新疆庫車機場擴建站坪鹽漬土地基處理設(shè)計

孫蘭寧

(中國民航工程咨詢有限公司，北京 100000)

1 概述

鹽漬土是一種不良的特殊性巖土，其易溶鹽含量(質(zhì)量分數(shù))大于0.3%，具有溶陷、鹽脹、腐蝕等工程特性。鹽漬土按分布區(qū)域，可分為內(nèi)陸鹽漬土區(qū)和濱海鹽漬土區(qū)，其中內(nèi)陸鹽漬土區(qū)域主要分布于西北干旱地區(qū)的新疆、青海、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古等地勢低洼的盆地和平原，華北平原、松遼平原也有分布；濱海鹽漬土區(qū)主要分布于遼東灣、渤海灣、萊州灣、海州灣、杭州灣以及海島沿岸。在溫度、含水量、氣候等條件變化下，鹽漬土在三相體與二相體之間相互轉(zhuǎn)化，造成土體結(jié)構(gòu)破壞、土體變形或膨脹，進而造成建(構(gòu))筑物傾斜或破壞[1]。

隨著我國民航事業(yè)發(fā)展，西部機場建設(shè)有助于提升我國整體的航空運輸和國家安全能力。西部地區(qū)廣泛分布鹽漬土，是我國鹽漬土分布最多的區(qū)域。機場建設(shè)過程中若對鹽漬土地基處理不當(dāng)，易造成機場道面使用期的諸多病害，嚴重影響機場道面安全性、耐久性。加強西部鹽漬土地基工程特性及處理措施研究，對西部機場建設(shè)有重要意義[2]。

2 鹽漬土工程特性

鹽漬土是在特殊的地形環(huán)境、氣候環(huán)境、水文地質(zhì)環(huán)境下形成的一種特殊性巖土，其主要鹽分為氯鹽、硫酸鹽和碳酸鹽。根據(jù)各種鹽分的不同含量和比例，鹽漬土表現(xiàn)出溶陷性、鹽脹性、腐蝕性等工程特性[3-6]。

2.1 溶陷性

鹽漬土浸水后不僅強度降低，同時伴隨土體結(jié)構(gòu)破壞，將會造成沉降變形，并且其變形速度較快。主要原因有如下方面：1)浸水條件下膠結(jié)土顆粒的鹽類溶解，土顆粒進入孔隙，導(dǎo)致溶陷；2)鹽漬土含有的芒硝結(jié)晶，浸水后溶解，造成體積收縮，進一步加劇變形；3)砂性鹽漬土浸水后，膠結(jié)鹽類溶解，導(dǎo)致膠結(jié)團粒解體為更細小的土粒，進而在滲流作用下被帶走，造成嚴重潛蝕變形。

2.2 膨脹性

鹽漬土膨脹性主要發(fā)生于硫酸鹽漬土，主要在溫度或環(huán)境變化下，硫酸鈉溶解度減小，結(jié)晶析出，體積膨脹。鹽漬土膨脹性對于淺基礎(chǔ)輕型建(構(gòu))筑物易造成較大危害。

2.3 腐蝕性

鹽漬土腐蝕性主要表現(xiàn)為物理侵蝕和化學(xué)腐蝕。在地下水較深或變化幅度大的地區(qū)，以物理侵蝕為主。鹽漬土在干濕交替環(huán)境下反復(fù)脹縮，容易造成建(構(gòu))筑物由表及里逐步疏松剝落。在地下水淺或變化幅度小的區(qū)域，以化學(xué)腐蝕為主。鹽漬土中的硫酸根離子與混凝土或水泥中的其他化合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對混凝土或鋼筋混凝土中的鋼筋產(chǎn)生腐蝕，影響建(構(gòu))筑物耐久性。

3 鹽漬土工程危害

在周圍環(huán)境發(fā)生變化時，鹽漬土因其特性必然對機場道面工程造成嚴重危害，其主要表現(xiàn)在道面鼓脹、沉陷、凍脹翻漿等方面[7-9]。

3.1 道面鼓脹

鹽漬土的鹽脹性導(dǎo)致道面板發(fā)生不同程度的隆起，導(dǎo)致道面高程局部不平、鼓包或錯臺，在飛機荷載及地下水周期性升降過程中，容易造成道面開裂，進而影響飛機起降安全。

