畢節(jié)機(jī)場(chǎng)紅粘土地基的工程特性研究

劉 敏,劉 宏,高奮飛

(1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550003;2.貴州大學(xué)喀斯特環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害防治實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽(yáng) 550003)

貴州地處東亞喀斯特區(qū)中心地帶,氣候濕熱,碳酸性巖鹽廣泛分布,巖溶作用強(qiáng)烈,各種喀斯特地貌廣泛分布[1]。貴州紅粘土是碳酸鹽巖石經(jīng)風(fēng)化殘積或坡積形成的粘土,其顏色有紅、褐和黃色,具有高孔隙性、高含水率而力學(xué)性質(zhì)相對(duì)較好,以及脹縮性、裂隙性、空間分布上的極不均勻等特性[2]。

畢節(jié)機(jī)場(chǎng)位于貴州畢節(jié)的東偏南方向大方縣響水鄉(xiāng)飛雄村。機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)等級(jí)4C,跑道長(zhǎng)2600 m,寬45 m,兩側(cè)道肩各1.5 m,總寬48 m。機(jī)場(chǎng)場(chǎng)址及附近屬巖溶地貌,按地貌成因分類屬“構(gòu)造侵蝕類型”,從區(qū)域上講為古老“夷平面”,場(chǎng)址范圍為低緩的低山丘陵地貌。場(chǎng)區(qū)巖溶發(fā)育,洼地、漏斗、落水洞、地下溶洞、土洞和紅粘土廣泛分布。本文主要闡述畢節(jié)機(jī)場(chǎng)紅粘土地基工程特性。

1 紅粘土空間分布特征

場(chǎng)區(qū)的紅粘土有褐黃色和深褐色兩種,其狀態(tài)主要為軟塑態(tài)、可塑態(tài)和硬塑態(tài)三種。各紅粘土層的基本特征如表1所示。從表1可看出,紅粘土的層厚變化范圍大,場(chǎng)區(qū)內(nèi)可塑粉質(zhì)粘土最大層厚為24.1 m,平均層厚為4.25m,變異系數(shù)為0.969,表明紅粘土的層厚變化幅度大,紅粘土在厚度方向上的分布極不均勻。在平面分布上,受下伏基巖起伏程度及溶溝、溶槽、石芽的影響,紅粘土的分布也極不均勻。場(chǎng)區(qū)內(nèi)相距2.2 m的兩鉆孔所揭露的紅粘土厚度變化幅度為16.4 m。

表1 畢節(jié)機(jī)場(chǎng)紅粘土基本特征

2 紅粘土物理力學(xué)特征

2.1 基本物理力學(xué)特征

場(chǎng)區(qū)紅粘土的基本物理力學(xué)指標(biāo)[3]如表2所示。粘土:主要呈軟塑、可塑、硬塑,天然含水率大,變化幅度較大,孔隙比大,壓縮系數(shù)高,屬于中高壓縮性土層,抗剪強(qiáng)度較低。粉質(zhì)粘土:主要呈可塑、硬塑狀,天然含水率較大,孔隙比大,壓縮系數(shù)高,屬于中高壓縮性土層,抗剪強(qiáng)度較低。

表2 紅粘土基本物理力學(xué)指標(biāo)

2.2 承載特性

場(chǎng)區(qū)紅粘土地基的承載特性如表3所示,對(duì)于硬塑紅粘土地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值為200 kPa～210 kPa,地基承載力相對(duì)較高。

表3 紅粘土地基承載特性

2.3 擊實(shí)特性

場(chǎng)區(qū)紅粘土的擊實(shí)特性如表4所示。粘土的最佳含水率為23%～24%,最大干密度為1.56 g/cm3～1.58 g/cm3。粉質(zhì)粘土的最佳含水率為19%～21%,最大干密度為1.67 g/cm3～1.70 g/cm3。

表4 紅粘土擊實(shí)特性

2.4 膨脹性

粘土的自由膨脹率為20%～22%,粉質(zhì)粘土的自由率為18%～21%,不屬于膨脹土。

3 紅粘土地基的主要工程問題

3.1 地基和邊坡穩(wěn)定問題

場(chǎng)區(qū)地處巖溶較發(fā)育區(qū),地形起伏高差大,最大填方邊坡高度為32 m。填方體底部為厚6 m～8 m的紅粘土地基,紅粘土自上而下呈硬塑、可塑和軟塑狀,由于可塑和軟塑狀紅粘土地基承載力低,抗剪強(qiáng)度差,高填方邊坡可能因紅粘土地基失穩(wěn)破壞而產(chǎn)生滑動(dòng)變形破壞。此外,紅粘土地基中還發(fā)育有大小不一的土洞,土洞的失穩(wěn)破壞也可能對(duì)上部填方邊坡的穩(wěn)定性造成較大影響。因此,場(chǎng)區(qū)紅粘土地基的失效和由此產(chǎn)生的邊坡穩(wěn)定問題是最主要的工程地質(zhì)問題之一[4]。

