问题一直困扰着世界范围内的建筑工程,尽管经过多年努力,国内外的专家学者仍未能找到合适的方法予以解决,这个问题甚至被称之为岩土工程界的“癌症”。这种材料在工程上表现出了渗透性差、吸水后膨胀、失水收缩多且容易出现裂隙等不利特性。灾难造成了全球150亿美元以上的经济损失,可悲的是,我国成为了其中受灾最为严重的国家之一。膨胀土的主要黏土矿物有蒙脱石、伊利石和高岭石等,但是其胀缩性主要源于亲水性的黏土矿物——蒙脱石和伊利石。这两者有着非常大的比表面和阳离子交换量,在与水接触时会吸收水分,导致其间粒子膨胀和矿物晶体的膨胀。工程建筑对环境造成的破坏是非常不容忽视的,因而修复起来也毫不容易。膨胀土地区的土质和建筑物常常具有标志性特征:土壤出现明显的裂隙,有光滑的面和擦痕,而且一些裂隙中充满了多彩的黏土,这些特征在自然条件下呈现出坚硬或者硬塑的状态。多层建筑物经常会因为各种原因而裂成“倒八字”形或“X”形裂缝,这样的情况经常出现。气候变化导致的开放和封闭裂缝道路的连续裂缝,常随天气变化而不可避免地泛滥开来,犹如潮涨潮落,一波一波地侵蚀着道路表面。

膨胀土在我国广为分布,遍及广西、云南、河南、湖北、四川、陕西、河北、安徽、江苏等多个地区,其分布范围之广可谓是惊人之举。因为工程建设的缘故,膨胀土所引发的经济、资源的巨大损失、生态环境的恶化和水土的流失问题非常严重,从而引起了岩土工程界的广泛关注。随着中国现代化的发展,出行频率越来越多,出行方式越来越多元化,飞机出行能大大节省出行时间,几年来需求量越来越大,机场建设势在必行。机场跑道飞机起降及滑行的构筑物,由于飞机在起落、滑行阶段速度较快,需要机场跑道具有一定强度、刚度及平整度。膨胀土是一种在形貌上及工程地质性质具有特殊性的土,由于对工程建筑产生的严重破坏,引起人们重视。膨胀土对跑道地基破坏主要有两个方面[1]:1)基底悬空,从而造成跑道断裂;2)造成跑道起伏不平。这两种破坏是飞机航行不允许的,需对膨胀土进行处理。

前期工程地质调绘,对于查明场区附近的地貌及地质条件,对于稳定性及适宜性评价具有很重要的意义,由于膨胀土等特殊性土的形成,需要特定的地质条件,通过对于前期地质条件初判,进行专门工程地质调查,不仅能大大节省资金,也能使研究更有针对性,为机场选址提供一手资料。通过对膨胀土工程特性研究,提供处理建议,为机场建设提供技术支撑。

2 工程地质调查

2.1 地形地貌

该场地总体为河流洪积山前平原地貌类型。以山麓斜坡堆积为主,场区内分布三条河流,分别位于场区西侧、场区中部及场区东侧,存在山前平原及河流二级阶段等地形地貌。

2.2 气候、水文条件

研究区为暖温带半湿润季风区,大陆性气候,四季分明。近十年常年平均气温14.0 ℃,最高38.7 ℃、最低气温-15.4 ℃,最热为7月,平均26.9 ℃;年平均降水量757.6 mm,年最大897.2 mm,最小降水量508.3 mm,降水主要集中在7月—8月。可见存在干湿交替情况,大气影响深度4.60 m,大气影响急剧层深度2.07 m。

