機場建設(shè)土基反應(yīng)模量試驗分析

王 通 楊碧輝 姜秉秉 王 淼

(1.甘肅中建市政工程勘察設(shè)計研究院有限公司,甘肅 蘭州 730000; 2.甘肅省民航機場集團有限公司，甘肅 蘭州 730000)

機場運行期要對外公布路面承載強度，只要PCN(Pavement Classification Number)≥ACN(Aircraft Classification Number)，且胎壓符合要求時就可以運行，其中PCN是指不受運行次數(shù)限制的道面強度等級數(shù)字，而道面強度等級的高低緊緊依賴于土基強度的大小，因此，土基強度是剛性水泥混凝土道面厚度設(shè)計的重要參數(shù)[1]。表征土基強度的指標有地基回彈模量、地基反應(yīng)模量及加州承載比(CBR)，CBR是作為選用土基材料的主要技術(shù)指標，在公路工程中一般采用土基回彈模量作為道路設(shè)計指標，而在鐵路規(guī)范、機場規(guī)范中則采用地基反應(yīng)模量，并以地基反應(yīng)模量對機場剛性道面的土基強度等級進行劃分。

1 地基反應(yīng)模量

地基土的反應(yīng)模量采用原捷克斯洛伐克工程師溫克勒(E.Winkler)于1876年提出的彈性地基模型和彈性半空間模型，適用于模擬持力層厚度較小，強度較低的地基，通過現(xiàn)場平板載荷試驗測得。溫克勒地基假設(shè)認為地基表面某一點所受的壓力強度p與該點的地基沉降量w成正比(豎向位移w與該點板給地基的壓力p成正比)，而與其他各點的壓力無關(guān)[1]，即p=kw(其中，p為某一點所受壓力,MPa；w為彎沉值,m；k為基床反力系數(shù)，也稱墊層系數(shù)或地基反應(yīng)系數(shù)和路基反應(yīng)模量)。

2 現(xiàn)場測試方法

選用直徑為750 mm，厚度不宜小于25 mm的圓形承載鋼板，鏟除表層耕植土、填土層，依規(guī)范[2]進行試驗裝置安裝，如圖1所示。并用15.4 kN荷載預壓1次～2次，觀測百分表的沉降量，并使其相對誤差控制在1%以內(nèi)，卸載后方可逐級加壓(34 kPa→69 kPa→103 kPa→137 kPa→172 kPa→206 kPa或15.46 kN→30.93 kN→46.39 kN→61.85 kN→77.31 kN→92.76 kN)進行現(xiàn)場試驗。

地基反應(yīng)模量試驗是一種特定條件下基于彈性地基模型的載荷試驗，每級加載后以沉降速率小于0.25 mm/min，且不少于3 min為終止條件[3]。與地基土承載力荷載試驗不同，所加的荷載較小，最大92.76 kN，因此在典型的平板載荷試驗壓力—沉降曲線三階段[4](直線變形階段、剪切變形階段、破壞階段)中只有直線變形階段，P—S呈直線關(guān)系。

在加載試驗完成后，需取承載板下10 cm～20 cm處的地基土樣進行含水量試驗，取測點旁土樣采用灌砂法或環(huán)刀法進行地基土樣密度試驗。當測點地基土的含水量為非飽和狀態(tài)時，采取原狀土樣進行浸水與不浸水條件下對比的室內(nèi)壓縮試驗，壓縮試驗的垂直壓力為70 kPa，浸水試樣要求在施壓前達到飽和狀態(tài)。

3 工程實例

表1 地基土反應(yīng)模量試驗數(shù)據(jù)表

通過以上試驗可得，該機場各層地基土的反應(yīng)模量特征值：粉土層的反應(yīng)模量k0值變化范圍在14.82 MN/m3～25.31 MN/m3之間，平均值為19.16 MN/m3；粉砂、礫砂層的反應(yīng)模量ku值變化范圍在52.63 MN/m3～55.56 MN/m3之間，平均值為53.60 MN/m3；角礫層的反應(yīng)模量ku值變化范圍在100.00 MN/m3～111.11 MN/m3之間，平均值為103.70 MN/m3。

表2 地基土壓縮試驗與反應(yīng)模量修正結(jié)果表

4 結(jié)語

機場建設(shè)場地地基土的反應(yīng)模量是道面厚度設(shè)計的重要參數(shù)，基于溫克勒模型的地基土反應(yīng)模量試驗發(fā)生在地基土的彈性變形階段，故對P—S曲線進行截距為0的線性擬合，且滿足R2>0.8。地基土反應(yīng)模量特征值隨著含水量的增加而降低，需要對淺層地基土反應(yīng)模量進行不利季節(jié)修正，修正系數(shù)d/du約為0.5。