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成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)地基軟弱土工程地質(zhì)特性淺析

2018-01-05 08:19王志遠(yuǎn)徐洪兵
四川建筑 2017年6期
關(guān)鍵詞:溝谷場(chǎng)區(qū)溝渠

王志遠(yuǎn), 杜 超, 楊 軍, 徐洪兵

(中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 四川成都 610052)

成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)地基軟弱土工程地質(zhì)特性淺析

王志遠(yuǎn), 杜 超, 楊 軍, 徐洪兵

(中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 四川成都 610052)

在長(zhǎng)期工程現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究基礎(chǔ)上,根據(jù)初期勘察、詳細(xì)勘察及地基處理監(jiān)測(cè)資料,文章對(duì)成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)土方工程中軟弱土工程地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)深入研究。研究發(fā)現(xiàn),軟弱土平面上主要分布于溝谷地帶、水塘及溝渠,流水作用是場(chǎng)區(qū)軟弱土形成的主要原因。軟弱土層未經(jīng)處理不能直接作為地基基礎(chǔ)持力層,是本工程建設(shè)的不利因素。及時(shí)消散軟弱土中的水、加速排水固結(jié)為本次軟弱土處理的主要措施,碎石樁+排水板的地基處理方式效果較好。

軟弱土; 地基處理; 地基

軟土是指在靜流和緩流環(huán)境中逐漸沉積而成的淤泥或飽和的軟弱黏性土,并伴有微生物作用的近代沉積物。就其成因和分布區(qū)域,軟土可歸納為兩類(lèi)[1]:沿海軟土和內(nèi)陸軟土。盡管軟弱土的沉積原因、結(jié)構(gòu)形態(tài)和飽和度都各不相同,但都具有高壓縮性、低強(qiáng)度、透水性差、低抗剪、觸變性和高含水率等共同特征[2-3]。

成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)場(chǎng)址位于成都市東南方向、龍泉山脈東側(cè)、簡(jiǎn)陽(yáng)市西側(cè)的蘆葭鎮(zhèn)、草池鎮(zhèn)及石板凳鎮(zhèn)境內(nèi)。場(chǎng)區(qū)以淺丘~溝谷地貌為主,地勢(shì)總體是沿東西跑道方向中部高,東西兩側(cè)較低,場(chǎng)地高程大部分在420~470 m之間,相對(duì)高差在50 m以?xún)?nèi),地形起伏不大,丘坡圓緩,緩坡地帶多為旱地及荒坡,自然坡度10°~30°,植被茂密。河谷呈寬緩對(duì)稱(chēng)“U”字型。地形地貌受地層巖性和構(gòu)造控制明顯,泥巖出露處形成緩坡,砂巖出露處常形成陡坎或陡崖。丘間谷槽寬緩平坦,多為荒地、耕地、農(nóng)田、水塘等,人工灌溉渠縱橫交錯(cuò),村莊遍布,人煙密集。

建設(shè)場(chǎng)區(qū)內(nèi)分布有眾多的稻田和水塘,存在大量的淤泥和飽和的軟弱黏性土。溝谷地帶的軟弱土與挖方區(qū)的物理力學(xué)性質(zhì)迥異,這可能造成場(chǎng)區(qū)工后不均勻變形,帶來(lái)安全隱患,故有必要對(duì)場(chǎng)區(qū)進(jìn)行軟弱土專(zhuān)項(xiàng)研究,探明軟弱土的分布、成因、物理力學(xué)特性以及對(duì)工程地質(zhì)的影響,為確定地基處理方案提供理論依據(jù)。

1 軟弱土的分布及成因

1.1 軟弱土的地層劃分及特征

考慮到試驗(yàn)段的軟弱土處理施工情況,本次研究把可塑的黏性土層也歸并為軟弱土。如表 1所示,經(jīng)鉆探、靜力觸探孔等多種勘察手段探明,場(chǎng)區(qū)內(nèi)分布的軟弱土層巖性主要為水塘及水田表層分布的耕植土(②-2)、河流(溝渠)、水塘及水田中局部分布的流塑狀淤泥(③-1)、軟塑~可塑狀淤泥質(zhì)黏土(③-2)、軟塑~可塑狀粉質(zhì)黏土(④-1~④-2)及軟塑~可塑狀粉質(zhì)黏土(⑤-1~⑤-2)。

1.2 軟弱土的分布情況

軟弱土平面上主要分布于溝谷地帶、水塘及溝渠,且分布區(qū)域具有一定的交叉性。為了方便劃分及計(jì)算,根據(jù)軟弱土分布的特點(diǎn),把水塘細(xì)分為溝谷水塘和獨(dú)立水塘,水渠細(xì)分為自然溝渠和人工溝渠。軟弱土具體分布情況如下:

