某填湖机场排水板堆载预压原位试验及分析

程国勇，武 航，李长辉，陈 宇，金 敏

（1.中国民航大学交通科学与工程学院，天津 300300；2.中铁北京工程局集团有限公司，北京 102308）

软土是一种具有高孔隙比、高含水量、高压缩性、低强度且渗透性差等特点的特殊土[1]，在其上进行基础设施建设会因地基承载力不足而导致地基出现变形问题，且由于机场跑道对地基强度及变形要求十分严格，因此需要对软土地基进行预处理。常用的软土地基处理方法主要分为预压法和复合地基法[2-3]，堆载预压法由于具有施工方便、成本较低等特点，常被用于市政道路、高速公路、护岸工程等基础设施建设中。

近年来，许多学者开始对堆载预压法在机场工程软土地基处理中的应用效果进行研究。文献[4]分析了成都新机场软土地基加固过程中的原地基沉降、填筑体表面沉降以及孔隙水压力的变化规律，并对沉降数据进行计算，结果显示，经过堆载预压加固后，软土地基平均固结度与工后沉降均符合要求；文献[5]针对上海浦东国际机场五跑道由于跨古河道而存在不均匀沉降的问题，对堆载预压过程中地表沉降、分层沉降、孔隙水压力进行分析，并对工后沉降进行预测，提出针对不同区域制定不同堆载方案的处理方法；文献[6]针对揭阳潮汕国际机场大面积深厚软土地基问题，采用排水板与砂井两种排水通道堆载预压法，对两种方法的沉降规律进行对比分析，结果证明两种方法均满足工程要求；文献[7]依托深圳宝安国际机场扩建工程，通过对沉降数据的分析验证了堆载预压中竖向排水体的重要性；文献[8]对珠海金湾机场站坪区进行地基处理分析，通过分析表面沉降、水平位移、分层沉降以及孔隙水压力随时间变化规律，验证了堆载预压方案的可行性。上述文献中对于软土地基机场建设的研究主要集中在工后沉降的控制[9-10]以及沉降预测[11-13]，缺乏针对机场工程建设中大面积深厚软土地基处理工程完整的监测分析以及规律研究。

本文以湖北某机场大面积深厚软土地基为背景，依托该项目划分了试验区进行堆载预压现场试验，并对堆载过程中的软土沉降、孔隙水压力、深层水平位移等数据进行了全面监测，通过对试验区堆载预压加固过程的研究，总结出排水板堆载预压在大面积深厚软土地基处理中的加固效果及规律，为后续工程中的大面积施工提供指导，并为以后的机场工程建设提供经验依据。

1 试验段概况及试验方案设计

1.1 地质概况

根据现场勘探结果，场区地层结构主要构成为人工堆填层、新近湖塘积层、第四系全新统冲洪积层、第四系上更新统冲洪积层、第四系残坡积层、下伏基岩层。试验段地质剖面图如图1 所示，黄海高程J221 测孔和J222 测孔分别位于试验段D1 和D2 两端，两个试验段位置相邻，各土层物理力学性质参数如表1 所示。

表1 各土层物理力学性质参数Tab.1 Parameters of physical and mechanical property of each soil layer

图1 试验区地质剖面图Fig.1 Geological profile of the test area

1.2 排水方案及预压方案

1.2.1 排水方案

根据相关规程参考数据，选择B 型塑料排水板作为竖向排水通道，宽度为100 mm，厚度不小于4 mm，平面布置按照正方形布置，由于试验段区域软土厚度大，间距按照1.1 m×1.1 m 布置，打设深度不大于15 m,要穿透软土层并进入下部粉质黏土层1 m，排水板上端露出碎石垫层顶面20 cm。

排水垫层作为水平排水通道采用碎石垫层，垫层总厚度0.80 m，渗透系数不小于0.01 cm/s，含泥量不超过3.00%，分层填筑；铺设范围超出处理范围0.30 m，排水碎石垫层厚度允许偏差不大于±5.00 cm。

1.2.2 预压方案

堆载预压试验段D1 面积为4 870 m2，软土厚度9～11 m，排水板长度11～13 m，排水板间距1.1 m，清淤表层淤泥插打排水板，按1 ∶2 放坡填筑至20 m 标高等载预压。

堆载预压试验段D2 面积为5 276 m2，软土厚度9～11 m，排水板长度11～13 m，排水板间距1.1 m，清淤表层淤泥插打排水板，按1 ∶2 放坡填筑至21.5 m 标高超载预压。

