珠海机场站坪及停机坪地基处理设计

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1、工民建与市政工程珠海机场站坪及停机坪地基处理设计陈 金 山王 连 新摘 要 珠海机场按国际民航 4 E 级标准兴建 ,场道要求地基必须均匀 、密实 、稳定 。差异沉降和剩余沉降均不得超过 5 cm ,站坪地质条件十分复杂 ,采用单一处理措施均难满足要求 。针对不同的土层 ,采用高能量 强夯 、挤密砂桩 、砂井排水固结 ,堆载预压等综合改善地基条件的处理措施 ,获得成功 。各项设计指标保证项目 的合格率均达 100 % ,容许偏差项目合格率达到 97 . 4 % ,工程质量等级被评为优良 。主题词 地基加固 区域工程地质 桩基础 砂井排水 广东粉细砂分布稍有规律较均匀 。其他土层不连续 ,不成层

2、 ,厚薄不均 ,性质不一 ,大多呈透镜状或尖灭 。地基处理设计和施工 难度较大 。必须针对不同区块的地层资料 ,存在的主要地质问 题 ,采用不同的处理方法 。(1) 机场场道为 类场地 ,按 7 度地震设防 。根据建筑 地基抗震规范规定 ,场区粉细砂采用经修正后的标准贯入击数判别 ,实测 15 个标贯孔 ,有 13 个孔可能液化 ,占计算点数的78 % ,液化指数为 5 . 56 . 5 ,属中等液化土 。概 述珠海机场位于珠海市西区南海之滨的三灶岛上 。机场场 道由长 4 000 m 的主跑道 、平行滑行道各一条和两者间的联络 道 ,快速脱离道及一期总面积约 32 万 m2 的站坪与停机坪等

3、 组成 。机场按国际民航 4 E 级标准兴建 。可起降目前世界上最 大的波音 B747 - 400 型客机 。飞机满载起降荷载 3 900 kN ,起 落架着地荷载 920 kN 。场道要求地基必须均匀 、密实和稳定 。地基差异沉降按50 m 弯沉盆控制 ,盆底与盆顶之差不得大于 5 cm ;工后剩余沉 降量按实测双曲线推算 , 以 30 年作为计算年限 , 不得大于 5 cm 。地基面回弹模量不小于 25 M Pa ; 基层顶面回弹模量不小 于 80 M Pa 。7 度地震不发生造成结构物破坏性液化 。地基处理层回填料压实度 (重型击实标准) ,要求距地基面 深度 01 m 时为 0 . 9

4、8 ;14 m 时为 0 . 95 ;48 m 时为 0 . 90 ;8 m 以下为 0 . 80 。1(2) 下卧淤泥 、淤泥质土层 ( Q2 ,Q ) ,含水量大 ,承载力低 ,4 3高压缩性 。在飞机 ,混凝土道面结构层及换填石渣和挤密砂桩等所增加的荷载作用下 ,根据地基与基础设计规范公式 ,采 用分层总和法进行各勘探点的沉降计算结果 ,最大沉降量 132 mm ,剩余沉降量 93 mm ,剩余沉降大于 5 cm 的点占计算点数的 70 % 。由此可见 ,主要的地质问题 ,是粉细砂的地震液化和淤泥 软土的沉降 。天然地基不进行处理 ,不能满足场道地基要求 。 (3) 地基处理设计原则应使

5、处理后的竖向地基结构能适 应均衡沉降 ,且具有地震减压排水层作用 ,自下而上刚度逐渐增大 ,形成半刚性地基层 。满足抗震液化和沉降要求 。(4) 对粉细砂液化处理 , 先挖除表层道面高程以下 2 m 深粉细砂 ,换填 1 . 52 m 未筛分石渣料 ,兼作强夯工作垫层 , 进行强夯处理 。粉细砂厚度超过 10 m ,强夯效果影响不到时 ,采用挤密砂桩进行挤密 ,使其密实度达到抗 7 度地震液化要求(见图 1) 。下卧软土层 ,采用砂井排水固结 ,软土层较厚 ,砂井排水固 结速度不能满足要求时 ,辅以堆载预压 ,加速排水固结和沉降 过程 。工程地质条件机场场道座落在三面环丘一面临海的滨海沉积地带

