超載預(yù)壓加固寧波機(jī)場場道軟基的試驗研究

超載預(yù)壓加固寧波機(jī)場場道軟基的試驗研究

一、寧波機(jī)場場道軟基寧波機(jī)場跑道寬45米，長3000米。設(shè)計要求飛行區(qū)內(nèi)210m寬范圍大面積回填,其中跑道中心比原地面高出1.70m以上。設(shè)計道面為剛性道面。飛機(jī)安全營運(yùn)對地基變形有嚴(yán)格要求:使用期內(nèi)絕對沉降不得大于8cm,橫向不均勻沉降不得大于4cm。寧波機(jī)場位于寧波市西南的寧奉平原上,場區(qū)內(nèi)地勢平坦,河道縱橫。地基表層為厚約0～1.0m的粘性土硬殼層,在跑道兩端地段下臥平均厚約0.35m的泥炭層。全場區(qū)內(nèi)軟土層廣泛分布,且不均勻,層厚在7m至32m以上,如圖1。場區(qū)地基由9大層21亞層組成,其中典型土層的主要土性指標(biāo)如表1。經(jīng)估算,設(shè)計荷載下跑道中心最大固結(jié)沉降在0.48m以上,橫向沉降差在0.11m以上,縱向150m的沉降差在0.21m以上?？紤]使用時道面高程不低于設(shè)計高程而預(yù)抬高,則估算的道面中心固結(jié)沉降在0.67m以上,橫向不均勻沉降在0.16m以上。顯然,天然地基難以滿足使用要求,地基必須進(jìn)行處理。在深厚且分布很不均勻的軟土地基上建造大型民用機(jī)場在國際上并不多見,國內(nèi)尚屬首次,本工程采用袋裝砂井超載預(yù)壓加固寧波機(jī)場場道軟基。本文謹(jǐn)介紹該工程地基加固成果。二、有效應(yīng)力面積比與固結(jié)期土體殘余變形試驗表明,超載預(yù)壓減小土體殘余變形的效果顯著,且當(dāng)持荷時間相同,超載越大,或者,荷載不變,持荷時間越長,其減小殘余變形的效果越好。圖2表示卸載時間不同的試驗結(jié)果,表2表示持荷時間不同時對次固結(jié)系數(shù)的影響。理論結(jié)合試驗分析表明,卸載后土體變形經(jīng)歷了吸水膨脹、次膨脹和次固結(jié)三個階段,這三個階段經(jīng)歷的時間長短與卸載大小、超載作用時間有關(guān)。當(dāng)超載量大或持荷時間長,則膨脹量就較大,持續(xù)時間也更長,土體的殘余變形就更小。試驗和理論分析還表明,卸載后土體的殘余變形不僅與卸載前土體達(dá)到的固結(jié)度有關(guān),而且與超載量有直接關(guān)系。有效應(yīng)力面積比綜合了這兩個因素的作用。有效應(yīng)力面積比R被定義為永久荷載下地基土有效應(yīng)力面積與卸載前土體達(dá)到的有效應(yīng)力面積的比值。對于大面積堆載下一維壓縮地基,其簡化式為:,其中Pf與P分別為永久荷載和堆載,為地基平均固結(jié)度。分析表明,土體殘余變形與有效應(yīng)力面積比有直接關(guān)系,R大則殘余沉降大,R小則殘余沉降小。當(dāng)R小到一定程度,在一定時間內(nèi)土體不僅沒有殘余沉降發(fā)生,而且還有膨脹變形,如圖3示。因此,控制有效應(yīng)力面積比就能有效地控制地基殘余沉降在某一范圍內(nèi)。理論計算及分析表明,當(dāng)R小于0.75時,寧波機(jī)場地基土卸載后20年內(nèi)地基的殘余沉降將很小或可忽略。三、地表沉降觀測為了檢驗袋裝砂井超載預(yù)壓方案的實際加固效果,并為整個場道工程地基加固方案的確定提供必要的資料及依據(jù),在深厚軟土區(qū)跑道上選擇了一面積為108×78m的區(qū)域進(jìn)行原型試驗。試驗區(qū)袋裝砂井入土深20m,直徑7cm,按梅花形布置。試驗于1986年10月開始至1987年12月結(jié)束,其間堆載時間2個月,持荷時間6個月,卸載后連續(xù)觀測了4個月。實際堆載為:砂墊層0.35m,ρ=1.53g/cm3;碾壓壙碴1.22m,ρ=2.00g/cm3;半碾壓壙碴1.30m,ρ=1.80g/cm3;松填壙碴1.25m,ρ=1.55g/cm3。