1.2.1 溝谷軟弱土

如圖 1所示,溝谷軟弱土分布在丘間谷槽地帶,地勢(shì)相對(duì)低洼,地形相對(duì)平緩,平面上可呈現(xiàn)為樹(shù)枝狀的小區(qū)域,是整個(gè)場(chǎng)區(qū)軟弱土分布的主要區(qū)域,總面積為559.2×104m2,約占整個(gè)勘察區(qū)總面積的26.3 %。溝谷軟弱土主要分布在溝谷內(nèi)的水田區(qū)域和局部地勢(shì)相對(duì)較低的旱地,其次為溝谷地帶的水塘(溝谷水塘)、自然溝渠區(qū)域,其中水田及旱地區(qū)域軟弱土總面積約為532.5×104m2,約占溝谷軟弱土總面積的95.2 %。

圖1 溝谷軟弱土分布范圍示意

1.2.2 水塘軟弱土

大部分水塘都分布在溝谷地帶,水塘軟弱土層底埋深與周邊溝谷地帶的軟弱土層底埋深具有連續(xù)一致性,這部分水塘定義為溝谷水塘。如圖 2所示,部分水塘位于地勢(shì)相對(duì)較高的地形地貌單元,其軟弱土分布范圍具有一定的獨(dú)立性,軟弱土平面分布上可認(rèn)為與水塘平面形態(tài)一致,而深度上則一般是中間深,逐漸往水塘邊緣變淺,直至在邊緣尖滅,這類(lèi)水塘定義為獨(dú)立水塘。經(jīng)統(tǒng)計(jì),溝谷水塘的個(gè)數(shù)為237個(gè),總面積26.7×104m2;獨(dú)立水塘個(gè)數(shù)為65個(gè),總面積為2.4×104m2。

表1 軟弱土土層劃分情況

圖2 典型溝谷水塘軟弱土橫剖面(單位:m)

1.2.3 溝渠軟弱土

場(chǎng)區(qū)內(nèi)溝渠一般分為人工溝渠和自然溝渠。人工溝渠是為方便當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉而修筑的水渠,斷面形態(tài)呈較規(guī)則的梯形或矩形,如江源干渠、棉豐支渠等,寬度在0.5~4.0 m不等。自然溝渠的規(guī)模有較大差異,規(guī)模較大的如舉人河、無(wú)名河,規(guī)模較小的如水田間保持水力聯(lián)系的小溝,平面上沿地形交錯(cuò)相通,分布較為復(fù)雜,寬度在0.1~3.5 m不等,面積變化范圍大,難以逐一統(tǒng)計(jì)。同時(shí),自然溝渠一般均分布在溝谷地帶中,自然溝渠軟弱土面積已包含在溝谷軟弱土面積中。

1.3 軟弱土成因分析

場(chǎng)區(qū)內(nèi)軟弱土主要為丘間溝谷地帶的第四系沖洪積形成的黏土、粉質(zhì)黏土。由于地處淺丘,溝谷內(nèi)的地形相對(duì)平緩,坡降比較小,在暴雨情況下,位于坡地等地勢(shì)較高部位的表層風(fēng)化土在地表水的夾帶作用下匯入地勢(shì)相對(duì)較低的溝谷,隨著水流速度的減小,土層逐漸沉積形成沖洪積扇。土層經(jīng)水流沉積形成,含水量較高,隨著流水的不斷浸潤(rùn),逐漸形成軟弱土。本次勘察發(fā)現(xiàn),場(chǎng)區(qū)內(nèi)的硬塑狀黏性土主要分布于地勢(shì)坡度相對(duì)較陡的地層上部,且區(qū)內(nèi)溝谷越寬緩,其下部軟弱土沉積越厚。因此,流水作用是場(chǎng)區(qū)軟弱土形成的主要原因。

水塘軟弱土則主要位于地勢(shì)低洼的溝塘中。由于溝塘內(nèi)地表水處于靜水環(huán)境,沖洪積土層在這些區(qū)域淤積逐漸形成河湖相的淤泥或淤泥質(zhì)土。形成年代較早的溝塘,由于沖溝改道等自然或人類(lèi)活動(dòng)因素局部被充填、掩埋,最后以暗溝、暗塘的形式被埋藏于溝谷中下部。這部分土層多以淤泥質(zhì)黏土為主,局部為軟塑黏土或粉質(zhì)黏土。

綜上所述,水為區(qū)內(nèi)軟弱土形成的主要因素。前期為流水作用沉積黏性土,后期主要為水對(duì)黏性土的軟化作用而形成軟弱土。通過(guò)大量的室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),區(qū)內(nèi)軟弱土含水量普遍較高,基本在85%以上。因此,及時(shí)消散軟弱土中的水、加速排水固結(jié)為本次軟弱土處理的主要措施。

2 工程地質(zhì)問(wèn)題及處理措施

2.1 軟弱土的物理力學(xué)性質(zhì)