6、 ,西南 端临沼泽地 ,东北为沙丘海滩 。地质构造由第四纪上更新统 全新统海陆相交互沉积层 、坡积层和残积层组成 。总厚度为10 . 2655 . 57 m 。基底为燕山第 期中粗粒花岗岩 。 地质勘探揭示主要土层及其特性如下 :2(1) 全新统杏坛组粉细砂 ( Q3 ) ,厚度 812 m ,呈饱和 、松4散状态 ,不均匀系数 Cu 5 ,颗粒较均匀 ,级配不良 。标准贯入锤击数 N63 . 5 = 134 击 ,7 度地震可能产生液化 。( 2) 淤泥 、淤泥质土 ( Q2 ,Q ) ,分布不均匀 ,局部厚 10 m 以4 3上 ,软塑流塑状 ,N63 . 5 1 . 0 击 ,属高压缩性

7、软土 ,是发生沉降变形的主要土层 。(3) 粉质粘土 、亚粘土 、中粗砂等也有分布 ,但工程性质较 好 ,对地基沉降影响不大 。强夯处理防止粉细砂液化粉细砂土经高能量强力夯击时 ,地基土会产生冲击波和很 大的动应力 。对内部土粒产生预震效应 , 使土粒结构重新排 列 ,增加土粒密实性 ,提高强度 ,降低压缩性 ,改善土的抗震动 液化条件 ,降低地震液化势 。强夯还可以消散粉细砂层中夹有4主要地质问题及地基处理方案3化时孔隙比 ; H 为强夯影响深度 。经计算 10 m 深土层 ,强夯下沉量约为 60 cm ,亦即夯后地 面平均下沉量不小于 60 cm 时 ,可达到抗 7 度地震液化要求 。 (

8、2) 夯击能量 。根据经验 ,有效夯击影响深度 56 m 时 , 单位面积所需夯击能量为 1 700 2 200 kN m/ m2 ; 8 10 m 时 ,为 2 7003 200 kNm/ m2 ,消除 10 m 深粉细砂液化 ,确定单位面积夯击能量为 3 200 kNm/ m2 。(3) 夯锤落距 。消除粉细砂液化 , 夯锤必需有足够的落 距 ,着地时产生一定的加速度 ,才能产生足够的冲击波和动应 力 。根据经验 ,落距 45 m 时 ,影响深度可达 4 m ;落距 79m 时影响深度可达 7 m ;落距 1417 m ,影响深度可达 10 m 。(4) 夯锤选择 。锤重一般按经验公式 D

9、 = kW h 估算 ,式中 h 为落距 ( m) ; D 为加固深度 ( m) ; k 为经验系数 0 . 5 1 .0 消除粉细砂液化为 0 . 6 0 . 7 ; W 为锤重 ( kN) , 选 W = 140 kN ; 锤底面积 , 一般经验按每平米锤重 30 50 kN , 选用圆台 型底面直径 d = 2 . 1 m 的钢质夯锤 。(5) 夯击次数和夯点布置 。设计夯点分高能量点夯和低 能量满夯 ,高能量点夯处理粉细砂液化 ,夯点按正方形布置 , 行 、排距均为 3 . 25 m 3 . 25 m ;低能量满夯起最后压实找平作 用 ,行 、排距为 2 . 2 m 2 . 2 m 。

