程國勇，武 航，李長輝，陳 宇，金 敏

（1.中國民航大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300300；2.中鐵北京工程局集團(tuán)有限公司，北京 102308）

軟土是一種具有高孔隙比、高含水量、高壓縮性、低強(qiáng)度且滲透性差等特點(diǎn)的特殊土[1]，在其上進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)會因地基承載力不足而導(dǎo)致地基出現(xiàn)變形問題，且由于機(jī)場跑道對地基強(qiáng)度及變形要求十分嚴(yán)格，因此需要對軟土地基進(jìn)行預(yù)處理。常用的軟土地基處理方法主要分為預(yù)壓法和復(fù)合地基法[2-3]，堆載預(yù)壓法由于具有施工方便、成本較低等特點(diǎn)，常被用于市政道路、高速公路、護(hù)岸工程等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中。

近年來，許多學(xué)者開始對堆載預(yù)壓法在機(jī)場工程軟土地基處理中的應(yīng)用效果進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[4]分析了成都新機(jī)場軟土地基加固過程中的原地基沉降、填筑體表面沉降以及孔隙水壓力的變化規(guī)律，并對沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示，經(jīng)過堆載預(yù)壓加固后，軟土地基平均固結(jié)度與工后沉降均符合要求；文獻(xiàn)[5]針對上海浦東國際機(jī)場五跑道由于跨古河道而存在不均勻沉降的問題，對堆載預(yù)壓過程中地表沉降、分層沉降、孔隙水壓力進(jìn)行分析，并對工后沉降進(jìn)行預(yù)測，提出針對不同區(qū)域制定不同堆載方案的處理方法；文獻(xiàn)[6]針對揭陽潮汕國際機(jī)場大面積深厚軟土地基問題，采用排水板與砂井兩種排水通道堆載預(yù)壓法，對兩種方法的沉降規(guī)律進(jìn)行對比分析，結(jié)果證明兩種方法均滿足工程要求；文獻(xiàn)[7]依托深圳寶安國際機(jī)場擴(kuò)建工程，通過對沉降數(shù)據(jù)的分析驗(yàn)證了堆載預(yù)壓中豎向排水體的重要性；文獻(xiàn)[8]對珠海金灣機(jī)場站坪區(qū)進(jìn)行地基處理分析，通過分析表面沉降、水平位移、分層沉降以及孔隙水壓力隨時(shí)間變化規(guī)律，驗(yàn)證了堆載預(yù)壓方案的可行性。上述文獻(xiàn)中對于軟土地基機(jī)場建設(shè)的研究主要集中在工后沉降的控制[9-10]以及沉降預(yù)測[11-13]，缺乏針對機(jī)場工程建設(shè)中大面積深厚軟土地基處理工程完整的監(jiān)測分析以及規(guī)律研究。

本文以湖北某機(jī)場大面積深厚軟土地基為背景，依托該項(xiàng)目劃分了試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行堆載預(yù)壓現(xiàn)場試驗(yàn)，并對堆載過程中的軟土沉降、孔隙水壓力、深層水平位移等數(shù)據(jù)進(jìn)行了全面監(jiān)測，通過對試驗(yàn)區(qū)堆載預(yù)壓加固過程的研究，總結(jié)出排水板堆載預(yù)壓在大面積深厚軟土地基處理中的加固效果及規(guī)律，為后續(xù)工程中的大面積施工提供指導(dǎo)，并為以后的機(jī)場工程建設(shè)提供經(jīng)驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)段概況及試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 地質(zhì)概況

根據(jù)現(xiàn)場勘探結(jié)果，場區(qū)地層結(jié)構(gòu)主要構(gòu)成為人工堆填層、新近湖塘積層、第四系全新統(tǒng)沖洪積層、第四系上更新統(tǒng)沖洪積層、第四系殘坡積層、下伏基巖層。試驗(yàn)段地質(zhì)剖面圖如圖1 所示，黃海高程J221 測孔和J222 測孔分別位于試驗(yàn)段D1 和D2 兩端，兩個試驗(yàn)段位置相鄰，各土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表1 所示。