3.2 沉降及差異沉降問題

場(chǎng)區(qū)基巖起伏大,紅粘土厚度變化大,紅粘土的最大厚度超過8 m,加之不同深度處的紅粘土的稠度狀態(tài)有硬塑、可塑和軟塑多種,其壓縮模量差別大,在上部填土和機(jī)場(chǎng)道面附加荷載作用下,可產(chǎn)生較大的差異沉降和不均勻沉降。此外,紅粘土地基中的土洞失穩(wěn)后會(huì)產(chǎn)生較大的不均勻沉降。不均勻沉降問題是場(chǎng)區(qū)的另一主要工程地質(zhì)問題。

4 紅粘土地基的處理措施

目前,紅粘土地基的處理方法主要有碾壓、強(qiáng)夯、碎石樁、注漿、換填以及其他復(fù)合地基等[5]。針對(duì)畢節(jié)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)區(qū)紅粘土分布面積大,厚度變化大,地基土含水率高,土洞較發(fā)育等特點(diǎn),采用振動(dòng)碾壓和填石強(qiáng)夯兩種方法處理。

4.1 振動(dòng)碾壓

分布于緩坡上厚度較小、含水率相對(duì)較低的紅粘土地基采用振動(dòng)碾壓處理。振動(dòng)碾壓機(jī)械自重不小于180 kN,激振動(dòng)力不小于320 kN,行走速度不大于2 km/h。試驗(yàn)結(jié)果(見表5)表明,在天氣情況較好,地基土含水率相對(duì)較小情況下進(jìn)行振動(dòng)碾壓后,地基土可得到有效加固,地基土的壓實(shí)度可達(dá)93%以上。

表5 原地面碾壓前后檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

4.2 填石強(qiáng)夯

分布于低洼地帶厚度較大、含水率相對(duì)較高的紅粘土地基采用填石強(qiáng)夯處理。點(diǎn)夯單擊夯擊能不小于2000 kN/m,墊層厚度不小于1m,夯點(diǎn)間距4.0 m～4.5 m,夯擊次數(shù)為10～14擊,兩遍點(diǎn)夯一遍滿夯。試驗(yàn)結(jié)果表明,經(jīng)填石強(qiáng)夯后的地基土的密實(shí)程度明顯提高,重型和超重型動(dòng)力觸探擊數(shù)提高1.5～2.5倍,壓縮系數(shù)大幅度下降,地基土的有效加固深度為4.0m～4.5 m。填石強(qiáng)夯不僅對(duì)紅粘土地基有明顯加固作用,還可消除地基土中穩(wěn)定性較差的土洞。同時(shí),填石強(qiáng)夯具施工速度快,受地基土中含水率影響程度較小,地基加固效果好,加固深度大等特點(diǎn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過對(duì)畢節(jié)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)條件分析和紅粘土地基的試驗(yàn)研究,取得如下認(rèn)識(shí)。

(1)畢節(jié)機(jī)場(chǎng)地處貴州巖溶較發(fā)育區(qū),場(chǎng)區(qū)內(nèi)紅粘土分布較廣,層厚變化大,紅粘土地基的物理力學(xué)性質(zhì)較差,對(duì)機(jī)場(chǎng)填方邊坡穩(wěn)定性和機(jī)場(chǎng)跑道的沉降與不均勻沉降影響大。

(2)分布于緩坡上厚度較小、含水率相對(duì)較低的紅粘土地基可采用振動(dòng)碾壓處理;分布于低洼地帶厚度較大、含水率相對(duì)較高的紅粘土地基可采用填石強(qiáng)夯處理。填石強(qiáng)夯不僅對(duì)紅粘土地基有明顯加固作用,還可消除地基土中穩(wěn)定性較差的土洞。同時(shí),填石強(qiáng)夯具施工速度快,受地基土中含水率影響程度較小,地基加固效果好,加固深度大等特點(diǎn)。

[1]劉 恒.貴州六盤水紅粘土的工程特性[J].地球與環(huán)境,2006,34(2):67-70.

[3]交通部公路科學(xué)研究院.JTG E40-2007.公路土工試驗(yàn)規(guī)程[S].北京:人民交通出版社,2007.

[4]《工程地質(zhì)手冊(cè)》編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)(第三版)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1992.

[5]《地基處理手冊(cè)》編委會(huì).地基處理[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1988.