工程界一般将回填高度>20m的填方地基称作高填方地基,近年来在工程实践中,动辄几十米,甚至上百米的超高填方地基层出不穷,传统的土石方回填和地基处理方法限制了高填方地基的应用范围,在原地面处理、回填方法、地基处理工艺上如果采取的工程措施不当,高填方地基的回填高度和加固效果会受到限制,由此形成的隐患也很多,如地基沉陷、边坡滑坡、不均匀沉降等。如何找到一种高效、安全的超高填方加固方法,广大工程技术人员一直在工程实践中不断摸索。

九寨黄龙机场位于青藏高原南麓,四周群山环绕,机场场址位于一个连续的半山坡上,原地貌高差较大,有多条冲沟垂直于跑道轴线,机场建设要挖掉3条山脊,填平7条冲沟,土石方回填高度达到106m,创造了当时高填方施工的新纪录,是目前资料可查的世界第二高填方,所以高填方施工难度巨大。在项目实施中,项目人员在总结以前施工经验和本项目实践中,采用分层回填、分层强夯组合加固技术,即通过采用原地面地基处理、挖填交界面挖台阶、分层回填、分层强夯处理等一系列加固技术,提高了高填方地基的回填高度,使得高填方地基在基础建设中的作用显著增强。此后该技术在昆明长水国际机场等多项高填方施工中得到应用和完善,形成了一套成熟的施工工艺,即采用分层回填、分层强夯,通过调整土方回填参数和分层强夯参数,并进行变化组合,对高填方地基进行有效加固,使得加固效果、地基承载力和工后沉降均能满足设计要求,且具有快速、高效、安全和环保等特点。

昆明长水机场高填方施工中通过土方分层回填和强夯能级的技术组合,调整不同的分层回填参数和强夯参数,通过有效的工程措施,解决了超高填方地基处理难度大、施工周期长和工后沉降要求高的难题,且具有处理效果好、施工速度快和剩余沉降小等优点,是超高填方地基目前比较成功的处理技术手段。适合如下地基:①通过挖山填沟土方平衡形成的高填方地基;②通过借方回填形成的高填方地基。

在主要的施工区域道槽区,通过采用原地面处理、挖填交界面挖台阶、分层回填土石方和分层强夯等工序,实现了对超高填方地基的有效加固。①原地面处理可将土石方回填前的软弱地基进行加固,使高填方地基从地表开始就满足地基承载力的要求;②挖填交界面挖台阶可以使填筑体与原地形坡面紧密结合,起到抗滑的作用;③分层回填时采用堆填的方法,在回填面上自卸汽车渐次紧邻倾倒土石方,然后用推土设备进行整平,形成1.0~1.5m的回填亚层,然后由若干回填亚层形成1个回填层,采用堆填法可使回填料均匀,级配合理,地基处理效果好;④1个回填层完成后进行分层强夯,强夯能级选用处理深度比回填层厚度大1m左右的对应能级,使得强夯后形成的密实墩体能延伸进入下面的回填层,且上面一层回填层的强夯夯点对应下面一层回填层的强夯夯间,形成互相嵌挤之势。⑤最后根据处理要求,在每个回填层强夯点夯击结束后增加满夯,以提高表层的密实度。

由于飞行区高填方地基的附加荷载主要是填筑体本身的自重,随着填筑高度的加大,原地面承受的附加应力也在急剧增加,在这样强大的附加应力作用下,对地基强度和变形的要求就很高。在土石方填筑前,必须将填筑体后期变形影响较大的原地面腐殖土、地面植被、软弱土等清除干净,采取换填或置换的方法,回填质量较好的土,一般土石比<7∶3,并采取相应的处理措施。

根据机场飞行区岩土勘察报告和设计要求,兼顾强度和变形的要求,对原地面土质较好的地段采用碾压、强夯和桩基等手段进行处理,在高填方坡脚外侧有临空面的区域,采取了抗滑桩、挡墙等措施,尤其在不良地质条件地段,如溶洞、滑坡、断层和软土地基等,采取了相应的工程措施,满足高填方对地基的要求。

挖除原地面松散的表土,使填方与挖方区紧密接触,台阶的宽度和高度可以根据原地面的坡度,结合强夯布点参数和回填厚度确定,宽度≥1~2排强夯夯点的距离,高度为1个回填层厚度。由于施工区场地地形复杂,陡缓差异较大,采取了不同的台阶处理方法。