表1 各土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)Tab.1 Parameters of physical and mechanical property of each soil layer

圖1 試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)剖面圖Fig.1 Geological profile of the test area

1.2 排水方案及預(yù)壓方案

1.2.1 排水方案

根據(jù)相關(guān)規(guī)程參考數(shù)據(jù)，選擇B 型塑料排水板作為豎向排水通道，寬度為100 mm，厚度不小于4 mm，平面布置按照正方形布置，由于試驗(yàn)段區(qū)域軟土厚度大，間距按照1.1 m×1.1 m 布置，打設(shè)深度不大于15 m,要穿透軟土層并進(jìn)入下部粉質(zhì)黏土層1 m，排水板上端露出碎石墊層頂面20 cm。

排水墊層作為水平排水通道采用碎石墊層，墊層總厚度0.80 m，滲透系數(shù)不小于0.01 cm/s，含泥量不超過3.00%，分層填筑；鋪設(shè)范圍超出處理范圍0.30 m，排水碎石墊層厚度允許偏差不大于±5.00 cm。

1.2.2 預(yù)壓方案

堆載預(yù)壓試驗(yàn)段D1 面積為4 870 m2，軟土厚度9～11 m，排水板長度11～13 m，排水板間距1.1 m，清淤表層淤泥插打排水板，按1 ∶2 放坡填筑至20 m 標(biāo)高等載預(yù)壓。

堆載預(yù)壓試驗(yàn)段D2 面積為5 276 m2，軟土厚度9～11 m，排水板長度11～13 m，排水板間距1.1 m，清淤表層淤泥插打排水板，按1 ∶2 放坡填筑至21.5 m 標(biāo)高超載預(yù)壓。

1.3 監(jiān)測方案設(shè)計(jì)

監(jiān)測系統(tǒng)主要分為沉降監(jiān)測、孔隙水壓力監(jiān)測以及水平位移監(jiān)測。沉降監(jiān)測包含分層沉降、軟土層頂沉降以及表面沉降。分層沉降采用沉降環(huán)對不同深度土層的沉降量進(jìn)行觀測，沉降環(huán)布設(shè)間隔為3 m，并在軟土層底部布設(shè)1 個；采用沉降板對軟土層頂沉降進(jìn)行監(jiān)測，并在軟土層上碎石墊層頂部布設(shè)，上部土石方填筑時(shí)，分段連接至填筑層頂面；采用沉降板對地基的表面沉降量進(jìn)行監(jiān)測，埋深1 m，對地基沉降量隨堆載情況以及預(yù)壓時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測?？紫端畨毫y試在所選試驗(yàn)區(qū)布置測孔，在軟土層中每隔3 m布設(shè)1 個孔隙水壓力計(jì)，每組包括3 個孔隙水壓力計(jì)。水平位移監(jiān)測為試驗(yàn)段土石方填筑時(shí)，設(shè)置邊樁和測斜管進(jìn)行水平位移監(jiān)測，監(jiān)測邊樁埋設(shè)深度不小于地表以下1 m；采用測斜管對深層軟土水平位移進(jìn)行監(jiān)測，在堆載區(qū)域坡腳處布設(shè)，測斜管長度不小于軟土厚度。堆載預(yù)壓區(qū)監(jiān)測點(diǎn)斷面如圖2 所示。

圖2 堆載預(yù)壓區(qū)監(jiān)測點(diǎn)斷面布置Fig.2 Section layout of monitoring points in the stack-load preloading area

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.1 軟土層頂沉降分析

圖3 為軟土層頂沉降觀測點(diǎn)D1-RTCJ3 的實(shí)測曲線。該點(diǎn)堆載高度為5.9 m，滿載歷時(shí)120 d，累計(jì)沉降量為-895.42 mm。從軟土沉降值曲線可以看出，在0～28 d 之間沉降值曲線較為平緩，這是由于對應(yīng)的時(shí)間段內(nèi)還未進(jìn)行堆載填筑，只進(jìn)行了水平排水墊層的鋪設(shè)以及塑料排水板的打設(shè)工作，因此軟土沉降值變化較小。由于未堆載前D1 試驗(yàn)段處于施工便道位置，其上經(jīng)常有重載車輛行駛，因此在未堆載階段出現(xiàn)軟土沉降速率突然增大的時(shí)間點(diǎn)。