10、4 . 4 强夯施工控制强夯施工夯击面必须高出地下水位以上 1 . 5 m ,回填 1 . 52 . 0 m 的石渣垫层 ;夯击后检测地面平均下沉量不得少于 60 cm ;且最后两击下沉量之差不超过 5 cm ;按行按列连续定点一 次夯完每点击数 。如遇薄层软土 ,则分两序两遍夯击 ,间隔时 间应使超孔隙水压力得以充分消散 。强夯后石渣面检测回弹模量值 , 设计 80 M Pa , 实测 97M Pa 。土面采用标贯或静力触探进行检测 。图 1 地基处理结构4 . 1 强夯试验结果(1) 通过对强夯试验区地基夯后下沉量 、标准贯入 、密实 度 、静力触探等地基处理效果控制指标测试分析 : 强力

11、夯实法 处理站坪粉细砂地基能达到消除饱和粉细砂 7 度地震作用下可能产生的液化 ,提高地基承载力和减少地基沉降的目的 。(2) 粘粒含量较高的饱和粉细砂地基采用强夯处理时 ,强 夯工作垫层厚度不宜小于 1 . 52 . 0 m ,要控制好垫层填料级 配 ,才能达到较好的效果 。(3) 饱和粉细砂地基夯击过程中 , 当夯坑深度超过 1 m 时 ,要及时补填石渣料 ,不可击穿垫层 ,否则会影响强夯的处理 效果 。(4) 强夯后 ,需要进行低能量满夯 ,以密实和均衡粉细砂 地基表层土体 。4 . 2 强夯设计目前国内外尚无完整的强夯设计理论 。主要根据工程经 验 ,拟定施工参数 ,经现场施工试验 ,

12、取得最优参数 。粉细砂的密实状态对工程性质影响很大 。密实程度的主要物理参数之一是孔隙比 。通常用相对密度 D 作为控制指 标 。根据工程经验 , D 0 . 80 时 , 粉细砂结构紧密 , 压缩性 小 ,抗震液化性能好 ,发生 7 度地震不会产生液化 。挤密砂桩和砂井挤密砂桩与砂井 ,设计采用同一种振动沉管桩机 。桩管直 径均为 377 mm ,桩 、井间距布置也相同 。但作用机理不同 , 设计参数也不同 。挤密砂桩对粉细砂起振密和挤密作用 ,砂井 对软土除起排水作用外还可在软土中起置换作用形成复合地 基 。砂井为竖向排水通道 。桩管进入软土层要求形成 300 mm井径 ,必须连续 ,不得

13、有断井或颈缩现象 。桩管进入粉细砂层 , 灌注粗砂 ,形成挤密砂桩 ,则必须通过振动 、留振 、往复反插 ,甚 至复打 ,最后形成的砂桩桩径不小于 500 mm 。设计参数见表2 。(1) 砂桩 (井) 间距 。按经验公式确定 。5emax -e1D =emax - emin式中 e1 为天然状态或某种控制状态下的孔隙比 ; emin 、emax分别为砂土在最密实状态和最松散状态下的孔隙比 , 可通过试 验测定 。4 . 3 强夯施工参数 ( 表 1)( 1) 强夯夯沉量 。根据地基土压缩量 S 计算公式 :1 + e0l = 0 . 95 de0 - e1式中 l 为间距 ; d 为桩 (

14、井) 直径 ; e0 与 e1 同前 。设计采用正三角形 (梅花形) 布置 。行距为 1 . 8 m ,排距为 e0 - e1 HS =1 + e0式中 e0 为天然状态孔隙比 ; e1 为控制状态即抗 7 度地震液1 . 56 m 。表 1 强夯施工参数单位面积夯击强夯处理目 的夯点间距( m)夯锤重量( kN)夯锤落距 单击能量 每夯点击数夯击总能量( kNm/ 点)最大加固夯击方式能量 ( kNm/ m2) 深度 ( m)( m)( kNm/ 击)(次/ 点)深层处理浅层处理定点夯击逐行逐点满夯行距 排距 = 3. 25 3. 25行距 排距 = 2. 2 2. 214014016452

