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膨胀土地区机场跑道地基处理技术

发表时间：2021/5/17 来源：《基层建设》2021年第2期作者：冉孟文1 王瑞2

[导读] 摘要：本文从膨胀土的概念、变形规律以及附加应力等方面，分析了膨胀土地基处理常用方法。

        1西部机场集团建设工程（西安）有限公司陕西西安 710075；
        2西部通用机场有限公司陕西西安 710075
        摘要：本文从膨胀土的概念、变形规律以及附加应力等方面，分析了膨胀土地基处理常用方法。为有效提升膨胀土地区机场跑道地基的稳固性，本文重点介绍了桩网复合地基法，此方法的应用不仅可有效提升地基稳固性，同时也有效解决了膨胀土地区机场跑道地基处理问题。
        关键词：膨胀土地区；机场跑道；地基处理技术
        1.膨胀土概述
        1.1膨胀土的概念
        膨胀土主要是由亲水性较强的蒙脱石及伊利石的粘土矿物构成，所以，其具有极为明显的吸水膨胀脱水收缩性能。相关试验表明，膨胀土也具有明显的裂缝性及崩解性，其塑性相对较高，正因为其性能不稳定，所以，项目建设过程中，危险系数较高。本文结合国内某机场的实际施工案例，重点探究、分析了膨胀土的特点及改进方法。
        1.2膨胀土的变形规律
        1.2.1膨胀土的物理性质
        粘土矿物的种类及其含量均会在一定程度上影响膨胀土的膨胀特性，使用X射线衍射对膨胀土进行定量、差热分析发现，膨胀土主要由蒙脱石、水云母、凹凸棒石、绿泥石以及高岭石等矿物成分构成。通常情况下，膨胀土的类别及性质都是根据塑性指数及粒子含量小于2um的百分含量制作而成的威廉姆斯图来判断，由此图及自由膨胀率和无载荷下的线膨胀率可知，文中所列举机场施工现场的土质为中等膨胀性；由其颗粒含量及塑性分类图可知，该地区膨胀土的膨胀性较弱。
        1.2.2变形实验
        膨胀土变形实验应选用轻便固结仪器进行。选样过程中，也应选择含水量不同、干密度不同及膨胀过程中所受压力不同的膨胀土，所选膨胀土的初始含水量分别为17%、21%、25%，击实干密度分别为1.53g/cm3、1.63g/cm3，受压状况分别为10kPa、30kPa、50kPa。实验初期就应给膨胀土加上压力，为有效避免钢环与土样摩擦而导致土样出现不均衡变形问题，试验前就应在钢环及土样之间涂抹少量黄油。变形试验结束后还应进一步分析实验结果。结果表明：干密度对膨胀变形影响较大，干密度越大变形量就越小；而膨胀土样的初始含水量则会直接影响膨胀变形的初始速率；而压力则可抑制水的浸入，进而有效控制变形量。
        2.机场跑道的附加应力
        机场跑道的附加应力主要来源于填土量、跑道结构的重量以及飞机所承受的载荷。
        2.1填土量及结构面的重量
        填土量及跑道结构面的重量属于恒定的超大面积载荷，填土量及跑道结构给地基所增加的附加应力不会随着地基深度的增加而消减。但填土量与所填土方的高度却有着密切关系，国内机场土方的填充高度一般都在几十米乃至百米。跑道结构面的重量与跑道的结构类型及厚度密切相关。
        2.2飞机荷载
        飞机的荷载会随着机场的实时情况而不断变化，同时，飞机型号不同其附加应力也会不同，通常情况下，其附加应力都在5kPa～60kPa之间。而附加应力的作用会随着深度的增加而逐渐降低，当深度在5m左右时，其附加应力就会降低至10kPa内。
        2.3载荷组合
        回填过程中，当土方填充高度高于5m时，荷载就会随着飞机荷载深度的减小而迅速缩减，此时地基所受应力主要来源于填土量及跑道的结构面。挖方所受压力主要源于飞机载荷及跑道结构面，飞机荷载主要影响的是浅层地面，土方填充量低于5m时，地基荷载主要由飞机、填土量以及跑道结构面三方载荷组合而成。
        3.膨胀土地基处理技术
        现阶段，膨胀土地区地基处理常用方法主要包括：
        （1）置换法。

