1.云南建投第一勘察设计有限公司 云南昆明 650000；2.昆明理工大学建筑工程学院 云南昆明 650000
摘要：某机场跑道南端300～650m的挖方区地段出现不同程度的隆起变形，且隆起变形逐年增大，不到9年的时间，跑道中心线实测最大隆起变形就达48cm，跑道边线隆起达52.1cm；跑道出现高低起伏、横缝拉大、错台甚至断板等病害情况。对该场地土进行室内试验分析，判定该场地土主要为膨胀土。采用现场沉降环试验和室内试验对比分析该场地膨胀土的特性，得到室内试验测定的膨胀变形量明显小于现场测定值，场地土的膨胀性能差异很大且膨胀潜势的大小分布极不规律的特点，所以提出了换填处理及加强排水的措施对隆起变形场地进行处理，为类似工程问题提供分析方法及处理措施。
关键词：膨胀土；沉降环；胀缩变形量；流纹质凝灰岩；
在经济全球化与旅游业发展不断推进的过程中，我国航空事业取得了长足的发展和进步，我国兴建了大量机场，而机场的建设中不可避免的要进行大量的土方开挖及高填方工程。然而在很多机场工程建设中容易出现膨胀土地基问题[1，2]。膨胀土是一种成分以黏土矿物为主，是对环境变化敏感的高液塑限且吸水体积膨胀、失水体积收缩特点的黏性土[3-5]。由于膨胀土地层在飞行区的不均匀分布或者由于水活动的不平衡，造成膨胀土地基胀缩不均匀而引起道面结构的拱起和沉降，从而造成道面起伏不平，最终影响道面的正常使用；亦或者膨胀土地基遇水膨胀或地基含水量减少而造成上部结构脱空，在飞机荷载作用下，将会造成道面结构层的断裂损坏，从而直接影响道面的使用寿命与飞机飞行安全。
1 工程概况
某机场于2004年4月28日动工建设，2006年9月1日正式投入运营。机场建成通航后，距离跑道南端300～650m的挖方区地段出现不同程度的隆起变形，且隆起变形逐年增大。至2012年4月，跑道中心线实测最大隆起变形达40.2cm，跑道边线隆起达45.6cm；至2015年8月，跑道中心线和边线最大变形分别达48.0cm、52.1cm。受隆起变形影响，距离南端300～650m区域跑道出现了不同程度的高低起伏、横缝拉大、错台甚至断板等病害情况，过大的隆起变形使机场跑道纵横坡度变化超出了飞行区技术标准等相关规范对跑道坡度规定的要求，并对机场安全运行带来了影响。根据相关分析，道面隆起变形为道面下膨胀性岩土地基的膨胀变形所致，需进行治理
2 机场工程及水文地质情况
2.1工程地质情况
涉及变形区域范围共由8个跑道板块组成，累计长度约400m。场地地基岩土主要由第四系人类近期活动形成的地层（Qml、Qpd）及全、强风化下第三系酸性火山喷出岩（Eλπb）地层构成。按地层结构及代号顺序从上至下分布如下：
第四系人类近期活动形成的地层（Qml、Qpd）
①1素填土：褐黄、褐灰，稍湿，为机场跑道结构层，表层为浇注形成的跑道道面混凝土板，板厚0.30～0.38m。其下由级配碎石与黏性土组成，经过分层碾压，稍密结构，厚度0.50～0.80m，平均厚度0.64m，均匀分布于跑道区段。
①2素填土：灰白、红褐等色，结构性较差，组成物质主要为粉质黏土，含少量全风化凝灰岩碎块及岩石碎屑，厚度0.20～1.00m，平均厚度0.41m。该层主要分布于道肩两侧及土面区地段，表层为0.20～0.30m植物层（Qpd）。
第三系酸性火山喷出岩（Eλπb）
②1全风化流纹质凝灰岩：灰白、肉红、局部夹青灰、灰绿等色，稍湿，多已风化呈中密砂粒、粉土状及可塑黏性土状，局部呈强风化碎石、角砾状。岩芯手可捏碎，切面粗糙，天然状态时具有较明显的粗颗粒土特征，砂质感强，遇水后多迅速软化，粘滞感增强。层顶深度0.30～5.90m，厚度0.30～9.50m，平均厚度4.69m。