研究区地表水系主要有3条。河流1位于勘察区以西约800 m处,呈北西向和北东向的弧形延伸。河道总宽度90 m,河床宽度26 m。河底高程45.00 m左右,二滩高程48.20 m左右,两岸河堤高程50.80 m左右。目前河道没水。河流2位于勘察区东南约300 m处,呈北东向延伸。河道总宽度140 m,河床宽度60 m。河底高程45.00 m左右,二滩高程48.50 m～49.50 m,两岸河堤高程52.00 m左右。目前河道没水,河流3位于勘察区中部,呈南北向延伸。河道总宽度60 m～70 m,河床宽度15 m左右。河底高程45.00 m～46.50 m,二滩高程47.50 m～48.50 m。目前,河道西岸河堤已不复存在,河道东岸河堤少量残留,堤顶高程48.80 m～49.60 m。目前河道没水。

研究区地下水以第四系松散层孔隙水为主。场区地下水的补给途径主要为大气降水以及地表水体的侧向补给,排泄途径主要为人工抽水、地表蒸发和地下径流。该区地下水年变化幅度大约2 m～5 m。一般每年的3月—5月份地下水位降至最低,6月—9月份升至最高,10月—2月份相对平稳。该区近3年—5年最高水位埋深约6.00 m。地下水历史最高水位埋深约4.00 m,对应标高为44.00 m。

2.3 调查结果

从地形地貌及判断气候、水文条件存在膨胀土可能性较大,开展工程地质调查是必要的。通过调查场区内存在倒八字形裂缝及地面裂缝情况,图1是场区某3层建筑物出现裂缝的例子。根据建筑物岩土工程勘察报告及结构设计文件,该建筑物地基土层为:0 m～2.0 m粉土夹粉质黏土,2.0 m～4.5 m黏土(即膨胀土),4.5 m以下为粉质黏土,与机场跑道地层连续一致;建筑采用了天然地基,对膨胀土未作工程处理。现在建筑的内墙、外墙,门、窗上下,均产生了多处“倒八字”形,“X形”和其他形状的裂缝。

图2是场区西部水泥路面出现的裂缝。根据观察,同样一条水泥路面,地表黏土发育的路段,裂缝就发育,地表黏土不发育的路段,裂缝不发育。进一步证明了该区黏土具膨胀性,且破坏性强。

3 膨胀土特性研究

3.1 膨胀土分布

已有的钻孔资料显示,场区内近地表膨胀土比较发育。膨胀土主要分布在场地东部和西部,中间局部地段以砂土为主。膨胀土主要岩性为黏土。一般发育有夹层,夹层以粉质黏土和粉土为主,局部为中细砂。膨胀土厚度1.0 m～4.0 m不等,平均2.3 m。膨胀土埋深一般3.5 m～5.0 m,平均4.2 m。

3.2 取样及试验方法

根据机场跑道位置,在跑道自东向西均匀布置5个区钻孔,进行了现场取样,在5个工程地点每个钻孔取3个原状土样,共15件,进行常规物理力学试验,根据GB/T 50123土工试验方法标准[2]进行室内土工试验。

3.3 膨胀土工程性指标

统计时,对异常数据进行取舍,范围值采用舍弃后的最大值、最小值。各指标的标准值按不利组合考虑。当该组合无意义时,则空缺,如统计个数不足6个,只提供统计平均值。异常值按95%置信水平剔除,最后提供的数据包括参与统计样本数、最大值、最小值、平均值、标准差、变异系数、标准值。根据《岩土工程勘察规范》14章相应统计公式[3],统计计算公式如下:

φk=γs.φm。

其中,rs为统计修正系数;σf为标准差;n为参加统计数据个数;φm为岩土参数的平均值;φk为岩土参数的标准值。

利用华宁17.5软件对室内土工试验数据进行统计(见表1)。

跑道区域内膨胀土水的质量分数均在20%～40%之间,由于运输及保养阶段有水分流失,其自然状态下含水率应该更高;孔隙比一般为0.950,孔隙比偏高,土中具有较多裂隙,具有一定的结构性;从液限、塑限、塑性指数及液性指数数据来看,属硬塑高液限黏土,符合膨胀土物理特征,侧面反映其膨胀性;土体黏聚力57.8 kPa,内摩擦角16.5°,属中压缩性土;膨胀土的自由膨胀率(δef)一般40%～72%,平均55%,以弱膨胀潜势为主,少量样品达到中等膨胀潜势。50 kPa压力下的膨胀率(δe50)0.3%～0.8%,平均0.5%。收缩系数(λs)0.32～0.46,平均0.40。膨胀力(Pe)17 kPa～22 kPa,平均19 kPa。