3.2 道面沉陷

鹽漬土中可溶性鹽分在受到水體影響時溶解，土體結(jié)構(gòu)強度喪失，孔隙率變大，密度減小；或其中的結(jié)晶體在高溫或水體影響下失水，體積縮小。在上部飛機和道面板荷載作用下，土基將發(fā)生較大沉降變形，產(chǎn)生不均勻沉降，影響飛機起降安全。

3.3 凍脹翻漿

鹽漬土含鹽量在一定范圍時，會使冰點降低，水分子負溫遷移時間變長，加重凍脹。并且經(jīng)過冬季后溫度上升，凍脹逐漸消融，鹽堿脫水，導(dǎo)致土基內(nèi)聚集的水分無法快速排出，在飛機反復(fù)荷載作用下，泥漿被擠出道面，出現(xiàn)翻漿現(xiàn)象。

4 工程實例

4.1 場地概況

工程為新疆庫車機場擴建站坪項目，場區(qū)地形為庫車河沖洪積平原西側(cè)細土平原區(qū)，地勢相對平緩。整個場區(qū)內(nèi)生長很多蘆葦、芨芨草、駱駝刺、紅柳等植被，其中蘆葦根系埋深較大，多向下延伸1.0 m～2.0 m，最大可達3.0 m以上直至含水量較大地層。場地屬于新疆中部地震區(qū)南天山地震亞區(qū)，地震烈度為8度，設(shè)計基本地質(zhì)動峰值加速度為0.2g，抗震設(shè)防第二組。

勘探深度18.0 m范圍內(nèi)地層主要為沖洪積粉細砂層構(gòu)成，根據(jù)力學(xué)性質(zhì)差異，分為兩層：①層粉細砂，厚度1.7 m～3.2 m，灰色～灰黃色，分選性好，級配差，形狀渾圓，黏粒含量少，具有層理，局部夾粉土、中粗砂薄層及透鏡體，頂部含薄層粉土，有大量植物根系，呈稍密、稍濕狀態(tài)。②層粉細砂，埋深1.7 m～3.2 m，勘察深度范圍內(nèi)未揭穿，可見厚度6.0 m～15.9 m。灰色、灰黃色、青灰色，分選性好，形狀渾圓，黏粒含量少，局部夾粉土中粗砂薄層及礫砂透鏡體，呈中密，稍濕、飽和狀態(tài)。整個場地粉細砂標(biāo)貫擊數(shù)N=11擊～29擊，平均擊數(shù)16擊，擊數(shù)隨深度逐漸增加。主要力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 粉細砂承載力及變形參數(shù)

場地土根據(jù)化學(xué)分析，地基土在0.0 m～2.5 m范圍內(nèi)，總含鹽量為0.76%～5.38%，平均為2.07%，大于0.3%。根據(jù)GB/T 50942—2014鹽漬土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范和GB 50011—2001巖土工程勘察規(guī)范(2009版)的規(guī)定，場地土為鹽漬土，以中亞氯、中亞硫酸、強亞硫酸鹽漬土為主，少量中氯、強氯鹽漬土。且對地基土0.0 m～1.0 m范圍內(nèi)Na2SO4含量Cssn(%)進行化學(xué)分析試驗，大于0.5%，具有弱鹽脹性。綜合分析不具有溶陷和液化性。

場區(qū)地下水類型屬于第四系孔隙潛水，含水層為粉細砂層。根據(jù)鉆孔揭露，地下水位埋深2.1 m～3.5 m，年變幅為0.46 m～0.55 m，粉細砂層毛細水上升高度約1.0 m。地下水的補給源主要為上游地下徑流補給及庫車河水和周圍農(nóng)田灌溉水，其次為大氣降水，排泄形式主要為蒸發(fā)和向下游潛流。