如果原地面坡度较缓,台阶宽度可以按布置≥1~2排强夯夯点的宽度进行开挖,台阶高度可不受限制,可以用挖出的台阶宽度来控制台阶高度,尽量与每个回填亚层的高度接近。

如果原地面坡度较陡,台阶宽度可能不足以布置1~2排强夯夯点时,宽度可以适当减小,但最小宽度≥1m,可以用台阶高度来控制台阶宽度,台阶高度尽量与回填层厚度相近,保证挖填区域有合理的过渡空间,如图2,3所示。

分层回填时采用堆填的方法,严禁采用抛填的方法,抛填施工时,土石方自上而下倾卸,回填料大小颗粒自然分选,细颗粒留在上部,粗颗粒顺坡分布在中下部,回填层颗粒级配极不均匀,粗细颗粒严重分化,在进行强夯处理时,地基土密实度很难达到最大密实度,容易出现整体沉降和不均匀沉降,影响高填方地基的稳定。正确的施工方法是在回填面上自卸汽车渐次紧邻倾倒土石方,然后用推土设备推平,整平后形成1.0~1.5m回填亚层,一个回填层由若干回填亚层形成。回填层厚度由强夯能级决定,回填亚层的层数由回填层厚度决定。采用堆填法可使回填料均匀,级配合理,地基处理效果好。如图4所示。

高填方的强夯应分层填筑、分层强夯,强夯的分层厚度应根据强夯能级的不同采取不同的厚度,结合土石方回填和分层强夯的效率,兼顾了目前主流设备的施工能力,常用强夯能级为3 000~8 000k N·m。对于道槽区采用坚硬碎石土作为填料的分层厚度宜采用4~5m,强夯能级一般采用3 000~4 000k N·m,对于土面区采用易风化、易软化岩碎石土和细粒土作为填料的分层厚度,宜采用6~7m,强夯能级采用4 000~6 000k N·m,做到了经济合理,施工安全性好。

由于强夯的单位击实功很大,夯点往往形成超压密柱。对强夯分层层面之间具有锁紧和嵌固作用,有利于高填方边坡的稳定。因此,强夯的能级选用,对于填方地基,当加固深度相同时,应大于一般天然地基的处理能级。昆明长水机场在实际操作中土石方回填分层厚度比强夯能级的有效加固深度少1m左右,这样每个强夯加固墩体可以延伸进入底层回填层,形成相互啮合的状态,充分保证了填筑体本身的稳定性。

表1为结合昆明长水机场和延安煤油气综合利用项目总结得出,在没有设计参数时可以参照使用。

夯锤夯击时会对地基土产生附加应力,土力学中假设附加应力沿着45°角扩散,所以无论采取正方形还是三角形布点形式,主夯点的间距与相应能级的有效加固深度相近,间距太小,应力出现重合会造成能量浪费;间距太大,夯间土得不到有效加固。在昆明长水机场通过多个试验区的强夯试验,得出了常见能级的夯点间距经验值:4 000k N·m能级主夯点间距应≥6m,6 000k N·m能级主夯点间距应≥8m,8 000k N·m能级主夯点间距应≥8m,12 000k N·m能级主夯点间距应≥11m,其他能级的主夯点间距可参考相关规范;上、下两个回填层强夯主夯点位置要错开,以便上层回填层强夯加固墩体和下层回填层形成互相啮合的状态,有利于填筑体的整体稳定;单点夯击次数和最后两击的控制标准均由设计单位提出并经强夯试验确定。

每层强夯点夯完成后,均增加最后一遍满夯,进行松散表层的处理。满夯施工时,满夯点之间最好采用相互搭接的布点形式,不留夯击盲区。为方便施工现场强夯设备行走,可以采用隔排施工的方法。满夯施工尽量采用轻锤高夯的夯击方法,能获得较大的动能,提高每个回填层地基处理的均匀性、密实性,减少工后沉降,确保每一回填层的处理效果达到设计要求。

高填方地基形成的边坡高度较大,一旦失稳,造成的破坏严重,所以要慎重对待。

高填方填筑体的边坡结构一般有2种:①按照自然坡率或设计坡率放坡,然后在边坡外侧施工各种防护结构,如拱形、菱形等圬工或混凝土结构。②加筋土边坡,这种边坡具有结构简单、力学性质明晰、节约用地等特点,有反滤、泄水、防护、防冲刷等作用,但高度不能太大。昆明长水机场高填方边坡采用前者。

边坡的防护结构施工往往在高填方填筑到一定高度后才开始,建筑体的分层填筑分层强夯与边坡结构的施工交替进行,要注意高填方地基的处理范围要大于边坡的施工范围,即边坡防护结构施工时,土方开挖要挖除一部分经过夯实处理的地基土,然后再对边坡土方分层碾压,分段砌筑,保证地基处理不留死角。