1.3 监测方案设计

监测系统主要分为沉降监测、孔隙水压力监测以及水平位移监测。沉降监测包含分层沉降、软土层顶沉降以及表面沉降。分层沉降采用沉降环对不同深度土层的沉降量进行观测，沉降环布设间隔为3 m，并在软土层底部布设1 个；采用沉降板对软土层顶沉降进行监测，并在软土层上碎石垫层顶部布设，上部土石方填筑时，分段连接至填筑层顶面；采用沉降板对地基的表面沉降量进行监测，埋深1 m，对地基沉降量随堆载情况以及预压时间的变化规律进行监测。孔隙水压力测试在所选试验区布置测孔，在软土层中每隔3 m布设1 个孔隙水压力计，每组包括3 个孔隙水压力计。水平位移监测为试验段土石方填筑时，设置边桩和测斜管进行水平位移监测，监测边桩埋设深度不小于地表以下1 m；采用测斜管对深层软土水平位移进行监测，在堆载区域坡脚处布设，测斜管长度不小于软土厚度。堆载预压区监测点断面如图2 所示。

图2 堆载预压区监测点断面布置Fig.2 Section layout of monitoring points in the stack-load preloading area

2 监测数据分析

2.1 软土层顶沉降分析

图3 为软土层顶沉降观测点D1-RTCJ3 的实测曲线。该点堆载高度为5.9 m，满载历时120 d，累计沉降量为-895.42 mm。从软土沉降值曲线可以看出，在0～28 d 之间沉降值曲线较为平缓，这是由于对应的时间段内还未进行堆载填筑，只进行了水平排水垫层的铺设以及塑料排水板的打设工作，因此软土沉降值变化较小。由于未堆载前D1 试验段处于施工便道位置，其上经常有重载车辆行驶，因此在未堆载阶段出现软土沉降速率突然增大的时间点。

图3 D1-RTCJ3 软土沉降曲线Fig.3 Settlement curve of D1-RTCJ3 soft soil

图4 为软土层顶沉降观测点D2-RTCJ3 的实测曲线。该点堆载高度为6.7 m，满载历时100 d，累计沉降量为-602.6 mm。开始堆载后，沉降速率会显著增大，特别是在每级堆载初期，软土沉降速率会有一个突然增大的趋势，随着每级堆载完成后，沉降速率会维持在一个相对稳定的值。当所有堆载工作完成后，沉降速率会逐渐稳定并最终趋近于0。

图4 D2-RTCJ3 软土沉降曲线Fig.4 Settlement curve of D2-RTCJ3 soft soil

2.2 最终沉降预测

双曲线法是软土地基处理工程上常用的推算地基最终沉降的一种方法，其通过观察地基的沉降曲线接近于双曲线，假定堆载完成后的任意时刻对应的沉降满足双曲线方程。其基本公式为

式中：t0为堆载完成的时刻；S0为在t0时刻对应的软土沉降量；t 为拟合曲线上的任意时间点；St为t 时刻对应的软土沉降预测值；a 和b 为实测值推求出的拟合参数。

对D1-RTCJ3 及D2-RTCJ3 点位进行拟合计算，结果如图5 和图6 所示。

图5 D1-RTCJ3 拟合线Fig.5 Fitting line of D1-RTCJ3

图6 D2-RTCJ3 拟合直线Fig.6 Fitting line of D2-RTCJ3

从图5 和图6 可知上述两个监测点位于不同试验段区域，对比上述两个监测点数据可以发现，其加载过程中每级加载高度与加载时间点完全一样，区别在于最后一级堆载高度不同，从而最终满载时堆载高度不同。D1 试验段采用等载预压，堆载高度为5.9 m；D2 试验段采用超载预压，堆载高度为6.7 m。由于两个试验段地质信息并不完全相同，所以两个试验段累计沉降量相差较大。通过双曲线法对两个试验段监测点的最终沉降量进行计算，结果如表2 所示。

表2 双曲线法沉降推算结果Tab.2 Settlement calculation results of hyperbolic method

从表2 可知，D1-RTCJ3 监测点最终沉降量为-962.04 mm，工后沉降量为-66.62 mm；D2-RTCJ3监测点最终沉降量为-614.87 mm，工后沉降量为-12.27 mm。

各监测点的土层平均固结度计算公式可表示为

式中，Ut为t 时刻对应的地基平均固结度。

表3 为各测点用双曲线法计算出的相关参数结果。D1-RTCJ3 与D2-RTCJ3监测点最后一次沉降数据观测时间相同，对比其观测截止时的土层平均固结度可知，D1-RTCJ3 平均固结度为93.07%，D2-RTCJ3平均固结度为98.00%。由于D2 试验段加载分级比D1试验段多一级，D2 试验段满载时间较于D1 试验段少20 d。