4.2 地基處理方案

場地為鹽漬土地基，由于上述鹽漬土本身特殊的工程性質(zhì)及對道面結(jié)構(gòu)的危害性，因此不宜將鹽漬土地基直接作為天然地基使用。常用鹽漬土地基處理方式有：強夯法、換填法、浸水預(yù)溶法、物理化學(xué)法、樁基礎(chǔ)等。根據(jù)本場區(qū)地層、水文條件及站坪沉降要求(見表2)，并考慮經(jīng)濟性，采用換填方式可滿足承載力及沉降要求。同時考慮阻斷毛細水上升，阻斷鹽分向表層運移匯聚，防止產(chǎn)生鼓脹、沉陷、翻漿等病害，采用設(shè)置隔斷層阻隔。常用隔斷層有砂礫石隔斷層、風(fēng)積砂或河砂隔斷層、土工布隔斷層以及瀝青砂隔斷層等，綜合考慮工程水文地質(zhì)條件以及機場工程特點，采用復(fù)合土工膜隔斷層。

表2 站坪工后沉降及差異沉降要求

綜上，本站坪道面影響區(qū)地基處理采用換填80 cm墊層(2 cm細砂保護層+50 cm砂礫石(粒徑5 mm～53 mm)+28 cm砂礫石(最大粒徑不大于53 mm)，換填墊層要求含鹽量小于0.3%，且采用兩布一膜的復(fù)合土工膜包裹(技術(shù)指標(biāo)見表3)，形成隔斷層[10]。復(fù)合土工膜對砂礫石采用U字形反包，反包至基層內(nèi)不小于2.0 m。復(fù)合土工膜與砂礫石墊層共同作用，可起到雙重隔離的效果，地基處理剖面圖見圖1。砂礫石需滿足不均勻系數(shù)Cu≥5，且含泥量不大于5%，壓碎值不大于30%的要求。

表3 復(fù)合土工膜技術(shù)指標(biāo)

地基處理一般順序：挖除土方至碾壓標(biāo)高(壓實并滿足相應(yīng)壓實標(biāo)準(zhǔn))→鋪設(shè)復(fù)合土工膜→分層回填振動碾壓墊層至道基頂面→相關(guān)檢測試驗→側(cè)壁復(fù)合土工布包裹→道面結(jié)構(gòu)層施工→周邊肥槽回填平整。

4.3 植物根系處理

現(xiàn)場開挖至換填墊層底標(biāo)高，道面影響區(qū)存在大量蘆葦根系，且根系埋置較深，不易全部清除，見圖2。根據(jù)相關(guān)研究，不同生態(tài)環(huán)境中，蘆葦?shù)男螒B(tài)、生長發(fā)育以及生態(tài)適應(yīng)性不同[11]。在缺乏陽光和地下水條件下，蘆葦不易生長或生長極為緩慢。根據(jù)庫車機場一期工程對于蘆葦根系處理方式，特將復(fù)合土工膜以下1.0 m范圍內(nèi)粉細砂挖除，換填風(fēng)積砂(含鹽量不大于0.5%)，采用分層回填分成壓實分層檢驗，要求壓實系數(shù)不小于0.96。蘆葦區(qū)地基處理剖面示意圖見圖3。

4.4 “橡皮土”處理

場區(qū)地下水位較高，清除蘆葦根系后，對原地層進行振動碾壓過程中出現(xiàn)“橡皮土”現(xiàn)象，地層此伏彼脹。由于粉土、粉細砂互層，且接近地下水位，在振動碾壓過程中，局部土體所含水分進入土顆粒內(nèi)部更為封閉的孔隙無法快速排出，孔隙水壓力增加所致?！跋鹌ね痢钡某霈F(xiàn)致使原地基及上部回填料無法壓實，不利于上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，易成為工程隱患。

根據(jù)“橡皮土”特征，現(xiàn)場進行了“換填底面虛鋪40 cm天然 砂礫石并在其上鋪設(shè)風(fēng)積砂”碾壓試驗?，F(xiàn)狀原地層采用小噸位壓路機靜壓至壓實系數(shù)0.93，其上鋪填天然砂礫石及風(fēng)積砂碾壓過程中未出現(xiàn)“橡皮土”現(xiàn)象。該區(qū)域地基處理剖面示意圖見圖4。

