濕陷性黃土地區機場沉降變形監測探究

高思培

（西安通用航空產業發展有限公司，陜西 西安 710089）

濕陷性黃土是指在上覆土層自重應力作用下，或者在自重應力和附加應力共同作用下，因浸水后土的結構破壞而發生顯著附加變形的土，是一種非飽和土，在自然狀態下壓縮性低，強度較高，但是一旦被水浸濕，就會發生失穩性的濕陷和變形，且這種濕陷和變形是發生在局部的，具有沉降變形量大、沉降速度快等特點[2]。中國西北地區機場工程大多數都是濕陷性黃土地基，在施工中必須進行處理并在施工后進行變形監測，以保證工程安全。

1 工程概況

西安藍田通用機場位于西安市藍田縣西南側八里塬上，跑道長1 200 m，寬30 m，站坪約10 萬m2。機場鳥瞰圖如圖1 所示。擬建場區屬于黃土臺塬地貌，該場區地形起伏較大，場地總體趨勢南高北低西高東低，場區內覆蓋有濕陷性黃土，具有填挖不均的特殊條件，地基濕陷等級為Ⅱ級（中等）。按GB 50025—2018《濕陷性黃土地區建筑標準》，場地必須進行地基處理以消除地基部分濕陷量。本文對西安藍田通用機場地基處理及后續施工過程中的沉降變形進行周期性監測，為這一地區同類建設工程提供借鑒，對機場場道、站坪及航站區地基處理進行周期性、系統性的監測，并對測量數據進行科學整理、計算和統計分析，總結規律，為該地區同類型工程提供借鑒依據。

圖1 機場鳥瞰圖

2 濕陷性黃土地基處理對策與措施

濕陷性黃土地基沉降既有上部土體的自重性壓縮變形沉降，還有遇水浸入導致的濕陷沉降。后者的沉降變形經常在局部某個部位發生，而且是沒有預兆的突然發生，而且這種變形不均勻，無規律可循。為了保證施工過程中和運營過程中工程安全，必須采取合理對策和措施進行濕陷性消除[3]。

地基處理要達到如下目的：①徹底消除黃土的濕陷性，讓處理后的地基變為非濕陷性黃土地基；②通過部分消除黃土的濕陷性，從而使下部未處理濕陷性黃土層的剩余濕陷量或濕陷起始壓力值符合設計規定閾值；③提高地基承載力，控制施工后沉降并解決局部不均勻沉降[4]。機場工程地基處理的常用方法主要有強夯法、土或灰土墊層法、土樁或灰土樁和預浸水法。

2.1 強夯法

強夯法即強力夯實法，又稱動力固結法，是目前機場工程中較常用的地基處理方法。強夯法以其施工成本低、速度快、消除濕陷性效果明顯得到了廣泛使用。該方法是利用大型履帶式強夯機將8～30 t 的重錘從6～30 m 高度自由落下，依靠強大的夯擊能和沖擊波作用夯實土層。通過壓縮使土體固結，將土體中的空隙水和氣體排出，達到消除濕陷性、提高土體承載力的目的。強夯法適用于大面積的機場、高速公路、鐵路、核電站、大工業區、港口填海等基礎濕陷性地基處理。藍田通用機場項目場道區和站坪區域地基處理主要是運用強夯法進行處理，采用150 t·m 能級對清表后的原地面進行強夯處理，強夯施工采用兩遍夯法，150 t·m 強夯第一遍跳位夯，每夯位連夯14 擊，最后兩擊平均夯沉量不超過3 cm，否則加擊。第二遍跳位夯（第一遍夯后剩余的夯位），每夯位連擊11 擊，最后兩擊平均夯沉量不超過3 cm，否則加擊。最后采用100 t·m 搭接拍夯，夯痕壓疊1/3，每痕連夯3 擊。每遍強夯施工完畢，必須用推土機推填夯坑，并整平場地，夯區土方量不得增加或減少。拍夯施工完畢后，用18 t 及以上雙驅振動壓路機碾壓表面。地基經強夯處理后，3 m 深度范圍內的濕陷性全部消除，地基承載力得到顯著提高。場道區強夯施工如圖2 所示。

圖2 場道區強夯施工

2.2 土或灰土墊層法

該方法是一種處理淺層濕陷性黃土地基的傳統方法，在西北地區使用較廣泛，具有就地取材和施工簡便等特點，填料一般為素土、水泥土或三七灰土，通過分層攤鋪、碾壓，可將地表以下3 m 范圍以內的濕陷性黃土層進行濕陷性消除處理。由于機場工程一般都是高填方工程，地基處理深度在3 m 以上，該方法不適宜處理場道和站坪區域。因此藍田通用機場場道區域在前期地基處理過程中沒有使用灰土墊層法，但在后期航站區飛行保障服務中心工程中，地基處理采用2.5 m 厚的1∶7 水泥土進行分層換填。其主要目的是為了通過換填將原來的土基進行置換，達到防水、隔水的目的，提高地基承載力，以減小上部建筑物的沉降，保障工程安全。飛行保障服務中心基礎水泥土換填如圖3 所示。