圖3 D1-RTCJ3 軟土沉降曲線Fig.3 Settlement curve of D1-RTCJ3 soft soil

圖4 為軟土層頂沉降觀測點(diǎn)D2-RTCJ3 的實(shí)測曲線。該點(diǎn)堆載高度為6.7 m，滿載歷時(shí)100 d，累計(jì)沉降量為-602.6 mm。開始堆載后，沉降速率會顯著增大，特別是在每級堆載初期，軟土沉降速率會有一個突然增大的趨勢，隨著每級堆載完成后，沉降速率會維持在一個相對穩(wěn)定的值。當(dāng)所有堆載工作完成后，沉降速率會逐漸穩(wěn)定并最終趨近于0。

圖4 D2-RTCJ3 軟土沉降曲線Fig.4 Settlement curve of D2-RTCJ3 soft soil

2.2 最終沉降預(yù)測

雙曲線法是軟土地基處理工程上常用的推算地基最終沉降的一種方法，其通過觀察地基的沉降曲線接近于雙曲線，假定堆載完成后的任意時(shí)刻對應(yīng)的沉降滿足雙曲線方程。其基本公式為

式中：t0為堆載完成的時(shí)刻；S0為在t0時(shí)刻對應(yīng)的軟土沉降量；t 為擬合曲線上的任意時(shí)間點(diǎn)；St為t 時(shí)刻對應(yīng)的軟土沉降預(yù)測值；a 和b 為實(shí)測值推求出的擬合參數(shù)。

對D1-RTCJ3 及D2-RTCJ3 點(diǎn)位進(jìn)行擬合計(jì)算，結(jié)果如圖5 和圖6 所示。

圖5 D1-RTCJ3 擬合線Fig.5 Fitting line of D1-RTCJ3

圖6 D2-RTCJ3 擬合直線Fig.6 Fitting line of D2-RTCJ3

從圖5 和圖6 可知上述兩個監(jiān)測點(diǎn)位于不同試驗(yàn)段區(qū)域，對比上述兩個監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，其加載過程中每級加載高度與加載時(shí)間點(diǎn)完全一樣，區(qū)別在于最后一級堆載高度不同，從而最終滿載時(shí)堆載高度不同。D1 試驗(yàn)段采用等載預(yù)壓，堆載高度為5.9 m；D2 試驗(yàn)段采用超載預(yù)壓，堆載高度為6.7 m。由于兩個試驗(yàn)段地質(zhì)信息并不完全相同，所以兩個試驗(yàn)段累計(jì)沉降量相差較大。通過雙曲線法對兩個試驗(yàn)段監(jiān)測點(diǎn)的最終沉降量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2 所示。

表2 雙曲線法沉降推算結(jié)果Tab.2 Settlement calculation results of hyperbolic method

從表2 可知，D1-RTCJ3 監(jiān)測點(diǎn)最終沉降量為-962.04 mm，工后沉降量為-66.62 mm；D2-RTCJ3監(jiān)測點(diǎn)最終沉降量為-614.87 mm，工后沉降量為-12.27 mm。

各監(jiān)測點(diǎn)的土層平均固結(jié)度計(jì)算公式可表示為

式中，Ut為t 時(shí)刻對應(yīng)的地基平均固結(jié)度。

表3 為各測點(diǎn)用雙曲線法計(jì)算出的相關(guān)參數(shù)結(jié)果。D1-RTCJ3 與D2-RTCJ3監(jiān)測點(diǎn)最后一次沉降數(shù)據(jù)觀測時(shí)間相同，對比其觀測截止時(shí)的土層平均固結(jié)度可知，D1-RTCJ3 平均固結(jié)度為93.07%，D2-RTCJ3平均固結(jié)度為98.00%。由于D2 試驗(yàn)段加載分級比D1試驗(yàn)段多一級，D2 試驗(yàn)段滿載時(shí)間較于D1 試驗(yàn)段少20 d。