表1 机场跑道膨胀土物理力学指标

3.4 膨胀土变形量计算

按照GB 50112—2013膨胀土地区建筑技术规范相关条款和计算公式:

地基土的膨胀变形量:

Se=ψe∑δepi·hi。

地基土的收缩变形量:

Ss=ψs∑λsiΔwi·hi。

地基土的胀缩变形量:

S=ψ∑(δepi+λsi·Δwi)hi。

其中,ψe为计算膨胀变形量的经验系数,采用0.6;ψs为计算收缩变形量的经验系数,采用0.8;ψ为计算胀缩变形量的经验系数,取0.7;ψw为土的湿度系数,采用0.64;da为大气影响深度,取4.60 m。

选择5个计算点,对各点的分级变形量进行计算,结果见表2。

表2 膨胀土分级变形量计算结果表

根据以上计算结果,判定该区膨胀土胀缩等级为Ⅰ级—Ⅱ级。

4 机场膨胀土处理措施

消除或减轻跑道基础下膨胀土的胀缩变形量,保证跑道正常适用,是处理机场工程膨胀土的主要原则。如:安徽合肥新桥机场、湖北宜昌机场及武汉机场等机场建设中都遵循这个原则。

工程中膨胀土处理手段及适用条件主要有[4-8]:1)换土法:采用非膨胀土进行置换,并采取排水、隔水措施,能从根本上消除膨胀土危害。2)垫层法:用于膨胀土层较薄的情况,采用部分换填方式,主要作用减少胀缩变形量及调节不均匀沉降。3)湿度控制法:通过控制土体中含水量,达到控制变形的目的,此方法适用范围较小。4)压实度控制法:通过机械压实,提高膨胀土密实度及承载力,该法应用范围有限,只针对弱膨胀土,改善变形能力有限。5)土质改良法:采用其他材料与膨胀土进行融合,改善膨胀土工程性质。常用改良方法:物理改良法、化学改良法与综合改良法。其中物理改良法,采用非膨胀性材料与膨胀土进行掺和,从而减弱其膨胀性,这也导致其适用范围有限,不能根本上消除膨胀性;化学改良法,采用添加材料,如石灰、水泥、有机与无机化学浆液等,使膨胀土进行化学反应,能从根本上消除其膨胀性;综合改良法:是前两种方法结合,形成有效互补,在工程界应用越来越多,应用较多材料有:二灰土、石灰砂粒料与矿渣复合料等。6)土工合成材料加固法:在路基中应用广泛,通过土工材料对水起到隔离防渗的效果,进而控制膨胀土变形量,其优点是施工方便、环保,缺点是后期维修较复杂。

本次研究机场跑道胀缩等级为Ⅰ级—Ⅱ级,由于飞机跑道较长,范围较大,且对变形控制较为严格,垫层法、湿度控制法、压实度控制法及土工合成材料加固法由于适用范围及后期维修等因素不适用作为飞机跑道膨胀土处理手段,建议采用换填法及土质改良法(化学改良法及综合改良法)。采用化学改良法及综合改良法时,应该以试验为手段分析研究并掌握化学掺料改良膨胀土效果,以确定合适用料比例。

5 结论

1)因膨胀土的形成具有特定的地形地貌及水文气候条件,且对建筑物破坏具有一定辨识特征,开展工程地质调查是必要的。2)本区膨胀土孔隙比偏高,属硬塑高液限黏土,以弱膨胀潜势为主,少量样品达到中等膨胀潜势。3)跑道区域膨胀土胀缩等级为Ⅰ级—Ⅱ级,建议采用换填法及土质改良法(化学改良法及综合改良法)。