圖3 飛行保障服務中心基礎水泥土換填

2.3 土樁或灰土樁法

該方法采用擠壓的方式成孔，在成孔過程中對周圍土體產生橫向擠壓力，使得樁間土得以擠壓，然后將預拌好的灰土或者篩選過的素土（粘性土）分層填入樁孔，并用夯機分層搗實至設計高程。通過樁體本身和擠密后的樁間土組成復合地基，共同承擔上部建筑物荷載。該方法施工簡便，適用于場地狹小、無法進行大面積施工的區域，但是施工成本較高，施工效率低，且檢測流程復雜，一般采用重型擊實和靜載試驗進行檢測。西安藍田通用機場航站區FBO、航管樓&塔臺采用此方法進行地基處理，如圖4 所示。

圖4 FBO 擠密樁施工

2.4 預浸水法

該方法是利用黃土浸水后產生自重濕陷的特性，在施工前對預處理地區基礎進行大面積浸水使待處理區域土體預先產生自重濕陷，以消除黃土土層的自重濕陷性，但這種方法只適用于處理土體厚度在10 m 以上的濕陷性黃土層，且該區域自重濕陷量計算值不大于500 mm 的黃土地基，經預浸法處理后，上部淺層黃土可能仍具有濕陷性，需進一步做淺層濕陷性消除處理。

預浸水法處理黃土濕陷性具有用水量大、工期長的缺點，選用此方法處理黃土濕陷性一般要在正式工程開工前6～12 個月進行，浸水處理前要沿場地四周修筑攔水壩或將處理區域向下挖深50～80 cm，并設置測量標識點以實時監測表層及深層土的濕陷變形，且浸水初期應注意循序漸進，切不可一次注水過多，待周圍表層黃土出現環形裂縫后再逐步進行蓄水提高水位，直至沉陷基本穩定為止即可停止注水。預浸水法用水量大，對于缺水少雨、水資源匱乏地區不提倡采用，當土層下部存在改制結合層等其他地質隔水層時，要適當延長浸水時間。由于藍田通用機場場區的地形起伏大且場區面積大，故預浸水法不適合本場地的地基處理。

3 常用變形監測方法

對于地表沉降監測，目前工程常用的工具及儀器有沉降監測樁、沉降水杯、沉降板、分層沉降管、磁環沉降儀、測量機器人等。此外，還有一些先進的監測方法，如攝影測量、GPS、合成孔徑雷達干涉測量技術（InSAR）、變形監測技術和三維地面掃描技術等。對于機場，尤其是高填方機場，沉降監測范圍廣、監測數據量龐大，常規監測方法（如水準測量）需要大量的人工測量[5]。新型的攝影測量由于攝影距離和價格受限，在變形檢測中的應用尚不普及；也有學者利用傳感元件將沉降變形轉化為電壓、電阻、振弦頻率等指標，并進一步引入光纖傳感技術，提高沉降變形監測的質量，如采用分布式光纖監測地面變形等，但應用光纖技術的地基內部和深層變形監測研究有待進一步實踐和驗證。InSAR 技術是近年興起的新型監測手段，通過衛星圖像獲取間隔時間內的沉降變形結果，實現廣域非接觸監測，在機場、大壩、邊坡等領域也有相關應用，屬于全域沉降監測的新方向。

與傳統的變形監測方法相比，基于合成孔徑雷達數據的干涉測量技術具有覆蓋范圍廣、分辨率高、實時精確等特點，已在大體積基坑變形監測、地質滑坡災害隱患早期預警、煤礦采空區塌陷治理等地質災害領域得到了廣泛應用，并逐漸成為變形監測中一項不可或缺的重要技術手段。

差分雷達干涉測量技術是一種用于大地測量和遙感的雷達技術，利用同一地區不同時間的兩幅或多幅SAR 影像，利用返回衛星的波的相位差來計算目標地區的地形、地貌以及表面的微小變化，以獲取高精度地表形變信息，該技術可以潛在監測幾天到幾十年跨度的微小變形，測量精度達毫米級，可廣泛應用于滿足惡劣天氣和夜間成像觀測的區域。

4 優劣勢分析

對于濕陷性黃土地區機場工程所涉及的變形監測，所需監測的范圍廣、監測周期長而且數據量非常大，常規的監測方法如水準測量，全站儀、經緯儀測量等主要依靠人工測量，近幾年研究出的新型的測量方法中，攝影測量由于其攝影距離有限，且整套攝影設備價格不菲，該技術在變形監測領域尚未大范圍推廣應用；GPS 測量能實現自動化遠程監測，而且監測精度高，但是在大壩、橋梁等只需監測重點要素點位中比較適用，大規模布點不太現實，監測成本較高；InSAR 測量通過采用不同時間間隔的衛星影響，通過使用專業的圖像處理軟件進行甄別提取就能非接觸式得到間隔時間內的地表沉降變形數據，這種方法能夠進行大面積非接觸式監測，但是受天氣情況、衛星在軌周期、影像清晰度和精度等因素影響，導致測量精度不高，且不能實現全天候、自動化實時監測，且衛星影像價格購買價格較高，數據處理軟件成本高、操作復雜，導致該方法尚未能普及推廣使用[6]。

5 結束語

工程中濕陷性黃土的處理方法有很多種，但是因為不同區域不同項目的地質條件和場區環境都不盡相同，所以在選用方法和措施進行濕陷性黃土地基處理時，一定要根據現場具體情況，綜合考慮成本、工期等，因地制宜。而對于機場工程來說，涉及到地基處理范圍廣、工期緊、施工連續性等因素，場道工程應優先選用性價比高的強夯法進行處理，而航站區則可選用換填法或擠密樁法，不管采用哪種方法，都須對處理效果進行檢測，并做好沉降和位移監測。