表3 各測點(diǎn)計(jì)算參數(shù)及推算結(jié)果Tab.3 Calculation parameters and calculated results of each measurement point

由表3 可知，D1 試驗(yàn)段3 個軟土沉降監(jiān)測點(diǎn)平均固結(jié)度為91.88%，平均工后沉降量為74.11 mm；D2 試驗(yàn)段3 個沉降監(jiān)測點(diǎn)的平均固結(jié)度為95.27%，平均工后沉降量為25.60 mm。超載預(yù)壓相比等載預(yù)壓加固后軟土固結(jié)度提高3.39 個百分點(diǎn)，工后沉降量僅為等載預(yù)壓34.54%，說明超載預(yù)壓試驗(yàn)段在滿載時(shí)間更短的情況下達(dá)到了更高的固結(jié)度，且工后沉降量更小。

2.3 分層沉降

圖7 為D1 試驗(yàn)段D1-FC3 監(jiān)測點(diǎn)的分層沉降曲線圖?？咨?0.971 m 處軟土累計(jì)沉降量為-260 mm，孔深7.971 m 處軟土累計(jì)沉降量為-167 mm，孔深4.971 m處軟土累計(jì)沉降量為-81 mm，孔深1.971 m 處軟土累計(jì)沉降量為-40 mm，分層沉降監(jiān)測最深處軟土沉降僅為淺層軟土沉降的15.38%。各層軟土沉降速率大小不同，孔深10.971 m 處沉降磁環(huán)埋深最淺，監(jiān)測過程中軟土沉降速率最大為-3.17 mm/d，在同一時(shí)間孔深7.971、4.971、1.971 m 處分別對應(yīng)的最大沉降速率按埋深由淺入深分別為-1.71、-0.62、-0.48 mm/d，沉降速率沿深度減小，最深處軟土沉降速率最小，僅為淺層軟土沉降速率的15.14%。由沉降速率曲線可知，除最深層監(jiān)測數(shù)據(jù)外，其他深度沉降速率最小點(diǎn)均為滿載預(yù)壓后最后一次監(jiān)測，此時(shí)沉降速率由上到下依次為-0.36、-0.21、-0.14 mm/d，由于最深處軟土層受堆載預(yù)壓影響最小，故其沉降速率變化不明顯，均處于較低的速率水平，其最后沉降速率為-0.07 mm/d，與最小值-0.03 mm/d 相差無幾，說明堆載預(yù)壓完成后期，各層軟土沉降逐漸穩(wěn)定，沉降速率逐漸趨向于0。

圖7 D1-FC3 分層沉降曲線Fig.7 Stratified settlement curve of D1-FC3

圖8 為D2 試驗(yàn)段D2-FC2 監(jiān)測點(diǎn)的分層沉降曲線圖。孔深8.395 m 軟土累計(jì)沉降量為-175 mm，孔深5.395 m 處軟土累計(jì)沉降量為-102 mm，孔深1.395 m處軟土累計(jì)沉降量為-40 mm，最深層軟土沉降量僅為淺層軟土的22.86%。上層軟土沉降速率最大為-2.64 mm/d，中部軟土最大沉降速率為-1.28 mm/d，底部軟土沉降最大速率為-0.41 mm/d。

圖8 D2-FC2 分層沉降曲線Fig.8 Stratified settlement curve of D2-FC2

分析上述點(diǎn)位的分層沉降圖可知，在堆載條件相同的情況下，不同位置的分層沉降曲線走勢相同，每層軟土沉降量均隨著堆載的增大而呈現(xiàn)階梯狀。從沉降量曲線對比可知，在相同堆載條件下，軟土沉降量沿深度逐漸減少。從各層軟土沉降速率曲線分析，各層軟土沉降速率變化趨勢幾乎相同，均與堆載填筑情況一致。對比每級堆載填筑時(shí)各層軟土的沉降速率曲線，淺層軟土沉降速率曲線更為敏感，沉降速率增量相對于深層軟土更大。深層軟土速率曲線較為平緩，說明堆載預(yù)壓加固軟土過程中，深層軟土受堆載影響最小，加固效果最不明顯。

