黃河下游某機場膨脹土力學性質研究及處理方案

徐鳳琳

(濟寧市勘測院,山東 濟寧 272000)

1 概述

膨脹土病害問題一直困擾著世界范圍內的建筑工程,盡管經過多年努力,國內外的專家學者仍未能找到合適的方法予以解決,這個問題甚至被稱之為巖土工程界的“癌癥”。這種材料在工程上表現出了滲透性差、吸水后膨脹、失水收縮多且容易出現裂隙等不利特性。災難造成了全球150億美元以上的經濟損失,可悲的是,我國成為了其中受災最為嚴重的國家之一。膨脹土的主要黏土礦物有蒙脫石、伊利石和高嶺石等,但是其脹縮性主要源于親水性的黏土礦物——蒙脫石和伊利石。這兩者有著非常大的比表面和陽離子交換量,在與水接觸時會吸收水分,導致其間粒子膨脹和礦物晶體的膨脹。工程建筑對環(huán)境造成的破壞是非常不容忽視的,因而修復起來也毫不容易。膨脹土地區(qū)的土質和建筑物常常具有標志性特征:土壤出現明顯的裂隙,有光滑的面和擦痕,而且一些裂隙中充滿了多彩的黏土,這些特征在自然條件下呈現出堅硬或者硬塑的狀態(tài)。多層建筑物經常會因為各種原因而裂成“倒八字”形或“X”形裂縫,這樣的情況經常出現。氣候變化導致的開放和封閉裂縫道路的連續(xù)裂縫,常隨天氣變化而不可避免地泛濫開來,猶如潮漲潮落,一波一波地侵蝕著道路表面。

膨脹土在我國廣為分布,遍及廣西、云南、河南、湖北、四川、陜西、河北、安徽、江蘇等多個地區(qū),其分布范圍之廣可謂是驚人之舉。因為工程建設的緣故,膨脹土所引發(fā)的經濟、資源的巨大損失、生態(tài)環(huán)境的惡化和水土的流失問題非常嚴重,從而引起了巖土工程界的廣泛關注。隨著中國現代化的發(fā)展,出行頻率越來越多,出行方式越來越多元化,飛機出行能大大節(jié)省出行時間,幾年來需求量越來越大,機場建設勢在必行。機場跑道飛機起降及滑行的構筑物,由于飛機在起落、滑行階段速度較快,需要機場跑道具有一定強度、剛度及平整度。膨脹土是一種在形貌上及工程地質性質具有特殊性的土,由于對工程建筑產生的嚴重破壞,引起人們重視。膨脹土對跑道地基破壞主要有兩個方面[1]:1)基底懸空,從而造成跑道斷裂;2)造成跑道起伏不平。這兩種破壞是飛機航行不允許的,需對膨脹土進行處理。

前期工程地質調繪,對于查明場區(qū)附近的地貌及地質條件,對于穩(wěn)定性及適宜性評價具有很重要的意義,由于膨脹土等特殊性土的形成,需要特定的地質條件,通過對于前期地質條件初判,進行專門工程地質調查,不僅能大大節(jié)省資金,也能使研究更有針對性,為機場選址提供一手資料。通過對膨脹土工程特性研究,提供處理建議,為機場建設提供技術支撐。

2 工程地質調查

2.1 地形地貌

該場地總體為河流洪積山前平原地貌類型。以山麓斜坡堆積為主,場區(qū)內分布三條河流,分別位于場區(qū)西側、場區(qū)中部及場區(qū)東側,存在山前平原及河流二級階段等地形地貌。

2.2 氣候、水文條件

研究區(qū)為暖溫帶半濕潤季風區(qū),大陸性氣候,四季分明。近十年常年平均氣溫14.0 ℃,最高38.7 ℃、最低氣溫-15.4 ℃,最熱為7月,平均26.9 ℃;年平均降水量757.6 mm,年最大897.2 mm,最小降水量508.3 mm,降水主要集中在7月—8月。可見存在干濕交替情況,大氣影響深度4.60 m,大氣影響急劇層深度2.07 m。

