0 引言

我国的西北黄土高原为典型的侵蚀剥蚀黄土梁峁地貌，地形起伏、沟谷深切^[1]。由于早期人们对自然的改造，在黄土梁峁的下部形成大量的人工窑洞，而修建窑洞时往往需要对自然边坡斩脚、挖洞，改变原有边坡的自然稳定状态，并可能诱发滑坡、崩塌等地质灾害^[2]。后续在窑洞地区进行工程建设，特别是在窑洞上方进行削峰填谷的高填方工程时，窑洞群的存在使得高填方工程的边坡稳定性存在安全隐患，目前对于窑洞地区的地基处理技术有一些实际案例^[3]，但在窑洞群地区进行高填方地基处理尚缺乏经验，因此，开展高填方填筑过程中人工窑洞群的地基处理技术研究具有重要的工程意义。本文以西北某机场高填方工程为例，针对该地区大量存在的人工窑洞群，开展了高边坡人工窑洞地基处理技术研究，并对处理效果进行了检测。

某机场因工程建设需要，建于西北黄土高原山区，场地内需要进行大规模“挖山填沟”的高填方工程。在某一高填方边坡的下部，有人工窑洞11个。窑洞的开挖主要是在黄土底部，土质较为坚硬，窑洞宽2～3m、高2.5～3m、深3～6m，窑洞顶部上覆黄土厚度7～9m。按照工程设计要求，窑洞群处于高填方边坡内部，高填方边坡的填筑坡度为1∶2.5，窑洞群的顶部填方高度15～20m。规范要求回填土的压实度≥93% (重型击实试验标准) ，回填压实后的地基承载力≥150kPa，变形模量>10MPa^[4]。

人工窑洞群边坡的横、纵断面如图1所示，由图可知，窑洞分布密度较大，且窑洞上方填方高度大，如不能有效处理好人工窑洞群，保证高填方地基稳定密实，将可能会引起次生地质灾害，给工程建设造成危害。

在机场高填方工程中，高填方地基的总要求是:稳定、均匀、密实，因此，对人工窑洞群的处理，主要是保证地基的稳定和密实，防止洞顶坍塌陷落造成危害^[1]，同时综合考虑施工的可操作性和便利性、工程造价的经济性和合理性。对于人工窑洞群，传统的处理方式主要有: (1) 注浆填充将每个窑洞口封挡，向内充填素混凝土。此方法能够将人工窑洞充填密实，但是人工窑洞群数量较多，经济性差。 (2) 全部挖除将人工窑洞群全部挖除，该方法施工操作不便利、施工安全保障性不强、挖除和补填土石方量大、经济上不合理。

综合分析以上两种方式，提出了“充填窑洞+开挖覆土+强夯”的处理方法，如图2所示，处理流程如下:清理窑洞，采用机械配合人工的方式将窑洞体内充填，清理一定厚度的原状覆土，在窑洞顶部开展强夯，将窑洞击穿密实处理。该法既保证人工窑洞密实，避免了次生地质灾害发生，又能解决施工操作不便、安全保障性不强、挖除和补填土石方量大、经济上不合理等问题，从而确保了高填方地基的稳定。具体施工技术要点如下。

1) 人工窑洞清理将窑洞内的生活和建筑垃圾、杂物等清理。

2) 填土充填窑洞 (1) 自窑洞底面开始，随着压实填土的高度上升，采用挖掘机械，通过机械臂和铲斗将填土向洞体内充填填料，同时利用机械臂的前后位移尽可能向洞内压实土体，直至机械臂无法再向洞内推进; (2) 接近洞顶，机械不便操作的情况，采用人工下洞内填土; (3) 充填过程中尽可能保证洞体饱满。

3) 开挖覆土随着压实填土的高度上升，至洞顶上4m高度，将上覆一定厚度的原状土开挖，开挖后的土体可直接移至填土压实作业场地。

4) 强夯处理对于挖除覆土平整后的场地，开展定点强夯施工，点夯击能为6 000kN·m，单点夯击次数以最后2击夯沉量来控制 (最后2击平均夯沉量<10cm) ，当夯坑过大时向坑内填筑填料，直至满足控制标准^[5]。

为保证人工窑洞群的处理质量，提供技术上可行的实施技术参数，选择其中1个窑洞开展强夯处理试验^[6,7,8]。单点夯试验采用6 000kN·m，试验击数18击。强夯试验的夯沉量与击数、累计夯沉量与击数关系曲线如图3所示。根据图3并结合现场强夯试验，得到以下试验结果。

1) 当单点夯第6击后，夯沉量剧烈下降，人工窑洞的顶部已被击穿。

2) 当单点夯第8击后，累计夯沉量达到了136.8cm，不利于强夯继续操作，此时向夯坑内回填填料，充满夯坑后继续开展单点夯试验施工。

3) 当单点夯第12击后，累计夯沉量达到了224.1cm (回填后的夯沉量达到87.3cm) ，向夯坑内回填填料，充满夯坑后继续开展单点夯试验施工。

4) 至15, 16击，单击夯沉量分别为9.2cm和7.5cm，两击的夯沉量之和为16.7cm，夯沉量之差为1.7cm，平均夯沉量8.35cm。

结合规范相关要求和试验结果，提出对人工窑洞群进行强夯处理时应遵循以下要求。

1) 单击夯击能6 000kN·m。

2) 在第6击前后窑洞被击穿时，第8击后，夯坑过深不利于强夯继续实施，此时向夯坑内回填填料，至充满夯坑。

3) 在第12击后，向夯坑内再次回填填料。

4) 单点击数16击，根据夯沉量收敛情况进行双控，即最后2击平均夯沉量<10cm，不满足上述要求应追加击数。

为了检验强夯后地基强度以便进行施工质量控制，在处理后的地基面层进行荷载试验^[9]。试验采用0.5m²圆形承载板，直径0.798m，最大加荷为400kPa，荷载每级增量为40kPa。得到强夯后地基承载力为160kPa，变形模量计算值为15.3MPa，完全满足设计要求。

为检验强夯后地基密实程度，对试验地基土体进行灌砂法压实度检测^[10]。过程中采用挖掘机下挖分层检测，检测位置分别为面层、1m深度、2m深度、3m深度，检测成果如表1所示。由表1可知，经强夯密实处理后，回填土的压实度达到93%以上，满足压实度设计要求。

在上述窑洞强夯处理后，在填筑体面层上进行面波测试，处理区底部未出现低波速体及不连续波速，表明窑洞已被强夯密实。统计8.0m有效检测深度内土体面波波速，并与正常压实后填土的面波波速进行对比 (检测点数为10) ，强夯处理后波速为167.4～211.6m/s，正常压实土波速为155.3～207.6m/s，窑洞强夯处理后面波波速范围值略高于正常压实填土的范围值，这表明经强夯处理后填筑体整体密实效果良好。

1) 对机场高填方边坡下人工窑洞群提出了“充填窑洞+开挖覆土+强夯”的处理方法。该方法既可以保证人工窑洞密实，避免次生地质灾害发生，又具有施工简便、安全性高并经济合理等优点。

2) 通过单点夯试验对“充填窑洞+开挖覆土+强夯”施工工艺参数进行了探讨，通过分析夯沉量与夯击次数关系并结合现场实际，得出了人工窑洞强夯密实的施工技术参数。

3) 对强夯后的地基处理效果进行试验检测，载荷试验、密实度试验和面波试验结果均表明，采用“充填窑洞+开挖覆土+强夯”工艺进行施工后，地基物理力学参数满足设计要求，且夯后土体较为密实，地基处理取得了良好的效果。