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。

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