如表 2所示,場(chǎng)地分布有淤泥、淤泥質(zhì)黏土、軟塑粉質(zhì)黏土、軟塑黏土屬高壓縮性土,可塑粉質(zhì)黏土、可塑黏土屬中~高壓縮性土,這些軟弱土都具有含水量高,抗壓強(qiáng)度低,易壓縮、易剪切破壞,滲透系數(shù)小,排水固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)等特性;場(chǎng)地分布的,其含水量較高,壓縮性較高,滲透系數(shù)小,排水固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)的特性,未經(jīng)處理不能直接進(jìn)行回填或作為建筑基礎(chǔ)持力層,是本工程建設(shè)的不利因素。

對(duì)軟弱土的處理為本次機(jī)場(chǎng)建設(shè)的主要問(wèn)題。結(jié)合本工程的設(shè)計(jì)標(biāo)高線(xiàn)分析,絕大部分軟弱土分布區(qū)域均位于地勢(shì)相對(duì)較低的填方區(qū)(溝谷地帶),工程完成后,軟弱土均位于正常地面以下,成為軟弱下臥層,軟弱土的分布位置及埋深對(duì)本工程建設(shè)影響很大。

2.2 軟弱土對(duì)地基的影響

2.2.1 對(duì)飛行區(qū)道槽區(qū)的影響評(píng)價(jià)

由于場(chǎng)地軟弱土具有高可壓縮性及排水固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)等特性,其空間分布不均勻,由于跑道長(zhǎng)度較大,其跨越多個(gè)挖方區(qū)及填方區(qū),如對(duì)道槽區(qū)及道槽影響區(qū)分布的軟弱土處理不當(dāng),則極易引起跑道的不均勻沉降。同時(shí),由于軟弱土其滲透性差,排水固結(jié)時(shí)間長(zhǎng),對(duì)軟弱土進(jìn)行地基處理后,其工后沉降時(shí)間長(zhǎng),需長(zhǎng)待其沉降穩(wěn)定后方能進(jìn)行飛行跑道道面的施工,因此,軟弱土對(duì)飛行區(qū)跑道的施工、工期、運(yùn)營(yíng)等影響巨大。

表2 軟弱土的工程特性指標(biāo)參數(shù)

2.2.2 對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響評(píng)價(jià)

本工程挖填場(chǎng)平后,將在場(chǎng)區(qū)周邊填方范圍內(nèi)形成2.0~28.0 m的高陡邊坡,其中大部分填筑邊坡下部均分布有較大厚度的軟弱土。隨著邊坡區(qū)的回填,其荷載逐漸增加,下部的軟弱土在邊坡填筑荷載下易沿邊坡底部擠出而發(fā)生剪切破壞,從而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

2.2.3 對(duì)建筑的影響評(píng)價(jià)

本次航站區(qū)、工作區(qū)地上規(guī)劃有航站樓及相關(guān)配套用房,地下規(guī)劃有下穿隧道、大鐵、地鐵等軌道交通。由于軟弱土承載力低,不能作為上部建筑體的基礎(chǔ)持力層,需對(duì)其進(jìn)行地基處理或采用樁基礎(chǔ),從而大大增加了工程的造價(jià)及施工工期;而下穿隧道、大鐵、地鐵等軌道交通位于地下較深的部位,建設(shè)施工時(shí)需進(jìn)行基坑開(kāi)挖,由于軟弱土抗剪切能力差,易被剪切破壞,因此,其對(duì)基坑的施工安全造成很大影響。

2.3 軟弱土工程處理措施分析

場(chǎng)區(qū)內(nèi)軟弱土分布廣泛,平均厚度約4 m,最大厚度14.4 m。軟弱土表層一般為較薄的耕植土、淤泥或淤泥質(zhì)土,下部為軟塑~可塑狀粉質(zhì)黏土、黏土或淤泥質(zhì)土。根據(jù)場(chǎng)地軟弱土的分布特征,在不同地段不同土層性質(zhì)其處理措施也不盡相同。對(duì)分布在場(chǎng)平地勢(shì)線(xiàn)以上區(qū)域的軟弱土,可采用機(jī)械直接挖除;對(duì)于分布在場(chǎng)平地勢(shì)線(xiàn)以下的區(qū)域的軟弱土,建議0~2.0 m的軟弱土采用換填法進(jìn)行處理;2.0~4.0 m的軟弱土采用強(qiáng)夯置換法進(jìn)行處理,強(qiáng)夯能級(jí)不宜大于4 000 kN;埋深大于4.0 m的軟弱土可采用排水板法、袋裝沙井、碎石樁法、CFG樁法及深層水泥土攪拌樁法進(jìn)行處理。