表3 各测点计算参数及推算结果Tab.3 Calculation parameters and calculated results of each measurement point

由表3 可知，D1 试验段3 个软土沉降监测点平均固结度为91.88%，平均工后沉降量为74.11 mm；D2 试验段3 个沉降监测点的平均固结度为95.27%，平均工后沉降量为25.60 mm。超载预压相比等载预压加固后软土固结度提高3.39 个百分点，工后沉降量仅为等载预压34.54%，说明超载预压试验段在满载时间更短的情况下达到了更高的固结度，且工后沉降量更小。

2.3 分层沉降

图7 为D1 试验段D1-FC3 监测点的分层沉降曲线图。孔深10.971 m 处软土累计沉降量为-260 mm，孔深7.971 m 处软土累计沉降量为-167 mm，孔深4.971 m处软土累计沉降量为-81 mm，孔深1.971 m 处软土累计沉降量为-40 mm，分层沉降监测最深处软土沉降仅为浅层软土沉降的15.38%。各层软土沉降速率大小不同，孔深10.971 m 处沉降磁环埋深最浅，监测过程中软土沉降速率最大为-3.17 mm/d，在同一时间孔深7.971、4.971、1.971 m 处分别对应的最大沉降速率按埋深由浅入深分别为-1.71、-0.62、-0.48 mm/d，沉降速率沿深度减小，最深处软土沉降速率最小，仅为浅层软土沉降速率的15.14%。由沉降速率曲线可知，除最深层监测数据外，其他深度沉降速率最小点均为满载预压后最后一次监测，此时沉降速率由上到下依次为-0.36、-0.21、-0.14 mm/d，由于最深处软土层受堆载预压影响最小，故其沉降速率变化不明显，均处于较低的速率水平，其最后沉降速率为-0.07 mm/d，与最小值-0.03 mm/d 相差无几，说明堆载预压完成后期，各层软土沉降逐渐稳定，沉降速率逐渐趋向于0。

图7 D1-FC3 分层沉降曲线Fig.7 Stratified settlement curve of D1-FC3

图8 为D2 试验段D2-FC2 监测点的分层沉降曲线图。孔深8.395 m 软土累计沉降量为-175 mm，孔深5.395 m 处软土累计沉降量为-102 mm，孔深1.395 m处软土累计沉降量为-40 mm，最深层软土沉降量仅为浅层软土的22.86%。上层软土沉降速率最大为-2.64 mm/d，中部软土最大沉降速率为-1.28 mm/d，底部软土沉降最大速率为-0.41 mm/d。

图8 D2-FC2 分层沉降曲线Fig.8 Stratified settlement curve of D2-FC2

分析上述点位的分层沉降图可知，在堆载条件相同的情况下，不同位置的分层沉降曲线走势相同，每层软土沉降量均随着堆载的增大而呈现阶梯状。从沉降量曲线对比可知，在相同堆载条件下，软土沉降量沿深度逐渐减少。从各层软土沉降速率曲线分析，各层软土沉降速率变化趋势几乎相同，均与堆载填筑情况一致。对比每级堆载填筑时各层软土的沉降速率曲线，浅层软土沉降速率曲线更为敏感，沉降速率增量相对于深层软土更大。深层软土速率曲线较为平缓，说明堆载预压加固软土过程中，深层软土受堆载影响最小，加固效果最不明显。

2.4 孔隙水压力

图9 为等载预压试验段D1-SY3 孔隙水压力监测点，观测得到不同深度处软土层孔隙水压力随堆载高度和时间的变化曲线。在孔隙水压力埋设初期，堆载时间0～20 d 内，由于水平垫层的铺设以及塑料排水板的插设，导致孔隙水压力出现小幅度的增加和减少。随着每级堆载的进行，孔隙水压力也有明显的增加和消散的过程，且孔隙水压力消散速度明显优于未堆载时期。