研究區(qū)地表水系主要有3條。河流1位于勘察區(qū)以西約800 m處,呈北西向和北東向的弧形延伸。河道總寬度90 m,河床寬度26 m。河底高程45.00 m左右,二灘高程48.20 m左右,兩岸河堤高程50.80 m左右。目前河道沒水。河流2位于勘察區(qū)東南約300 m處,呈北東向延伸。河道總寬度140 m,河床寬度60 m。河底高程45.00 m左右,二灘高程48.50 m～49.50 m,兩岸河堤高程52.00 m左右。目前河道沒水,河流3位于勘察區(qū)中部,呈南北向延伸。河道總寬度60 m～70 m,河床寬度15 m左右。河底高程45.00 m～46.50 m,二灘高程47.50 m～48.50 m。目前,河道西岸河堤已不復存在,河道東岸河堤少量殘留,堤頂高程48.80 m～49.60 m。目前河道沒水。

研究區(qū)地下水以第四系松散層孔隙水為主。場區(qū)地下水的補給途徑主要為大氣降水以及地表水體的側向補給,排泄途徑主要為人工抽水、地表蒸發(fā)和地下徑流。該區(qū)地下水年變化幅度大約2 m～5 m。一般每年的3月—5月份地下水位降至最低,6月—9月份升至最高,10月—2月份相對平穩(wěn)。該區(qū)近3年—5年最高水位埋深約6.00 m。地下水歷史最高水位埋深約4.00 m,對應標高為44.00 m。

2.3 調查結果

從地形地貌及判斷氣候、水文條件存在膨脹土可能性較大,開展工程地質調查是必要的。通過調查場區(qū)內存在倒八字形裂縫及地面裂縫情況,圖1是場區(qū)某3層建筑物出現裂縫的例子。根據建筑物巖土工程勘察報告及結構設計文件,該建筑物地基土層為:0 m～2.0 m粉土夾粉質黏土,2.0 m～4.5 m黏土(即膨脹土),4.5 m以下為粉質黏土,與機場跑道地層連續(xù)一致;建筑采用了天然地基,對膨脹土未作工程處理。現在建筑的內墻、外墻,門、窗上下,均產生了多處“倒八字”形,“X形”和其他形狀的裂縫。

圖2是場區(qū)西部水泥路面出現的裂縫。根據觀察,同樣一條水泥路面,地表黏土發(fā)育的路段,裂縫就發(fā)育,地表黏土不發(fā)育的路段,裂縫不發(fā)育。進一步證明了該區(qū)黏土具膨脹性,且破壞性強。

3 膨脹土特性研究

3.1 膨脹土分布

已有的鉆孔資料顯示,場區(qū)內近地表膨脹土比較發(fā)育。膨脹土主要分布在場地東部和西部,中間局部地段以砂土為主。膨脹土主要巖性為黏土。一般發(fā)育有夾層,夾層以粉質黏土和粉土為主,局部為中細砂。膨脹土厚度1.0 m～4.0 m不等,平均2.3 m。膨脹土埋深一般3.5 m～5.0 m,平均4.2 m。

3.2 取樣及試驗方法

根據機場跑道位置,在跑道自東向西均勻布置5個區(qū)鉆孔,進行了現場取樣,在5個工程地點每個鉆孔取3個原狀土樣,共15件,進行常規(guī)物理力學試驗,根據GB/T 50123土工試驗方法標準[2]進行室內土工試驗。

3.3 膨脹土工程性指標

統(tǒng)計時,對異常數據進行取舍,范圍值采用舍棄后的最大值、最小值。各指標的標準值按不利組合考慮。當該組合無意義時,則空缺,如統(tǒng)計個數不足6個,只提供統(tǒng)計平均值。異常值按95%置信水平剔除,最后提供的數據包括參與統(tǒng)計樣本數、最大值、最小值、平均值、標準差、變異系數、標準值。根據《巖土工程勘察規(guī)范》14章相應統(tǒng)計公式[3],統(tǒng)計計算公式如下:

φk=γs.φm。

其中,rs為統(tǒng)計修正系數;σf為標準差;n為參加統(tǒng)計數據個數;φm為巖土參數的平均值;φk為巖土參數的標準值。

利用華寧17.5軟件對室內土工試驗數據進行統(tǒng)計(見表1)。

跑道區(qū)域內膨脹土水的質量分數均在20%～40%之間,由于運輸及保養(yǎng)階段有水分流失,其自然狀態(tài)下含水率應該更高;孔隙比一般為0.950,孔隙比偏高,土中具有較多裂隙,具有一定的結構性;從液限、塑限、塑性指數及液性指數數據來看,屬硬塑高液限黏土,符合膨脹土物理特征,側面反映其膨脹性;土體黏聚力57.8 kPa,內摩擦角16.5°,屬中壓縮性土;膨脹土的自由膨脹率(δef)一般40%～72%,平均55%,以弱膨脹潛勢為主,少量樣品達到中等膨脹潛勢。50 kPa壓力下的膨脹率(δe50)0.3%～0.8%,平均0.5%。收縮系數(λs)0.32～0.46,平均0.40。膨脹力(Pe)17 kPa～22 kPa,平均19 kPa。