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使用此方法时，需根据膨胀土膨胀度的强弱及当地的气候特点确定换土深度，通常来讲，换土深度应大于受降水影响而导致土壤含水量急速变化的深度。置换法是膨胀土地基处理中最为简洁、最有效的方法。
        （2）土质改良法。该方法指的是在膨胀土中添加非膨胀固体材料（如：石灰、水泥等）或添加可降低膨胀土膨胀性的化学剂，以此来降低膨胀土的胀缩能力，以改善工程特性。
        （3）湿度控制法。此方法则是通过控制膨胀土的水分含量，以有效抑制地基胀缩变形。通常情况下，当地基中水分被蒸发或者受到雨水侵袭时，地基就会出现胀缩变形问题。当前常用的湿度控制法主要包含预浸水法、暗沟保湿法、帷幕保湿法、全封闭法等。
        （4）桩基处理法。当膨胀土地区土层较厚时，则会选用桩基处理法。现阶段常用的桩基处理法主要包含灰土挤密桩、水泥土搅拌桩、PHC桩、CFG桩以及高压旋喷桩和碎石桩等。
        4.桩网复合地基的特点
        桩网复合地基在三方复合荷载中应用效果较好。
        4.1桩网复合地基的受力原理
        桩网复合地基的受力状况相对较为复杂，同时其抗压强度及刚度也远远高于地基土壤，这是桩中土壤上部沉降大于桩帽上部沉降的主要原因，而且两者之间还存在相对位移。所以，沉降、变形过程中，桩及中桩的土壤将通过剪应力法将自重带来的一些载荷转移至桩帽上，这将会在一定程度上降低桩之间土壤的应力，增加桩的荷载，而导致土拱效应。若路堤的高度小于桩帽间的距离，此时剪应力的剪切面将会延伸至整个路堤中，就不会形成土拱，桩土中产生的相对位移也将会直接传递至路堤表面，这将会导致路面出现差异沉降问题。若路堤的高度大于桩帽间的距离，路堤中就会出现土拱，此时相对位移将会被限制在沉降面下，这样跑道表面就不会出现差异沉降问题。
        4.2桩网沉降地基的力层维持
        桩网复合地基的沉降模式包含桩顶上方的刺入变形以及桩一端刺入变形两种。但由于加筋层的存在，而显得桩顶上方的刺入变形量较小，所以说复合地基的沉降效果是由持力层决定的。而桩一端所受承载力越小，其中性点深度就越深。中性点的上方通常都属于受阻力区，起到承载作用的桩则为中性点至桩一端的部分，所以，当持力层的承载力较小时，桩的长度反而会越长，这是为了保证桩的承载力能够承受飞机的荷载。若受其他因素影响，而导致桩的长度不能太长的话，则可适当降低桩之间的间距以降低土拱载荷。为确保施工结束后，跑道的沉降值在要求范围内，则必须保证桩端的持力层具有良好的承载力，确保其承载力可在桩长范围内进入到硬持力层范围内，这样不仅可有效缩减刺入行变量，同时也能确保膨胀土地基处理满足工程施工要求以及经济性原则。
        4.3桩顶的填充高度
        通常情况下，跑道四周对于路面的差异沉降要求相对较高，所以，必须保证跑道的结构面位于等沉面上方，这样不仅可提升桩网复合地基的稳固性，也能提升桩网复合地基的处理效果。当跑道的结构面位于等沉面上方时，刀面结构的沉降效果不会直接影响复合地基的沉降效果，基本都在均衡沉降，差异沉降层相对较小，因此，只要确保施工结束后跑道的地基处理满足工程施工要求即可。当桩间距在2m左右时，根据土拱效应得出土拱高度大概在2m至5m之间。此过程中，若使用不同的计算方法，计算结果也会不同，所以，通常都会选择较为保守的计算结果，同时还需保证填充的土方量高于5m，这时方可保证桩顶的飞机有足够的荷载衰减量，同时也会进一步降低飞机载荷对桩体及加筋层的影响。因而，当地基的填充土方量高于5m时，飞机跑道地基处理就应选择桩网复合地基法。当跑道结构在等沉降下方时，跑道的沉降形式则表现为桩顶有小范围沉降，而桩间土壤的沉降量却很大，此时，若要将差异沉降控制在1.5%内相当困难。若要有效解决差异沉降问题，则应适当增大桩径或者缩减桩间距，这样一来，就会提升土基刚度，但却会大幅降低飞机飞行的舒适度，增加工程施工成本。
        结束语
        综上所述，膨胀土地区机场跑道地基处理中，为确保机场跑道施工结束之后跑道的沉降量在国家规定范围内，要求填土量不宜太厚且桩的长度不宜过长，应尽可能的在桩端使用坚硬的持力层。与此同时，填充的土方量也不宜小于5m，否则将无法形成完整的土拱，进而则会导致严重沉降问题。最后还应谨慎使用挖方区，若无法避开挖方区，此时就应高度重视加筋层的稳定性以及地基沉降问题。
        参考文献：
        [1]常学斌.安康机场膨胀土地基处理方法研究［J］.陕西建筑，2018（6）：103-105.
        [2]王文亮，王晓牧，王嘉定.膨胀土地区机场跑道的地基处理研究[J].长安大学学报（自然科学版），2016，36（2）：17-25.