在高填方边坡失稳的案例中,边坡坡脚失稳的比例较高,在工程实践中,综合考虑强度和变形的要求,对坡脚地基进行相应处理。在高填方坡脚外侧有临空面的场地,采取了抗滑桩、挡墙等加固措施,尤其对不良地质条件进行了处理,如溶洞、滑坡、断层和软土地基等,避免高填方边坡沿软弱滑动面滑动失稳,从而满足高填方对坡脚地基的要求。

水是造成高填方地基失稳的重要因素,大多数高填方地基是在沟谷中通过土方平衡填筑而成,这就对原有排水系统造成了破坏,如果不进行疏导,降雨形成的地面径流就会对高填方填筑体造成影响和破坏。

在充分了解了原状沟谷的汇水方式和走向后,在土石方填筑前,用多个粒径组成级配碎石、透水土工布等透水性材料,按照一定方法做成渗水沟(盲沟),盲沟属于柔性构筑物,可以基本沿着现有地形进行布置。在高填方填筑体底部形成一个人工的完善地下排水体系,因为盲沟沟体材料大部分为颗粒填料,而且进行了级配分选,颗粒之间互相嵌挤,具有一定的强度,不影响高填方填筑体的支撑,对高填方填筑体的稳定性影响也较小。

在填筑体覆盖区域范围较大、径流也较大的情况下,单一通过填筑体底部进行盲沟排水已经达不到快速排除地面径流的效果,这就要求通过多层盲沟系统来快速高效地排除地下水。为避免强夯对盲沟的破坏,填筑体盲沟设置在每个回填层经过强夯处理的表面,在进行上层回填层的强夯时,不至于对盲沟造成破坏。

结合高填方地基边坡的砌筑,合理设置盲沟出水口的位置,保证排出的地下水不对边坡造成冲刷,盲沟出水口要用级配材料做反滤层,并用透水土工布包裹,防止水流将填筑体细颗粒材料带出,对填筑体造成破坏。

飞行区填筑体土石方填筑和地基处理完成后,一般要经过1~2个雨季(自然密实周期);地基沉降变形监测从施工开始就要持续进行,完工后地基沉降变形监测时间一般不得少于3个月。高填方地基的工后沉降根据回填材料的性质和建筑物类型的不同,允许值在50~300mm。采用分层回填分层强夯组合施工技术,整体沉降能快速稳定,在设计规定时间内达到稳定标准。地基沉降板监测点的安装及埋设如图5所示。

由于沉降观测点及观测资料繁多,只选取其中某一监测点不同监测时间的沉降记录,从数据上看沉降趋势总体呈收敛状态,如表2所示。

正式施工前,要在典型的地段进行试验性的施工,以便确定和验证土石方回填及强夯施工参数。试验性施工结束后,须进行处理效果的检测,提出总结报告。

根据主流的施工设备,结合工期和施工效率,合理选择强夯能级和分层回填厚度,达到良好的经济效益。

每个回填层处理结束后,一定要分别进行检测,确保每一回填层的处理效果达到设计要求,不留隐患。

九寨黄龙机场和昆明长水国际机场飞行区超高填方填筑体施工采用分层回填、分层强夯组合施工技术,处理后完全达到了预期的效果,尤其是九寨黄龙机场经受住了汶川特大地震的考验,震后飞行区、跑道基本能满足飞行要求,为灾后抢险和重建做出了很大贡献。超高填方地基通过土方分层回填和强夯能级的技术组合,通过调整不同的分层回填参数和不同强夯参数,通过有效的工程措施,对超高填方地基进行高效处理,原则上可以处理当前技术条件下任意高度的超高填方地基。

超高填方分层回填分层强夯组合施工技术经九寨黄龙机场、昆明长水国际机场土石方工程、延长石油(集团)延安煤油气资源综合利用项目场平工程、山西神头发电有限责任公司“上大压小”2×1 000 MW级机组场平工程和晋能保德低热值发电工程场平工程等项目的运用,解决了超高填方地基处理难度大、施工周期长和工后沉降要求高的技术难题,且具有处理效果好、施工速度快和剩余沉降小等优点,工艺先进、处理效果显著,取得了明显的社会效益和经济效益,是超高填方地基目前比较成功的处理技术手段,具有一定的推广价值。突破了采用传统处理方法高填方地基高度的限制,在原理上本加固技术可使高填方地基回填高度达100~200m,大大提高了此类地基的适用性和可操作性。