毕节机场红粘土地基的工程特性研究

刘 敏,刘 宏,高奋飞

(1.贵州大学 资源与环境工程学院,贵州 贵阳 550003;2.贵州大学喀斯特环境与地质灾害防治实验室,贵州 贵阳 550003)

贵州地处东亚喀斯特区中心地带,气候湿热,碳酸性岩盐广泛分布,岩溶作用强烈,各种喀斯特地貌广泛分布[1]。贵州红粘土是碳酸盐岩石经风化残积或坡积形成的粘土,其颜色有红、褐和黄色,具有高孔隙性、高含水率而力学性质相对较好,以及胀缩性、裂隙性、空间分布上的极不均匀等特性[2]。

毕节机场位于贵州毕节的东偏南方向大方县响水乡飞雄村。机场飞行区等级4C,跑道长2600 m,宽45 m,两侧道肩各1.5 m,总宽48 m。机场场址及附近属岩溶地貌,按地貌成因分类属“构造侵蚀类型”,从区域上讲为古老“夷平面”,场址范围为低缓的低山丘陵地貌。场区岩溶发育,洼地、漏斗、落水洞、地下溶洞、土洞和红粘土广泛分布。本文主要阐述毕节机场红粘土地基工程特性。

1 红粘土空间分布特征

场区的红粘土有褐黄色和深褐色两种,其状态主要为软塑态、可塑态和硬塑态三种。各红粘土层的基本特征如表1所示。从表1可看出,红粘土的层厚变化范围大,场区内可塑粉质粘土最大层厚为24.1 m,平均层厚为4.25m,变异系数为0.969,表明红粘土的层厚变化幅度大,红粘土在厚度方向上的分布极不均匀。在平面分布上,受下伏基岩起伏程度及溶沟、溶槽、石芽的影响,红粘土的分布也极不均匀。场区内相距2.2 m的两钻孔所揭露的红粘土厚度变化幅度为16.4 m。

表1 毕节机场红粘土基本特征

2 红粘土物理力学特征

2.1 基本物理力学特征

场区红粘土的基本物理力学指标[3]如表2所示。粘土:主要呈软塑、可塑、硬塑,天然含水率大,变化幅度较大,孔隙比大,压缩系数高,属于中高压缩性土层,抗剪强度较低。粉质粘土:主要呈可塑、硬塑状,天然含水率较大,孔隙比大,压缩系数高,属于中高压缩性土层,抗剪强度较低。

表2 红粘土基本物理力学指标

2.2 承载特性

场区红粘土地基的承载特性如表3所示,对于硬塑红粘土地基承载力标准值为200 kPa～210 kPa,地基承载力相对较高。

表3 红粘土地基承载特性

2.3 击实特性

场区红粘土的击实特性如表4所示。粘土的最佳含水率为23%～24%,最大干密度为1.56 g/cm3～1.58 g/cm3。粉质粘土的最佳含水率为19%～21%,最大干密度为1.67 g/cm3～1.70 g/cm3。

表4 红粘土击实特性

2.4 膨胀性

粘土的自由膨胀率为20%～22%,粉质粘土的自由率为18%～21%,不属于膨胀土。

3 红粘土地基的主要工程问题

3.1 地基和边坡稳定问题

场区地处岩溶较发育区,地形起伏高差大,最大填方边坡高度为32 m。填方体底部为厚6 m～8 m的红粘土地基,红粘土自上而下呈硬塑、可塑和软塑状,由于可塑和软塑状红粘土地基承载力低,抗剪强度差,高填方边坡可能因红粘土地基失稳破坏而产生滑动变形破坏。此外,红粘土地基中还发育有大小不一的土洞,土洞的失稳破坏也可能对上部填方边坡的稳定性造成较大影响。因此,场区红粘土地基的失效和由此产生的边坡稳定问题是最主要的工程地质问题之一[4]。

3.2 沉降及差异沉降问题

场区基岩起伏大,红粘土厚度变化大,红粘土的最大厚度超过8 m,加之不同深度处的红粘土的稠度状态有硬塑、可塑和软塑多种,其压缩模量差别大,在上部填土和机场道面附加荷载作用下,可产生较大的差异沉降和不均匀沉降。此外,红粘土地基中的土洞失稳后会产生较大的不均匀沉降。不均匀沉降问题是场区的另一主要工程地质问题。

4 红粘土地基的处理措施

目前,红粘土地基的处理方法主要有碾压、强夯、碎石桩、注浆、换填以及其他复合地基等[5]。针对毕节机场场区红粘土分布面积大,厚度变化大,地基土含水率高,土洞较发育等特点,采用振动碾压和填石强夯两种方法处理。

4.1 振动碾压

分布于缓坡上厚度较小、含水率相对较低的红粘土地基采用振动碾压处理。振动碾压机械自重不小于180 kN,激振动力不小于320 kN,行走速度不大于2 km/h。试验结果(见表5)表明,在天气情况较好,地基土含水率相对较小情况下进行振动碾压后,地基土可得到有效加固,地基土的压实度可达93%以上。

表5 原地面碾压前后检测结果对比

4.2 填石强夯

分布于低洼地带厚度较大、含水率相对较高的红粘土地基采用填石强夯处理。点夯单击夯击能不小于2000 kN/m,垫层厚度不小于1m,夯点间距4.0 m～4.5 m,夯击次数为10～14击,两遍点夯一遍满夯。试验结果表明,经填石强夯后的地基土的密实程度明显提高,重型和超重型动力触探击数提高1.5～2.5倍,压缩系数大幅度下降,地基土的有效加固深度为4.0m～4.5 m。填石强夯不仅对红粘土地基有明显加固作用,还可消除地基土中稳定性较差的土洞。同时,填石强夯具施工速度快,受地基土中含水率影响程度较小,地基加固效果好,加固深度大等特点。

5 结 语

通过对毕节机场场区工程地质条件分析和红粘土地基的试验研究,取得如下认识。

(1)毕节机场地处贵州岩溶较发育区,场区内红粘土分布较广,层厚变化大,红粘土地基的物理力学性质较差,对机场填方边坡稳定性和机场跑道的沉降与不均匀沉降影响大。

(2)分布于缓坡上厚度较小、含水率相对较低的红粘土地基可采用振动碾压处理;分布于低洼地带厚度较大、含水率相对较高的红粘土地基可采用填石强夯处理。填石强夯不仅对红粘土地基有明显加固作用,还可消除地基土中稳定性较差的土洞。同时,填石强夯具施工速度快,受地基土中含水率影响程度较小,地基加固效果好,加固深度大等特点。

[1]刘 恒.贵州六盘水红粘土的工程特性[J].地球与环境,2006,34(2):67-70.

[3]交通部公路科学研究院.JTG E40-2007.公路土工试验规程[S].北京:人民交通出版社,2007.

[4]《工程地质手册》编委会.工程地质手册(第三版)[M].北京:中国建筑工业出版社,1992.

[5]《地基处理手册》编委会.地基处理[M].北京:中国建筑工业出版社,1988.