②2全～强风化流纹质凝灰岩：灰黑、灰绿色，局部青灰夹灰白、肉红等色，稍湿，多已风化呈稍密砂粒、粉土夹含多量风化角砾状，局部夹含强风化碎石、碎块，岩芯多为松散状。厚度0.20～1.00m，平均厚度0.41m。该层呈透镜体分布于②1层中。
②3层强风化流纹质凝灰岩：青黑、青灰、灰白夹灰绿、肉红等色，稍湿，多呈碎石、碎块状，混含稍密砂粒、粉土。层顶深度0.30～2.90m，厚度0.40～3.00m，平均厚度1.22m。
其中②1层全风化流纹质凝灰岩和②2层全～强风化流纹质凝灰岩风化后的最终产物主要为粉质黏土、粉砂和粉土，其物理力学性质指标的范围值（分子为最小值-最大值，分母为及平均值）列于下表1。
表1 各岩土层的物理力学性质指标统计表
Table 1 Statistical table of physical and mechanical indexes of each rock and soil layer
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2.2 水文地质情况
机场属亚热带高原季风气候，干湿季节分明。年平均降雨量1003.9mm，年最多降雨量1269.7mm，一小时最大降雨量为60.3mm。根规程[6]气候分区为B区，地基湿度系数为0.70，年干燥度为0.98，区内大气影响深度为4.0m，大气急剧影响深度为1.8m。
地表水体主要为机场北侧的新民水库，设计洪水位较机场整平高程低44.02m。根据场地钻孔情况，地下水属于混合静止水位，勘察期间位于地面下0.65m～8.10m，地下水水位差7.66m，该地下水类型主要为上层滞水，根据本次勘察情况结合地质调查，流纹质凝灰岩风化裂隙较发育和风化产物颗粒较大的部位透水性较好，富水性较强，地表水下渗后沿着裂隙及大颗粒间的通道向低洼处排泄。但流纹质凝灰岩的风化程度规律性差，且矿物成分含量不均，因此本场地地下水具有水位变化大、水量分布不稳定、规律性差等特征，地下水受降雨影响明显，旱、雨季节水位变化大，丰雨季节地下水水位埋深较浅，场地内地下水与场地内临时性地表积水联系紧密，大致沿机场跑道向机场周边外围渗流排泄。
3 原因分析及治理方案
3.1原因分析
（1）土自由膨胀率δef小于40.0%的占比60.0%，介于40.0～65.0%之间的占比40.0%，多数试样不具有膨胀性，少量具弱膨胀潜势，且具弱膨胀潜势的试样多数分布在1.0～3.0m不同深度段，表现出膨胀性能差异很大，且膨胀潜势的大小分布极不规律的特点。
（2）浅表地基土中的膨胀土（岩）即风化不均匀的流纹质凝灰岩浸水时会发生胀缩及湿陷变形，风化产物在物理力学性质及工程特性方面存在较大差异，其中全风化流纹质凝灰岩根据其风化产物的不同，表现出弱～中等膨胀潜势或无膨胀性能，同时伴有遇水湿陷的特征，具有分布极不均匀、无规律可循的特点。
（3）从原设计断面可知：跑道300～650m隆起段为挖方区，挖方最深处达30多米。因此前期设计时，勘察孔的深度难以达到道面设计标高以下，主要是针对填料进行勘察。即使在施工过程进行了补充勘察，主要是探测的是溶洞等不良地质，没有充分重视岩土膨胀特性。忽视了由于挖方卸载，应力松弛，局部隆起，机场的原始地形纵断面如图1所示。
（4）道床岩土为膨胀岩土，根据补充勘察资料，膨胀岩土极不均匀，遇水膨胀，失水收缩。膨胀时道面隆起，而收缩时，由于道面荷载较小，不能恢复原位，导致隆起变形逐年增大。这是最为主要的原因。
（5）土面区由于植物生长，横坡变化，排水不畅，导致局部积水，渗水浸入道基，水量大小直接影响隆起量，这就是为什么道肩隆起量大于道面中心线隆起量的原因。
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图1机场原始地形纵断面
3.2治理方案
工程中针对膨胀土采用了以下方法进行处理：