實際超載1.60m,約占預(yù)壓荷載的36.6%。為了對試驗情況進(jìn)行監(jiān)測,在試驗區(qū)不同部位分別埋設(shè)了地表沉降板、分層沉降管、深層沉降標(biāo)、孔隙水壓力測頭及邊樁等觀測設(shè)備,如圖4。圖5給出了地表沉降觀測成果。分析觀測結(jié)果表明,地基沉降主要由砂井區(qū)內(nèi)土層壓縮產(chǎn)生,卸載后地基產(chǎn)生少量回彈,其后變形趨于穩(wěn)定?？讐河^測結(jié)果有類似的規(guī)律,卸載后孔壓急劇減小,多數(shù)測頭的孔壓降至加載前初始值以下而產(chǎn)生負(fù)超靜孔隙水壓力,這表明地基在使用荷載作用下將不會產(chǎn)生主固結(jié)變形。根據(jù)觀測結(jié)果推算值如表3示。從表3可知,試驗區(qū)地基有效應(yīng)力面積比在0.78以下。因此,在使用期內(nèi)將有少量的沉降產(chǎn)生。根據(jù)推算,卸載前試驗區(qū)中心已完成預(yù)抬高后設(shè)計荷載下主固結(jié)沉降的108%,這也說明卸載后地基不至于產(chǎn)生主固結(jié)沉降,而僅有部分次固結(jié)沉降產(chǎn)生。根據(jù)浙江省杜湖水庫土壩砂井地基20年內(nèi)次固結(jié)沉降僅占總沉降的6%的結(jié)論,即使不考慮超載預(yù)壓引起次固結(jié)系數(shù)的減小,寧波機(jī)場試驗區(qū)地基在使用荷載作用下20年的次固結(jié)變形也只有5.03cm,道邊沉降為4.66cm,因此,沉降與不均勻沉降均能滿足要求。四、加固場道軟基在試驗基礎(chǔ)上,經(jīng)論證決定采用袋裝砂井超載預(yù)壓方法加固寧波機(jī)場場道軟基,并以地基達(dá)到一定的有效應(yīng)力面積比,輔以沉降、固結(jié)度等作為方案設(shè)計和卸載控制的原則。(一)可采用的加固方案從試驗成果推算得到的反映土體固結(jié)速率的因子B,可反算出不同砂井間距時的固結(jié)因子B。根據(jù)地質(zhì)情況確定場道不同位置的砂井入土深,從砂井固結(jié)理論計算得不同預(yù)壓時間、不同砂井間距時地基平均固結(jié)度。根據(jù)預(yù)估沉降及地基平均固結(jié)度計算有效應(yīng)力面積比,當(dāng)R小于等于0.78時為可供選擇方案。表4給出了寧波機(jī)場二期工程軟土地基可供選擇的部分加固方案。地基加固方案需結(jié)合工期等因素進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析后才能確定。根據(jù)寧波機(jī)場的實際情況確定全場地基加固方案如圖1。其中,袋裝砂井直徑7cm,間距1.5m,按梅花形布置。全場共打入砂井158900根。(二)高固結(jié)度樁的計算為了監(jiān)測地基實際變形情況,全場(一期)共埋設(shè)了59個沉降觀測點(diǎn)。根據(jù)每個觀測點(diǎn)的觀測成果,采用指數(shù)函數(shù)法推算得到地基最終沉降、瞬時沉降、固結(jié)因子B,從而得到某時刻地基平均固結(jié)度。根據(jù)實際堆載情況計算初步設(shè)計荷載P0f,考慮實際沉降量后的設(shè)計荷載Pf以及堆載P,最后計算得到此時地基有效應(yīng)力面積比R()。當(dāng)R小于或等于0.78時被認(rèn)為已達(dá)到要求,可實施卸載,否則暫緩卸載。對于實測沉降過大,地基土特別軟弱,實際堆載不足,預(yù)計在允許工期內(nèi)達(dá)不到預(yù)期效果的區(qū)段及時地采取了二次加載措施,以保證工程如期完成。全場經(jīng)過7個多月的預(yù)壓,開始卸除超載。表5給出了其中4個觀測點(diǎn)的結(jié)果。