2.4 孔隙水壓力

圖9 為等載預(yù)壓試驗(yàn)段D1-SY3 孔隙水壓力監(jiān)測點(diǎn)，觀測得到不同深度處軟土層孔隙水壓力隨堆載高度和時(shí)間的變化曲線。在孔隙水壓力埋設(shè)初期，堆載時(shí)間0～20 d 內(nèi)，由于水平墊層的鋪設(shè)以及塑料排水板的插設(shè)，導(dǎo)致孔隙水壓力出現(xiàn)小幅度的增加和減少。隨著每級堆載的進(jìn)行，孔隙水壓力也有明顯的增加和消散的過程，且孔隙水壓力消散速度明顯優(yōu)于未堆載時(shí)期。

圖9 D1-SY3 孔壓分布曲線Fig.9 Pore water pressure distribution curve of D1-SY3

圖10 為超載預(yù)壓試驗(yàn)段D2-SY3 孔隙水壓力監(jiān)測點(diǎn)，觀測得到的不同深度處軟土層孔隙水壓力隨從堆載高度和時(shí)間的變化曲線。從圖10 可看出，在第一級堆載過程中孔隙水壓力有明顯增長，且在第一級堆載穩(wěn)定的過程中，孔隙水壓力能夠迅速消散。從第二級堆載之后，埋深2、5、11 m 的孔隙水壓力計(jì)測出的孔隙水壓力值出現(xiàn)穩(wěn)步增長的過程，并不隨堆載的穩(wěn)定而消散。埋深8 m 的軟土層孔隙水壓力同樣在監(jiān)測100 d 之后也出現(xiàn)平穩(wěn)增長的趨勢。對比D1-SY3 同樣出現(xiàn)了該問題。分析原因，這是由于D1 和D2 堆載預(yù)壓試驗(yàn)段靠近邊坡圍堰，軟土層中的孔隙水排出圍堰外后又重新滲入到試驗(yàn)段內(nèi)部土層，因此水排出后又產(chǎn)生滲流，孔隙水壓力不會發(fā)生消散，又因?yàn)槎演d一直增加，導(dǎo)致孔隙水壓力不斷增大。

圖10 D2-SY3 孔壓分布曲線Fig.10 Pore water pressure distribution curve of D2-SY3

2.5 深層水平位移

在堆載預(yù)壓加固軟土過程中，由于堆載的填筑，使得預(yù)壓區(qū)軟土土體在產(chǎn)生豎向壓縮變形的同時(shí)，預(yù)壓區(qū)邊緣會由于擠壓發(fā)生水平方向上位移，對不同深度處軟土層發(fā)生的水平位移進(jìn)行監(jiān)測，有利于控制加載速率，防止由于堆載過快而導(dǎo)致的地基失穩(wěn)。文獻(xiàn)[14]規(guī)定，在堆載預(yù)壓過程中，預(yù)壓區(qū)邊界水平位移不應(yīng)超過5 mm/d。各個測斜管對應(yīng)的不同時(shí)間各個深度的水平位移曲線，如圖11 和圖12 所示，其中位移量“+”表示向試驗(yàn)段位移，“-”表示向試驗(yàn)段反向位移。

圖11 D1-CX1 深層水平位移曲線Fig.11 Horizontal displacement curve of D1-CX1 deep layer

圖12 D2-CX2 深層水平位移曲線Fig.12 Horizontal displacement curve of D2-CX2 deep layer

如圖11 所示，D1-CX1 測點(diǎn)于2019 年10 月28日出現(xiàn)水平位移最大值，在深度1.5 m 處向試驗(yàn)段反向位移-18.49 mm。由各時(shí)間點(diǎn)深層水平位移圖可知，水平位移沿深度變化趨勢是相同的，最大水平位移出現(xiàn)在深度1.5 m 處，并且最大位移深度不隨時(shí)間變化。深度達(dá)到5 m 以下，深層水平位移趨近于0，說明該點(diǎn)堆載預(yù)壓影響深度范圍為5 m 左右。由監(jiān)測數(shù)據(jù)計(jì)算可知，深層水平位移速率均小于5 mm/d，最大水平位移速率為1.28 mm/d。