（1）换土法
其具有操作简便、处理效果优异的特点，是膨胀土路基施工中常用的一种处理方法。方法为采取有效措施将区域范围内的膨胀土移除，并用水稳定性好、强度高的土替换填满。但是这种方法也存在着一定的弊端，在换填施工环节，要综合考虑土壤含水量、水文地质等因素；若区域范围内膨胀土面积过大，采用该法处理时，需要换填的土方量较大，工作量也会非常大，只适用于膨胀土面积相对较小的区域，因此该在适用性方面存在一定的劣势。在实际施工过程中，为保证施工顺利进行和提高工程质量，防止临界深度以下的膨胀土遇水变形，需要根据当地土质进行有效的临界深度计算，并以此临界深度标准进行开挖作业，这样就可防止临界深度以下的膨胀土因遇水而出现一定程度的变形。
（2）湿度控制法
因膨胀土中含水量的变化会导致膨胀土在施工过程中产生一定程度的收缩，影响工程质量，故施工中需严格控制膨胀土的含水量。湿度控制法细分为：预湿法与保湿法。其原理为对膨胀土的含水量进行一定程度的控制，使其处于一个合理的范围之内，防止膨胀土因含水量过高或者过低而发生变形。保湿法与预湿法的差异性则主要体现在控制膨胀土含水量的方式上，保湿法的控制方式是：对膨胀土与外界空气进行阻隔，从而实现膨胀土的含水量控制，在实际的施工过程中往往运用黏土对膨胀土进行密封的方式予以实现；预湿法的控制方式是：对膨胀土成分进行改造的方式达到对含水量的控制[7]。
（3）改性处理法
通过向土中掺入其他固化材料并使用水泥、石灰等材料，从而降低或消除膨胀土的膨胀性，同时膨胀土内部的水分含量也会处于相对平稳的状态，提高路基的水稳性[8]。是一种化学手段.
针对上述分析跑道隆起的原因，拟采取综合治理措施：
1）换填。采用的碎石换填膨胀岩土，彻底消除膨胀岩土胀缩特性。挖除易受大气影响的浅层膨胀性岩土地基，换填非膨胀块碎石、碎石或破碎后破碎料，即原有道面结构拆除的水泥混凝土面层破碎料和水泥稳定基层破碎料。换填厚度必须大于大气急剧影响深度1.8m，宽度延伸至道肩基础外3m，并采用复合土工膜防水。在施工中应采用重型振动压路机或35～50t的轮胎压路机进行压实，施工速度要控制在 4km/h以下，且压路机在碾压过程中不能制动和调头，碾压顺序应由两侧向中心进行，横向连接部分的碾压重叠尺寸要达到 0.4～0.5m，确保不存在漏压部分。
2）加强排水。进行排水设计，将边沟加宽加深，同时设置灰土层并加铺防渗布，在路堑边沟外侧设置一个平台，阶梯的边坡处设置防水沟，并在沟底设灰土层。
4结语
（1）该场地地下1～3米范围主要为粉土和含粘性土砾砂，3～10米范围为夹杂着部分砾砂和粉土的粉质粘土。黏性多表现出膨胀趋势，以黏性土中的亲水矿物导致试验具有膨胀土特征；而以粉土、粉砂遇水后因其固结压密，孔隙比减小，或者局部的膨胀性小于压密性，表现为试样的收缩，所以粉砂、粉土则表现出多数湿陷或胀后湿陷的现象。
（2）浅表地基土中的膨胀岩即风化不均匀的流纹质凝灰岩，浸水时会发生胀缩及湿陷变形，风化产物在物理力学性质及工程特性方面存在较大差异，其中②1层全风化流纹质凝灰岩和②2层全～强风化流纹质凝灰岩风化后的最终产物主要为粉质黏土、粉砂和粉土，其中全风化流纹质凝灰岩根据其风化产物的不同，表现出弱～中等膨胀潜势或无膨胀性能，同时伴有遇水湿陷的特征，具有分布极不均匀、无规律可循的特点。
（3）膨胀土遇水膨胀，失水收缩的特性，在外界环境变化下极容易诱发较严重的路基沉降病害，对机场施工质量造成影响。在实际的机场膨胀土路基设计与施工中，需要结合工程的实际情况，在对膨胀土进行科学改良的基础上，灵活地选用换填法、膨胀土改良及预湿法等方法确保膨胀土路基施工质量。
参考文献：
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