我国东部沿海沿江地区的软土往往具有含水量高、孔隙比大、抗剪强度低、压缩性高、渗透性差、结构性强等特点, 必须经过处理才能满足机场工程的变形与稳定性要求, 因此软土地基处理是大型军 (民) 用机场建设工程必须解决的技术难题。

水泥土搅拌桩是机场软土地基处理常采用的方法, 具有施工速度快、方法易掌握, 且工后沉降较小等优点。目前水泥土搅拌桩桩型为等截面搅拌桩, 即加固区内不同深度的桩体置换率相同, 但由于软土地基的形成及分布的复杂性, 在有些情况下仍采用等截面搅拌桩进行加固处理往往效果较差或造成浪费。如滨海相沉积的软黏土当其表面暴露到空气中时, 由于蒸发失水, 经过雨水的淋滤及不断的物理化学变化, 形成不同于下部软土层的硬壳层, 硬壳层一般结构性强、强度较高、呈中等或低压缩性、具有很好的承载力, 故对于具有一定厚度、性质较好、连续分布的硬壳层, 工程中一般尽量加以利用。而一些池塘、湖滨或新近填土则是上部为软土、下部为中等压缩性土。由于历史沉积原因, 在一些地方存在高压缩性的软土层处于中间而其上部和下部为中等压缩性土层。对于上述软土地基分布形式, 仍采用传统的等截面搅拌桩进行处理就显得不合适。为了解决该问题, 有学者提出了基于竖向刚度优化的变截面双向搅拌桩处理成层软弱地基方法, 因地制宜, 在性质差的软土层中采用大直径桩体, 即高置换率, 在性质相对较好的土层采用小直径桩体, 即低置换率, 有针对性地对该类软土地基进行经济、有效的处理。

本文结合某机场扩建工程软土层分布特点, 选择典型场地开展变截面双向搅拌桩加固软弱地基的现场试验, 进行桩身强度检测、单桩荷载试验、单桩复合地基荷载试验、地基反应模量试验和沉降观测, 分析变截面双向搅拌桩加固机场软土地基的效果, 以确定最佳的设计施工参数。

依据勘察资料, 工程场地的地貌为冲 (淤) 积平原, 地形较平坦, 本工程停机坪原有场地大部分为池塘, 后经回填整平, 填土呈松散~稍密, 主要成分为杂 (素) 填土 (以花岗岩建筑垃圾和残积土回填) , 含少量碎石和块石, 呈中等压缩性, 厚度为2m左右。其下为2~3m厚的淤泥, 含高岭土、氧化铁、石英等, 含较多有机质、腐殖质等。淤泥层下卧2~3m厚的粉质黏土, 含高岭土、氧化铁、石英等, 含较多中粗砂。以上3层土为场地地基的主要压缩土层, 厚度为6~8m, 下为中粗砂层以及花岗岩风化而成的残积土、全风化岩、强风化岩。

该场地的地基构成及特征自上而下描述如下: (1) 杂 (素) 填土 (Q₄^m1) 松散~稍密, 主要为建筑垃圾和残积土回填, 填土堆填时间大部分不超过10年。主要成分为黏性土、中粗砂, 含少量碎砖、碎块等。未经过压实处理, 尚未完成自重固结。层厚为0.30~3.40m, 标准贯入击数平均值N=10.8击。 (2) 粉质黏土 (Q₄^al) 软塑~可塑, 含高岭土、氧化铁、石英等。以粉质黏土为主, 少量为黏土, 层厚为0.40~2.90m。标准贯入击数平均值N=10.0击。 (3) 淤泥 (Q₄^m) 软~可塑, 含高岭土、氧化铁、石英等, 含较多有机质、腐殖质等, 以淤泥为主, 部分为淤泥质土, 层厚为1.20~6.80m。 (4) 粉质黏土 (Q₄^al) 可塑, 含高岭土、氧化铁、石英等, 含较多中粗砂, 层厚为0.80~11.30m, 标准贯入击数平均值N=16.2击。 (4) ₁中粗砂 (Q₄^al) 中密为主, 部分为松散、稍密, 以粗砂、砾砂为主, 含少量中砂, 砂的成分主要为石英, 呈亚圆状, 层厚为1.50~9.60m, 标准贯入击数平均值N=17.1击。 (4) ₂淤泥质土 (Q₄^m) 可塑, 含高岭土、氧化铁、石英等, 含较多有机质、腐殖质等, 层厚为1.90~8.70m, 标准贯入击数平均值N=6.0击。 (5) 残积砾质黏性土 (Q^el) 浅黄色, 硬塑~坚硬, 该层N<30击, 花岗岩风化而成, 含高岭土、氧化铁、石英等, 含较多粗砂、砾砂等。以砾质黏性土为主, 少量为砂质黏性土, 层厚为0.90~17.30m。标准贯入击数平均值N=20.3击。 (6) 全风化花岗岩 (r) 极软岩, 岩体结构已大部分破坏, 矿物成分已显著变化, 岩芯大都呈砂土状。岩体基本质量等级为Ⅴ级, 含高岭土、石英、少量长石等, 层厚为1.00~7.40m。标准贯入击数平均值N=39.6击。 (7) 强风化花岗岩 (r) 软岩, 含高岭土、氧化铁、长石、石英等, 岩体结构已大部分破坏, 矿物成分已显著变化, 风化裂隙很发育, 岩体破碎, 岩芯用手易折断, 见水易软化。岩体基本质量等级为Ⅴ级, 层厚为1.40~15.50m, 标准贯入击数N≥50击。

