马尔代夫维拉纳国际机场改扩建工程实施过程中, 因机场所在的瑚湖尔岛陆地面积极为有限, 南北向不能满足布置长3 400m的4F级跑道需要, 东西向不能满足布置新跑道及平行滑行道间距要求, 因此解决机场岛的土地短缺问题需要进行填海造地。根据马尔代夫当地条件, 采用珊瑚砂作为填料进行陆域吹填。原有场地卫星图片、既有陆域与新填海区域示意如图1, 2所示。

目前, 国内基本没有可以借鉴的珊瑚砂填海造地工程案例, 唯一已知的珊瑚砂吹填工程位于我国南沙群岛, 其数据资料完全保密;国际上与珊瑚砂有关的项目及针对材料性能的研究较少。本工程填海及相关技术研究是工程实施要解决的重要技术问题之一。

基于对珊瑚砂特性研究、飞行区对地基基础受力要求以及机场跑道地基承载力要求、变形要求和道面结构要求, 确定了地基处理深度。通过地基处理小区试验, 对比了冲击碾压和振动碾压2种处理方法和不同振动参数, 检验了地基处理方法的适用性和可靠性, 并提出了相应的质量检测方法。最终形成了一套吹填珊瑚砂机场跑道地基处理方法和检测手段, 为飞行区地基处理工作的顺利开展提供了保障。

根据已有研究的不同机型下地基附加应力沿深度变化曲线 (见图3) ^[1,2], 可以看出中低压缩性地基中, 深度≥4.0m时飞机荷载所产生的地基附加应力很小。因此, 在满足沉降要求的前提下, 中低压缩性地基中基底以下4.0m深度范围内是地基处理的重点区域, 故将本次地基处理深度设定为4.0m。

根据机场跑道地基处理要求和珊瑚砂颗粒结构特点, 分析振动碾压、冲击碾压、振冲法和强夯法4种常用地基处理方法特点, 如表1所示^{[3,4,5,6,7,8,9]}。最终确定采用冲击碾压和振动碾压进行小区试验。

通过现场小区试验, 验证本工程地基处理方案是否满足飞行区场道工程对地基的要求, 并确定满足工期要求且经济合理的地基处理参数和质量检测方法。

1) 针对珊瑚砂地基的不利特性, 通过小区试验方案进行地基处理方法比选, 结合各项试验指标对比结果, 综合选择科学、合理、有效、经济的地基处理方法。

2) 验证地基处理方案的可行性, 确定大面积施工工艺参数, 并通过沉降观测结果及珊瑚砂地基处理机理分析得出地基处理方法, 根据试验结果制定适用于本工程的地基处理检测方法及检测指标。

本工程地基处理范围为飞行区区域, 包括跑道, 东、西停机坪及巡场路。

根据原有陆域区、新填海区及吹填珊瑚砂区域的厚度, 将场地划分为A, B, C 3个区域。根据地层条件和土基顶标高共设置5个试验区, 试验区场地位置如图4所示。

根据MH/T5004—2010《民用机场水泥混凝土道面设计规范》、MH/T5010—2017《民用机场沥青混凝土道面设计规范》、MH/T5027—2013《民用机场岩土工程设计规范》以及飞行区道面设计计算参数, 本工程地基处理目标如表2所示。

针对地基处理目标设定了试验区检测项目, 其中承载力、道面结构要求通过现场原位试验直接检测, 包括浅层平板静载荷试验、土基反应模量试验 (k₀) 、加州承载比试验 (CBR) 、动力触探;变形要求通过小区试验取得的数据及沉降观测成果, 根据理论公式由设计单位通过计算进行复核。

试验要求:载荷试验的承压板可采用圆形或正方形钢板, 面积≥0.5m²。试验过程应严格执行相关规范, 确保试验数据真实可靠。

检测数量:每个子试验区检测6个点。

试验要求:采用MH/T5027—2013《民用机场岩土工程设计规范》附录A的试验方法, 在表层进行土基反应模量试验。

检测数量:每个子试验区检测6个点。

试验要求:采用MH/T5027—2013《民用机场岩土工程设计规范》附录B的试验方法进行室内试验和处理后顶面原位试验。

检测数量:每个子试验区室内和原位检测各6个点。

试验要求:采用重型圆锥动力触探试验检测深度至礁灰岩层。地基处理前后均进行动力触探试验, 以便验证地基处理效果及影响深度。应严格按照相关规范执行, 详细记录试验数据。