五、不考慮涂裝量對砂井非理想性的影響Hansbo(1979)給出了砂井地基某深度Z徑向平均固結(jié)度式中Th為時間因子,,Ch為土體水平固結(jié)系數(shù),de為等效排水直徑;Fn為反映排水距離的影響因子,當(dāng)井徑比n(n=de/dw,dw為砂井直徑)大于等于20時,可簡化為其中Fs為反映砂井涂抹作用的影響因子;Fr為反映井阻作用的的影響因子;kh,ks分別為原狀土和涂抹區(qū)土的滲透系數(shù);L為土層豎向最大排水距離,Z為土體離水平排水面的距離;qw為砂井排水量其中kw為井料滲透系數(shù);ds為涂抹區(qū)直徑,Jamiokowski(1981)曾建議取機(jī)具成孔直徑dm的2.5～3.0倍,即ds=(2.5～3.0)dm,根據(jù)涂抹區(qū)邊緣不排水應(yīng)變只有5%的情況,Hansbo(1987)推薦關(guān)系式為:ds=2dm。式(1)可改寫為根據(jù)上述方程,計算寧波機(jī)場砂井地基固結(jié)情況,其結(jié)果如圖6～10。圖6,7表示不考慮涂抹作用時的結(jié)果。其中,圖6表示卸載前(t=220.5d)對應(yīng)不同井料滲透系數(shù)地基徑向平均固結(jié)度沿深度的分布,圖7表示深度不同時井料滲透系數(shù)與固結(jié)因子比Bi/Br的關(guān)系,在此,Bi表示理想砂井地基的固結(jié)因子,Br表示Fs=0的固結(jié)因子。從圖示規(guī)律可知,井阻對土體固結(jié)速率有影響。井料滲透系數(shù)越小,其影響越大,且隨深度的增加而增大。當(dāng)井料滲透系數(shù)小于10-2cm/s時,井阻作用就十分明顯。如圖6示,當(dāng)井料滲透系數(shù)分別為2.0×10-2cm/s和2.0×10-3cm/s時,地基平均固結(jié)度相差達(dá)28.5%。由此可見,為了減小井阻作用的影響,工程上要求井料滲透系數(shù)一般大于10-2cm/s是必要的。圖8給出了滲透系數(shù)比kh/ks,直徑比ds/dw與固結(jié)因子比Bi/Bs的關(guān)系,其中Bs為不考慮井阻作用(Fr=0)時的固結(jié)因子。從圖可知,涂抹對固結(jié)速率的影響隨涂抹區(qū)(直徑比)的增大而增大,更隨滲透系數(shù)比的增大而增大,但并不隨深度而變。分析圖示結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)涂抹區(qū)直徑為砂井直徑的3倍,且涂抹區(qū)擾動土的滲透系數(shù)為原狀土的1/10時,固結(jié)因子比將高達(dá)5.3,這說明涂抹對土體固結(jié)速率的影響是不容忽視的。對于寧波機(jī)場試驗區(qū)地基,機(jī)具成孔直徑dm=10.5cm,原狀土體水平滲透系數(shù)kh=9.88×10-8cm/s,取涂抹區(qū)直徑ds=2dm,則可計算得到卸去超載前理想砂井地基的平均固結(jié)度為99.65%,而根據(jù)實測試驗結(jié)果推算得到的實際砂井地基平均固結(jié)度為81.4%。因此,由砂井井阻及涂抹作用等(砂井非理想性)引起的固結(jié)度降低為18.25%。這說明,寧波機(jī)場試驗區(qū)砂井非理想性對固結(jié)速率有很大影響,工程上砂井非理想性的影響不容忽視。圖9表示井阻影響占砂井非理想性的比例Rr(%)與井料滲透系數(shù)kw的關(guān)系。圖10表示涂抹作用占砂井非理想性的比例Rs(%)與滲透系數(shù)比kh/ks的的關(guān)系。從圖9可知,當(dāng)井料滲透系數(shù)增大時,井阻所占比例會迅速減小,而涂抹等作用所占比例則相應(yīng)增大。從圖10可得,隨著機(jī)具入土?xí)r對周圍土體擾動程度的增大,涂抹作用所占比例增大。寧波機(jī)場試驗區(qū)實際所用砂料的滲透系數(shù)約在7×10-3～2.1×10-2cm/s之間,則從圖9可知,井阻影響占總非理想性影響的6%～35%左右,而涂抹等影響則占了65%以上