15、 24063015183433 60040 3201 8902 5203 2003 8403905201035表 2砂桩 、砂井设计参数最大成桩( 井)深度( m)灌砂量( m3/ m)拔管速度( m/ min)项 目直径( mm)行距( m) 排距( m)留振时间( s)拔管成桩方式挤 密中 密砂 桩砂 井1 . 8 1 . 561 . 8 1 . 561 . 00 . 8上拔 0 . 5 m 留振 5 s不留振振动逐步拔管一次拔管50037714220 . 1960 . 0960 . 230 . 11(2) 处理后的桩间土强度采用标准贯入和静力触探进行检测 。检测位置为相邻砂桩形成的正三角

16、形的中心 。检测时 间为砂桩成桩后 7 天 ,软土强度恢复期不少于 20 天后检测 。检测标准见表 3 。表 3砂桩处理后地基检测标准孔 深 ( m)标贯击数 N63 . 5 ( 击)比贯入阻力 PS ( M Pa) 6 6 6 6图 3排水盲沟( 单位 : mm)每 50 m 设置 1 个集水井 ,采用 800 mm 无砂多孔混凝土预制管 。管壁开 10 mm 小孔 。井底低于盲沟底部 3040 cm ,用耐特龙塑料格网和土工布包裹 , 底部用粗砂和碎石充 填 。堆载预压站坪区地质勘探查明有 5 块下卧厚度超过 8 m 的淤泥层 , 需采用堆载预压剩余沉降才能满足 5 cm 。预压荷载按满足

17、总 沉降和工期要求 ,一般应大于道面结构层和飞机荷 载之和确 定 。预压荷载见表 4 。6(3) 在堆载区预埋沉降板 ,对堆载和预压过程进行观测 。观测成果见表 5 。表 5 堆载区沉降观测值成果堆载 预压荷载沉降板编 号堆载日期卸载日期实测沉降( mm)最终沉降( mm)剩余沉降( mm)表 4 堆载区预压荷载k Pa区号( kPa)堆载区编号堆载面积( m2)预压荷载12346011090100Sb2Sb - 1Sb2 - 3Sb129509209308089311179401259402279312169402149404161834013072292034153202482014131

18、912345 50014 52016 64027 3706010090100/ 120 5 100 Sb11 931225 940318 322 351 29 5 6 320 80/ 100 其它构造(1) 站坪西侧低丘 ,岩石裸露 ,形成岩石与土基相接 ,为确 保相接带地基刚度和沉降均衡过渡 ,将交界处岩基按 15 坡度 开挖后岩面下 2 m 深采用松动爆破 , 爆松后岩块最大不超过800 mm ,再用满夯和振动碾压 ,形成褥垫与土基石渣层相接 。(2) 站坪周边为防止运行期间 ,地表和地下水长期作用 , 使填料细料流失 ,造成石渣架空塌陷 ,导致混凝土面层断裂破 坏 ,故采用耐特龙塑料格网

19、和土工布隔离 。作者简介陈金山 男 长江水利委员会设计院施工处 一级注册建筑师 湖北 省武汉市 430010王连新 男 长江水利委员会设计院施工处 工程师 硕士 湖北省 武汉市 430010( 收稿日期 :1998 - 04 - 20 编辑 :乐 磊)7(1) 堆载预压效果关键是排水系统的设置 ,能使软土中的孔隙水在预压荷载作用下 ,迅速排出 ,加快固结 。排水系统由 垂直排水和水平排水组成 。垂直排水主要是砂井 ,下部穿过软 土层顶部与水平排水相连 。水平排水为设置在砂井顶部的粗砂垫层 ,厚度 3040 cm ,垫层底面每 50 m 设排水盲沟 ,沟端设集水井 (图 2) 。软土中排出的孔隙水 ,经垂直通道砂井进入 粗砂垫层 ,沿盲沟流入集水井 ,定时抽水 ,保持排水系统畅通 。(2) 排水盲沟为梯形断面 (图 3) 。用土工布包裹碎石或砾 砂充填 ,顶面与粗砂垫层相连 ,纵向按一定坡度与集水井相接 。