單一的排水板、袋裝砂井排水固結(jié)時(shí)間較長(zhǎng),地基承載力增長(zhǎng)較慢,不宜單獨(dú)采用;CFG樁造價(jià)較高,經(jīng)濟(jì)性較差,不宜廣泛采用;碎石樁能有效提高地基承載力并加速軟弱土排水固結(jié),縮短工后沉降時(shí)間,經(jīng)濟(jì)性較好,建議廣泛采用;深層水泥土攪拌樁法能有效提高地基承載力,經(jīng)濟(jì)性較好,但其不能穿透硬塑黏土層,建議在無(wú)硬塑黏性土層分布的區(qū)域或硬塑黏性土層下無(wú)軟弱下臥層的區(qū)域使用。

由于場(chǎng)區(qū)軟弱土埋深變幅較大,在針對(duì)具體工程建筑物的處理過(guò)程中,局部對(duì)地基承載和變形要求比較高的區(qū)域(如航站樓等),也可以直接采用樁(墩)基,樁端宜進(jìn)入中等風(fēng)化基巖一定深度,建議采用預(yù)應(yīng)力管樁或鉆孔灌注樁。

3 地基處理效果分析

本次試驗(yàn)段填方范圍溝、塘采用如下方法進(jìn)行處理:梳干溝、塘內(nèi)的積水;清除底部淤泥,并送往指定地點(diǎn);鋪設(shè)砂礫石墊層,要求砂礫石含泥量不超過(guò)5 %,厚度以能穩(wěn)定壓地基土、不形成“彈簧土”現(xiàn)象為原則,暫按50 cm考慮,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況確定;沿溝、塘邊線(xiàn)向外開(kāi)挖成高50 cm、寬100 cm的臺(tái)階式邊坡;分層填土碾壓至周?chē)宄参锿梁蟮牡孛鏄?biāo)高。

根據(jù)試驗(yàn)一區(qū)的地質(zhì)、地勢(shì)情況,對(duì)于④-2、④-3厚度(H)不超過(guò)6 m的軟弱土區(qū)采用強(qiáng)夯置換進(jìn)行處理;對(duì)于H>6 m的軟弱土區(qū)采用碎石樁、CFG樁、水泥土攪拌進(jìn)行處理,并在部分強(qiáng)夯置換、CFG樁和水泥土攪拌樁處理區(qū)的地勢(shì)設(shè)計(jì)面以上設(shè)置8 m高的堆載體。在地表土清理、地基處理、原地基壓實(shí)完成后進(jìn)行土石方填筑,填筑工藝采用振動(dòng)碾壓和沖擊碾壓(表3)。

由表 3中數(shù)據(jù)可知,在相同載荷下,碎石樁+排水板處理區(qū)表層沉降最大,CFG樁處理區(qū)次之,強(qiáng)夯處理區(qū)最小。填筑體頂面堆載預(yù)壓的作用是為了加速表層沉降,減少工后沉降量,從表中數(shù)據(jù)可以看出,堆載區(qū)的表層沉降速率都比非堆載區(qū)的大。

表3 試驗(yàn)一區(qū)工后表層沉降統(tǒng)計(jì)

注:堆載區(qū)監(jiān)測(cè)歷時(shí)80 d,非堆載區(qū)監(jiān)測(cè)歷時(shí)21 d。

4 結(jié) 論

(1)區(qū)內(nèi)軟弱土地層由水稻田耕植土、淤泥、淤泥質(zhì)土、軟塑粉質(zhì)黏土、可塑粉質(zhì)黏土、軟塑黏土及可塑黏土組成。

(2)場(chǎng)區(qū)軟弱土具有含水率高、滲透性差、壓縮性高、強(qiáng)度低、固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn),對(duì)地基承載力、地基變形及邊坡穩(wěn)定有較大影響,軟弱土層未經(jīng)處理不能直接作為地基基礎(chǔ)持力層,應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的工程處理措施。

(3)在試驗(yàn)區(qū)段中,堆載預(yù)壓對(duì)加速沉降速率效果明顯,在相同載荷下,碎石樁+排水板處理區(qū)的地基處理效果較好。

[1] 劉宏,張倬元,劉亞波. 九寨-黃龍機(jī)場(chǎng)地基軟弱土工程地質(zhì)特性研究[J]. 中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào), 2003, 14(2): 39-43.

[2] 閻長(zhǎng)虹,吳煥然,許寶田,等. 不同成因軟土工程地質(zhì)特性研究——以連云港、南京、吳江、盱眙等地四種典型軟土為例[J]. 地質(zhì)論評(píng), 2015(3): 561-569.

[3] 沈珠江. 軟土工程特性和軟土地基設(shè)計(jì)[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 1998, 20(1): 100-111.

[定稿日期]2017-08-02

王志遠(yuǎn)(1983~),男,本科, 工程師, 主要從事巖土工程勘察方面的技術(shù)工作。

TU475+.9

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