图9 D1-SY3 孔压分布曲线Fig.9 Pore water pressure distribution curve of D1-SY3

图10 为超载预压试验段D2-SY3 孔隙水压力监测点，观测得到的不同深度处软土层孔隙水压力随从堆载高度和时间的变化曲线。从图10 可看出，在第一级堆载过程中孔隙水压力有明显增长，且在第一级堆载稳定的过程中，孔隙水压力能够迅速消散。从第二级堆载之后，埋深2、5、11 m 的孔隙水压力计测出的孔隙水压力值出现稳步增长的过程，并不随堆载的稳定而消散。埋深8 m 的软土层孔隙水压力同样在监测100 d 之后也出现平稳增长的趋势。对比D1-SY3 同样出现了该问题。分析原因，这是由于D1 和D2 堆载预压试验段靠近边坡围堰，软土层中的孔隙水排出围堰外后又重新渗入到试验段内部土层，因此水排出后又产生渗流，孔隙水压力不会发生消散，又因为堆载一直增加，导致孔隙水压力不断增大。

图10 D2-SY3 孔压分布曲线Fig.10 Pore water pressure distribution curve of D2-SY3

2.5 深层水平位移

在堆载预压加固软土过程中，由于堆载的填筑，使得预压区软土土体在产生竖向压缩变形的同时，预压区边缘会由于挤压发生水平方向上位移，对不同深度处软土层发生的水平位移进行监测，有利于控制加载速率，防止由于堆载过快而导致的地基失稳。文献[14]规定，在堆载预压过程中，预压区边界水平位移不应超过5 mm/d。各个测斜管对应的不同时间各个深度的水平位移曲线，如图11 和图12 所示，其中位移量“+”表示向试验段位移，“-”表示向试验段反向位移。

图11 D1-CX1 深层水平位移曲线Fig.11 Horizontal displacement curve of D1-CX1 deep layer

图12 D2-CX2 深层水平位移曲线Fig.12 Horizontal displacement curve of D2-CX2 deep layer

如图11 所示，D1-CX1 测点于2019 年10 月28日出现水平位移最大值，在深度1.5 m 处向试验段反向位移-18.49 mm。由各时间点深层水平位移图可知，水平位移沿深度变化趋势是相同的，最大水平位移出现在深度1.5 m 处，并且最大位移深度不随时间变化。深度达到5 m 以下，深层水平位移趋近于0，说明该点堆载预压影响深度范围为5 m 左右。由监测数据计算可知，深层水平位移速率均小于5 mm/d，最大水平位移速率为1.28 mm/d。

如图12 所示，D2-CX2 最大水平位移出现在深度2.0～2.5 m 处，最大水平位移值为2019 年10 月21日，在深度2 m 处向试验段位移11.71 m。在深度2 m之上，深层水平位移沿深度越来越大，2.0～2.5 m 之间出现水平位移最大值，深度2.5 m 以下深层水平位移沿深度向下有减小的趋势，深度5 m 以下深层水平位移变化很小，趋近于0，说明该点堆载预压影响深度范围为5 m 左右。由监测数据计算可知，深层水平位移速率均小于5 mm/d，最大水平位移速率为0.83 mm/d。

3 结语

对湖北某机场深厚软土地基进行堆载预压试验，通过对软土层顶沉降、孔隙水压力、水平位移等数据的监测分析，得到主要结论如下。

（1）采用排水板堆载预压方法对湖北某机场深厚软土地基进行加固处理效果良好，等载预压及超载预压两种方法加固后的软土固结度均达到90%以上。

（2）相比于D1 等载预压试验段，D2 超载预压试验段在更短的满载预压期内达到了更高的固结度，且平均固结度要比等载预压高3.39 个百分点，验证了超载预压对该填湖机场软土地基处理的优越性，为后续大面积堆载预压施工提供了参考依据。

（3）通过双曲线法对两种预压方式后的软土工后沉降进行预测，等载预压工后沉降量平均为74.11 mm，超载预压工后沉降量为25.60 mm，均能满足设计要求。

（4）在没有进行堆载的条件下，由于塑料排水板与水平排水垫层组成的排水系统排水速度较慢，孔隙水压力消散速度缓慢。比较不同深度孔隙水压力消散曲线可发现埋深最浅的孔隙水压力增大和消散的时间点最早，并且变化幅度相比更深土层的孔隙水压力更小，因此浅层软土加固效果要优于更深层土体。但是在堆载预压过程中应考虑预压区外地基水的渗流问题，在后续堆载预压加固过程中考虑设置挡水墙等措施，避免水的回渗。

（5）堆载预压外边界深层水平位移速率最大为1.65 mm/d，出现在D2 试验段D2-CX1 监测点，深度0.5 m 处，远远小于地基稳定规范值5 mm/d，仅为规范值的33%，说明两种堆载方案（等载与超载）的堆载速度不会对该填湖机场软土造成破坏，符合地基稳定性要求。验证了两种加载情况下的堆载预压在该填湖机场软土处理的可行性，保证了堆载预压过程中地基土的稳定性。