表1 機場跑道膨脹土物理力學指標

3.4 膨脹土變形量計算

按照GB 50112—2013膨脹土地區(qū)建筑技術規(guī)范相關條款和計算公式:

地基土的膨脹變形量:

Se=ψe∑δepi·hi。

地基土的收縮變形量:

Ss=ψs∑λsiΔwi·hi。

地基土的脹縮變形量:

S=ψ∑(δepi+λsi·Δwi)hi。

其中,ψe為計算膨脹變形量的經驗系數,采用0.6;ψs為計算收縮變形量的經驗系數,采用0.8;ψ為計算脹縮變形量的經驗系數,取0.7;ψw為土的濕度系數,采用0.64;da為大氣影響深度,取4.60 m。

選擇5個計算點,對各點的分級變形量進行計算,結果見表2。

表2 膨脹土分級變形量計算結果表

根據以上計算結果,判定該區(qū)膨脹土脹縮等級為Ⅰ級—Ⅱ級。

4 機場膨脹土處理措施

消除或減輕跑道基礎下膨脹土的脹縮變形量,保證跑道正常適用,是處理機場工程膨脹土的主要原則。如:安徽合肥新橋機場、湖北宜昌機場及武漢機場等機場建設中都遵循這個原則。

工程中膨脹土處理手段及適用條件主要有[4-8]:1)換土法:采用非膨脹土進行置換,并采取排水、隔水措施,能從根本上消除膨脹土危害。2)墊層法:用于膨脹土層較薄的情況,采用部分換填方式,主要作用減少脹縮變形量及調節(jié)不均勻沉降。3)濕度控制法:通過控制土體中含水量,達到控制變形的目的,此方法適用范圍較小。4)壓實度控制法:通過機械壓實,提高膨脹土密實度及承載力,該法應用范圍有限,只針對弱膨脹土,改善變形能力有限。5)土質改良法:采用其他材料與膨脹土進行融合,改善膨脹土工程性質。常用改良方法:物理改良法、化學改良法與綜合改良法。其中物理改良法,采用非膨脹性材料與膨脹土進行摻和,從而減弱其膨脹性,這也導致其適用范圍有限,不能根本上消除膨脹性;化學改良法,采用添加材料,如石灰、水泥、有機與無機化學漿液等,使膨脹土進行化學反應,能從根本上消除其膨脹性;綜合改良法:是前兩種方法結合,形成有效互補,在工程界應用越來越多,應用較多材料有:二灰土、石灰砂粒料與礦渣復合料等。6)土工合成材料加固法:在路基中應用廣泛,通過土工材料對水起到隔離防滲的效果,進而控制膨脹土變形量,其優(yōu)點是施工方便、環(huán)保,缺點是后期維修較復雜。

本次研究機場跑道脹縮等級為Ⅰ級—Ⅱ級,由于飛機跑道較長,范圍較大,且對變形控制較為嚴格,墊層法、濕度控制法、壓實度控制法及土工合成材料加固法由于適用范圍及后期維修等因素不適用作為飛機跑道膨脹土處理手段,建議采用換填法及土質改良法(化學改良法及綜合改良法)。采用化學改良法及綜合改良法時,應該以試驗為手段分析研究并掌握化學摻料改良膨脹土效果,以確定合適用料比例。

5 結論

1)因膨脹土的形成具有特定的地形地貌及水文氣候條件,且對建筑物破壞具有一定辨識特征,開展工程地質調查是必要的。2)本區(qū)膨脹土孔隙比偏高,屬硬塑高液限黏土,以弱膨脹潛勢為主,少量樣品達到中等膨脹潛勢。3)跑道區(qū)域膨脹土脹縮等級為Ⅰ級—Ⅱ級,建議采用換填法及土質改良法(化學改良法及綜合改良法)。