4.5 土基填筑

土基填筑前，需對原地層面碾壓檢測，合格后方可進行上部填料回填。作為回填料的風(fēng)積砂、砂礫石需嚴格控制含鹽量、粒徑以及含水量等指標(biāo)，填料不得含有植物殘體、生活垃圾及污染環(huán)境工業(yè)廢渣。填筑過程中采用26 t振動碾壓機進行壓實，要求分層填筑、分層壓實、分層檢測壓實度。每層虛鋪厚度不大于40 cm，碾壓遍數(shù)按8遍～10遍執(zhí)行，壓實指標(biāo)采用重型擊實最大干密度控制。

復(fù)合土工膜鋪設(shè)前應(yīng)對下承層進行清理平整，下承層頂面不得含有棱角塊石凸出，全斷面鋪設(shè)，平展并緊貼下承層。鋪設(shè)過程中應(yīng)確保其整體性，相鄰兩幅采用焊接或搭接(搭接寬度不小于20 cm)。鋪設(shè)完成后應(yīng)檢測是否有破損，否則應(yīng)在破損處加鋪補強。鋪設(shè)后禁止行人車輛通行，并避免長時間暴曬。鋪設(shè)完畢后需及時上覆2 cm細砂保護層，采用人工鋪攤，以防止砂礫石刺破復(fù)核土工膜。

土基施工應(yīng)避開雨季，宜在枯水期季節(jié)施工。施工過程中應(yīng)提前布置好排水系統(tǒng)，保持排水系統(tǒng)通暢。各種用水不得隨意排放，應(yīng)引至排水系統(tǒng)，確保場地及其附近無積水，并根據(jù)鹽漬土特性編制相應(yīng)施工方案。

4.6 質(zhì)量檢測

施工過程中應(yīng)嚴格執(zhí)行填料含鹽量、含水量以及壓實指標(biāo)的檢測工作。其相應(yīng)的檢測項目及頻率如下:1)復(fù)合土工膜按批為單位，同一牌號、配方、規(guī)格、生產(chǎn)工藝為一批，每批次抽取3卷；2)原地基壓實系數(shù)檢測，可采用灌砂法、灌水法或環(huán)刀法，每1 000 m2檢測一點；3)填筑體壓實系數(shù)檢測，可采用同原地基檢測相同方法，每1 000 m2檢測一點；4)道基頂面高程檢測，采用水準(zhǔn)儀，按10 m×10 m方格網(wǎng)控制；5)道基頂面平整度檢測，采用3 m直尺測最大孔隙，每1 000 m2檢測一點；6)道基反映模量檢測，每10 000 m2檢測三點，要求不小于60 MN/m3。

質(zhì)量檢測是工程安全的重要保障。若某處檢測指標(biāo)未達到要求，可在其附近進行2組以上檢測復(fù)核，若復(fù)核指標(biāo)達到要求，則僅處理未合格處，否則要采取適當(dāng)措施對檢驗劃定的不合格范圍進行重新處理。

5 結(jié)語

新疆庫車站坪擴建工程目前已全部完工，效果良好。綜合場地地層條件、植被習(xí)性、鹽漬土特性，采用換填、隔離、碾壓等地基處理方式可滿足工程要求。

1)場區(qū)地層力學(xué)性能較好，具有鹽脹性，不具有濕陷性、液化性。針對鹽漬土相關(guān)特性，采用換填砂礫石墊層加復(fù)合土工膜包裹方案可有效阻止水分與鹽分的表層運移，進而防止地基的鹽脹、翻漿、沉陷等工程問題，保證道面結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性。

2)西部干旱區(qū)域表層多生長蘆葦?shù)戎脖?，且根系較深，不易全部清除干凈。根據(jù)其生長習(xí)性，清除局部深度根系可滿足工程安全性需要。

3)施工過程中應(yīng)根據(jù)具體地層情況、水文條件、施工季節(jié)、施工技術(shù)，對“橡皮土”情況作出預(yù)測，并有針對的選擇合理的處理措施。采用局部鋪設(shè)天然砂礫石方式可有效控制“橡皮土”現(xiàn)象，既滿足工期要求，又滿足經(jīng)濟性。