检测数量:每个子试验区每200m²设置1个检测点。

在新填海区和原有陆区范围进行表层沉降监测和分层沉降监测。表层沉降监测点24个, 其中10个位于原有陆域;分层沉降监测点10个, 其中4个位于原有陆域。监测精度<1mm。

原有陆域监测频率为前2周每周1次, 以后每月1次;新填海区监测频率为前4个月每周1次, 以后每半月1次, 持续4个月, 以后每月1次;试验区监测频率同新吹填海域监测频率。

沉降监测应制定相应的监测方案, 确保精度及质量要求。具体要求应按照GB50025—2007《工程测量规范》, 并参照JGJ8—2007《建筑变形测量规范》执行。

小区试验采用振动碾压和冲击碾压2种方式。根据前期取得的施工经验, 小区试验段地基处理方法为:在已平整的场地采用26t和36t振动压路机进行振动碾压 (试验区Ⅰ同时验证冲击碾压) , 碾压遍数按照各试验区要求执行。地基处理工艺为:场地平整至试验标高→处理前检测→洒水→振动碾压/冲击碾压→沉降观测→处理后检测。

对最后碾压4遍的沉降量进行观测, 每2遍观测1次, 共2次, 要求每次沉降量≤1.0cm。如最后4遍沉降量不满足要求, 施工单位应增加碾压遍数, 直至满足沉降量要求。碾压前初始标高需进行测定。

通过对试验结果进行分析可得出如下结论: (1) 地基处理前后, 地基承载力均能达到200kPa (3倍安全系数) , 满足设计要求; (2) 碾压处理后珊瑚砂的变形模量较高; (3) 地基处理前后变形模量的差异较大。典型试验区平板静载荷试验结果如表3所示。

通过对试验结果进行分析可得出如下结论: (1) 振动碾压处理后的土基反应模量比冲击碾压处理后的高; (2) 比较试验区处理前后结果, 振动碾压处理后土基反应模量有提高; (3) 对于提高土基反应模量, 采用26t和36t振动碾压机的处理效果接近。典型试验区振动碾压后土基反应模量试验结果如图5所示。

通过对试验结果进行分析可以得出如下结论: (1) 5个试验小区内地基处理后的CBR均高于20%, 满足设计要求; (2) 试验区V地基处理前后CBR提高不显著。典型试验区CBR试验结果如图6所示。

通过对试验结果进行分析可得出如下结论: (1) 根据处理前后动力触探结果对比, 冲击碾压处理的影响深度可达2.5m, 26t振动碾压机处理后影响深度约为4.5m, 36t振动碾压机处理后影响深度约为6.1m, 振动碾压的影响深度大于冲击碾压; (2) 采用36t振动碾压机处理后, 在-4.000m标高以上动力触探击数提高较为显著; (3) 确定采用36t振动碾压机, 碾压遍数为40。典型试验区地基处理前后动力触探试验结果如图7所示。

本文基于珊瑚砂工程特性和机场跑道地基受力特性需求, 确定了适用的地基处理方案和处理深度, 并通过地基处理小区试验和系统原位测试, 验证本工程地基处理方案的有效性, 确定了施工工艺和参数, 形成了一套吹填珊瑚砂机场跑道地基处理方法。

1) 根据机场跑道地基受力特性, 中低压缩性的地基在满足沉降要求的前提下, 基底以下4.0m深度范围内是地基处理的重点区域。

2) 通过小区试验各项检测指标及沉降计算结论, 证明了通过振动碾压的方式进行地基处理能够满足本工程飞行区跑道的地基处理目标。

3) 根据地基处理小区试验, 对承载力要求和道面结构要求, 通过现场试验进行检测;变形要求根据小区试验取得的数据及沉降观测结果, 通过理论公式由设计单位进行计算复核。地基处理小区试验验证的上述成果均能够满足设计单位提出的地基处理要求。

4) 通过小区试验, 最终确定的地基处理碾压遍数为:采用36t振动碾压机, 碾压遍数控制在40。对最后碾压4遍的沉降量进行观测, 每2遍观测1次, 共2次, 要求每次沉降量≤1.0cm。如最后4遍沉降量不满足要求, 施工单位应增加碾压遍数, 直至满足沉降量要求。