如圖12 所示，D2-CX2 最大水平位移出現(xiàn)在深度2.0～2.5 m 處，最大水平位移值為2019 年10 月21日，在深度2 m 處向試驗(yàn)段位移11.71 m。在深度2 m之上，深層水平位移沿深度越來越大，2.0～2.5 m 之間出現(xiàn)水平位移最大值，深度2.5 m 以下深層水平位移沿深度向下有減小的趨勢，深度5 m 以下深層水平位移變化很小，趨近于0，說明該點(diǎn)堆載預(yù)壓影響深度范圍為5 m 左右。由監(jiān)測數(shù)據(jù)計(jì)算可知，深層水平位移速率均小于5 mm/d，最大水平位移速率為0.83 mm/d。

3 結(jié)語

對湖北某機(jī)場深厚軟土地基進(jìn)行堆載預(yù)壓試驗(yàn)，通過對軟土層頂沉降、孔隙水壓力、水平位移等數(shù)據(jù)的監(jiān)測分析，得到主要結(jié)論如下。

（1）采用排水板堆載預(yù)壓方法對湖北某機(jī)場深厚軟土地基進(jìn)行加固處理效果良好，等載預(yù)壓及超載預(yù)壓兩種方法加固后的軟土固結(jié)度均達(dá)到90%以上。

（2）相比于D1 等載預(yù)壓試驗(yàn)段，D2 超載預(yù)壓試驗(yàn)段在更短的滿載預(yù)壓期內(nèi)達(dá)到了更高的固結(jié)度，且平均固結(jié)度要比等載預(yù)壓高3.39 個百分點(diǎn)，驗(yàn)證了超載預(yù)壓對該填湖機(jī)場軟土地基處理的優(yōu)越性，為后續(xù)大面積堆載預(yù)壓施工提供了參考依據(jù)。

（3）通過雙曲線法對兩種預(yù)壓方式后的軟土工后沉降進(jìn)行預(yù)測，等載預(yù)壓工后沉降量平均為74.11 mm，超載預(yù)壓工后沉降量為25.60 mm，均能滿足設(shè)計(jì)要求。

（4）在沒有進(jìn)行堆載的條件下，由于塑料排水板與水平排水墊層組成的排水系統(tǒng)排水速度較慢，孔隙水壓力消散速度緩慢。比較不同深度孔隙水壓力消散曲線可發(fā)現(xiàn)埋深最淺的孔隙水壓力增大和消散的時(shí)間點(diǎn)最早，并且變化幅度相比更深土層的孔隙水壓力更小，因此淺層軟土加固效果要優(yōu)于更深層土體。但是在堆載預(yù)壓過程中應(yīng)考慮預(yù)壓區(qū)外地基水的滲流問題，在后續(xù)堆載預(yù)壓加固過程中考慮設(shè)置擋水墻等措施，避免水的回滲。

（5）堆載預(yù)壓外邊界深層水平位移速率最大為1.65 mm/d，出現(xiàn)在D2 試驗(yàn)段D2-CX1 監(jiān)測點(diǎn)，深度0.5 m 處，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地基穩(wěn)定規(guī)范值5 mm/d，僅為規(guī)范值的33%，說明兩種堆載方案（等載與超載）的堆載速度不會對該填湖機(jī)場軟土造成破壞，符合地基穩(wěn)定性要求。驗(yàn)證了兩種加載情況下的堆載預(yù)壓在該填湖機(jī)場軟土處理的可行性，保證了堆載預(yù)壓過程中地基土的穩(wěn)定性。