由于该工程软土地基的分布在场地区域内有所不同, 故将场地划分为8个区域, 不同区域的处理土层厚度略有差异, 选择Z6区为典型区域进行现场试验, Z6区岩土层分布如图1所示。

为保证机场设计软土地基满足有关技术要求, 应对杂 (素) 填土、淤泥和粉质黏土层进行地基处理, 拟处理主要土层的物理力学指标如表1所示。

经过方案比选, 采用变截面双向搅拌桩 (中间桩体扩大) , 上部的素填土和下部的粉质黏土采用0.5m的小直径搅拌桩, 中间的淤泥层采用1.0m的大直径搅拌桩, 桩间距为1.8m, 采用正三角形布桩。

地基处理的要求为: (1) 28d的搅拌桩桩身强度≥0.8MPa; (2) 复合地基承载力特征值≥120k Pa, 地基反应模量≥40MN/m³; (3) 处理后的复合地基工后沉降不超过10cm, 不均匀沉降<5cm。

变截面双向搅拌桩立面如图2所示。

对Z6区的1根单桩进行了浅部开挖, 如图3所示, 从中可以看到明显的台阶形状, 即上部小直径桩体与中间扩大头的突变, 表明变截面搅拌桩的施工工艺能实现搅拌桩的变径设计。

对Z6区随机抽检搅拌桩进行标准贯入试验和芯样的无侧限抗压强度试验, 试验结果如图4所示。

由图4可以看出变截面双向搅拌桩的标准贯入击数集中在20~40击, 且随深度变化不大。变截面双向搅拌桩芯样的无侧限抗压强度在1.0~2.3MPa, 均超过了设计值0.8MPa, 同样无侧限抗压强度随深度变化不大, 这说明变截面双向搅拌桩采用了双向搅拌技术, 提高了搅拌均匀性, 保证了水泥掺入量, 大大改善了搅拌质量。

在Z6区进行了3根单桩荷载试验, 试验结果如表2、图5所示。

从单桩荷载试验的结果可以看出, Z6-62-8单桩已经加载至破坏, Q-s曲线呈陡降型, 其极限承载力为450k N, 另外2根单桩加载至500k N时还未破坏, 其极限承载力应≥500k N。由于变截面双向搅拌桩采用双搅工艺施工, 其桩身强度一般高于常规搅拌桩, 同时变截面双向搅拌桩在中部有相对大面积的扩大头作用使其承载力明显提高。因此在相同地质条件下, 变截面双向搅拌桩的单桩极限承载力能达到常规搅拌桩的3倍以上 (常规水泥土搅拌桩的直径一般为0.5m) , 这表明变截面双向搅拌桩能有效提高地基承载力。

在Z6区进行了2根单桩复合地基荷载试验, 试验结果如表3、图6所示。

从图6可以明显发现2根单桩复合地基荷载试验均加载至破坏, 复合地基极限承载力均为260k Pa, 根据复合地基承载力特征值确定方法可以得到复合地基承载力特征值均为130k Pa, 满足设计要求。

对于上节中进行的2根单桩复合地基荷载试验, 参照MHJ5004—2010《民用航空运输机场水泥混凝土道面设计规范》计算地基反应模量, 计算结果均满足设计要求 (见表4) 。

地基处理结束后, 在复合地基表面进行了碎石垫层 (厚50cm) 和水泥混凝土面层 (35cm) 施工, 考虑变截面双向搅拌桩复合地基的上部面积置换率较低, 桩土差异沉降相对较大, 故在复合地基表层和碎石垫层之间铺设了1层钢塑格栅, 以减小桩土差异沉降。面层施工结束后在上部设置了12个沉降观测点。大部分观测点的沉降值<10mm且基本稳定, 最大值也仅28mm。沉降监测结果表明复合地基的沉降远远优于设计要求。

根据某机场扩建工程的地质条件和工程要求, 采用变截面双向搅拌桩技术进行地基处理, 通过现场试验分析了变截面双向搅拌桩快速加固机场跑道软土地基的效果。

1) 根据勘察资料, 该工程软土层位于地表以下2m左右, 软土层厚度为2~3m, 软土层上部和下部均有一定厚度的中等压缩性土层。采用变截面双向搅拌桩进行处理, 在软土层中采用较大的桩径, 而在中等压缩性土层采用较小的桩径。

2) 现场开挖显示变截面双向搅拌桩施工能顺利形成设计所要求的变截面桩体。

3) 变截面双向搅拌桩的标准贯入击数集中在20~40击, 芯样的无侧限抗压强度在1.0~2.3MPa, 随深度变化不大, 这说明变截面双向搅拌桩由于采用了双向搅拌技术, 提高了搅拌均匀性, 使得搅拌桩的桩身质量得到根本保证。

4) 变截面双向搅拌桩单桩的极限承载力为450k N以上, 是常规搅拌桩的3倍以上, 复合地基承载力特征值为130k Pa, 地基反应模量分别为47.1, 43.3MPa/m, 观测期内的累计沉降量在1~28mm, 均满足设计要求。