块碎石高填方跑道地基沉降规律探究

郑智银 陆连富 胡佳宾 高山林

1.浙江省机场集团有限公司 浙江 杭州 311207

2.丽水机场工程建设指挥部 浙江 丽水 323000

3.丽水机场开发建设有限责任公司 浙江 丽水 323000

4.四川省场道工程有限公司 四川 成都 610000

研究表明，蠕变在高填方工程完工后会持续相当长时间，并与工后时间的对数大致呈线性关系。对于新建机场跑道等水泥混凝土道面工程来说，地基变形有严格要求。根据民用机场的技术规范，运营期内跑道地基沉降应小于200mm，差异沉降应小于1‰。因此，精确预测和控制工后沉降以及合理安排土方填筑完工后的置放期是这类工程管理的关键问题[1]。许多专家学者致力于研究高填方跑道地基的沉降规律，认为非饱和土主要受到蠕变影响，而时间和应力历史是主要影响蠕变的因素。然而，在实际项目中，工后沉降受到复杂因素的影响，难以通过实验室完全模拟[2]。实测沉降数据与理论计算之间存在较大误差，可能由于现场填筑体密实度不均匀、填料的初始干湿度差异以及工后置放期的降雨和湿陷沉降等原因造成。此外，施工过程的长短和沉降起算点的选择，以及填方区所处地形也会影响工后沉降数值[3]。

1 案例机场概况

案例机场为浙江某市新建军民合用机场。地貌为低山丘陵与山麓沟谷，地形起伏变化较大。场区沟壑纵深、冲沟发育，沙溪河和龙石溪横穿机场跑道。填方量巨大，该机场飞行区等级为4C，跑道长2800m，机场总填方量达5180万m3，跑道下垂直填高最大95.2m，填高属国内罕见。跑道全线被数条深沟切割，呈现挖填交错，最大挖方86.3m，其中沙溪沟、龙石溪为最深，填方高度分别达到95.2m和86.2m。现场建立了气象观测站，全面记录施工以来各天降雨量情况。跑道所有地基均处理到中风化持力层，填料为中风化和弱风化的沙岩和沙砾岩，填料类别基本归类为A1和A2，饱水抗压强度一般为38MPa，最大粒径按800 mm控制，填料中基本没有细料和土。采用强夯工艺，每4m一层，正方形布置夯孔，上下层错开，采用3000KN.m能级。为减少差异沉降，地基顶面设600mm厚碎石褥垫层。该地区属中亚热带季风气候，年平均降水量 1432.6mm，3～6 月梅汛平均总雨量占全年平均降雨量的 49.7%，以及偶尔年份有的台风汛。

2 案例项目机场工后沉降理论计算成果和实测数据

2.1 理论计算情况

按姚仰平等（2015）所提出的考虑应力历史和时间素的高填方地基一维蠕变沉降计算方法，干密度不小于 2.0g/cm3，采用分级加载来对某机场高填方进行沉降理论计算。对93m填高按9层加载，每层一个月。模拟了该机场最高H=93m处填方从施工到运营期间的动态沉降过程，相关计算成果如下：累计蠕变总变形1.2885m，运营期沉降0.2396m。40m以内填高工后沉降可忽略。

2.2 实测工后沉降数据

重点分析三个典型区域不同最大填高的工后沉降情况，三个区域填料情况相同，采用施工工艺相同。主要是施工过程长短不同，地形不同，施工期降雨情况不同。

区域1沉降数据：沙溪沟区域，全场最深区，施工最迟。下部为跑道主降方向接地带。沟通较宽，沟底220m，上口宽460m。地形类似为两面开大口。施工期和部分代表点实测数据和梅汛期沉降情况（见表1）。

表1 1号（沙溪沟）区域各代表点工后沉降数值

区域2沉降数据：场地位于站坪和跑道中部，主要为1号和2号狭长深沟，沟底宽80m，类似一面开口。施工期和部分代表点实测数据和梅汛期沉降情况（见表2）。

表2 2号（一号和二号沟）区域工后沉降数据

区域3沉降数据：场地东北端，下为龙石溪，最高填高85.4m，主要处于跑道端掉头坪防吹坪和端安全道。地形类似于大斜坡回填，三面开口。施工期及部分代表点工后实测数据和梅汛期沉降情况（见表3）。

表3 3号（龙石溪）区域工后沉降数值

施工期（2021年至2023年各月）降雨情况，当地年多年平均降雨量为1436mm，主要由3-6月份的梅汛和7-9月的台汛组成，其它时间降少雨，总体以梅汛为主。2021年总体雨量比正常年份多40%，2022年总体雨量正常，但没有台汛，7月份以后基本没有有效降雨，2023年上半年雨量明显偏少（见表4）。

表4 2021-2023项目所在地各年每月降雨情况

3 数据对比和分析

3.1 填料初始含水量和密实度及土方施工期长短对工后沉降影响巨大

干燥填料和施工期降雨较多饱和填料的高填方工程在工后沉降方面存在巨大差异。针对区域1（BC013）和区域2（BC124）进行比较分析，填高为67.2m和85.4m。测量工后沉降始于填筑完成后的第六个月，前者初期前三个月沉降为165mm，而后者只有32mm，差距显著。在初测后的第五个月，前者仍有远超过5mm/月的沉降，而后者接近0mm。其他填高情况也类似。分析原因，主要是施工期降雨总量差异导致填料初始含水量不同。前者施工期几乎没有有效降雨，填料干燥；而后者施工期经历了两个雨季和上半年的梅汛，填料处于饱和状态。饱和填料的强度较低，容易导致颗粒接触点破碎、转动以及结构局部塌陷，进而增加沉降量。此外，施工期长短不同也是一个因素。前者施工期较短，大部分层仍处于蠕变状态。而后者各层已基本稳定，测量沉降主要反映表层数米的变形。此外，填筑体密实度和均匀性也是问题。块碎石填料缺乏细料，施工现场的密实度无法与试验室中的均匀性相媲美。实测数据显示，夯锤下的碎石在重力锤击下逐步破碎和密实，固体体积率高达0.84-0.86，而夯孔间未受力的松散体填充的固体体积率较低，约为0.73-0.77。这样的填筑体可以看作是非均匀体，类似骨架结构，由夯锤下的密实体和由运土车辆反复碾压形成的硬壳以及夯孔下的松散填充组成。测量结果发现，填高约30m时，工后沉降仍然较大。因此，个人理解认为主要原因是填料初始含水量和填筑体的密实均匀性不同所致。

3.2 环境因素（主要为降雨）对工后沉降影响

有研究者将降雨或地下水位变化导致沉降称湿陷沉降，并认为碎石颗粒填料发生湿陷沉降机理为：（1）水使颗粒强度降低，导致在压力同样时更易破碎；（2）另外水有润滑作用，降低了颗粒间摩擦力，更易产生颗粒间转/滑动，导致变形。

区域二和区域三各点工后沉降数据显示，填完后表层沉降基本稳定后，遇连续降雨新的沉降增加，如遇汛期降雨。如表2的沉降点5和BC109点，沉降基本稳定后，汛期降雨三个月内又沉降了6-7mm。表3中BC121,BC122,BC123,BC124在沉降稳定后汛期三个月内沉降了15-20 mm。一次连续降雨类似一次填料干湿循环形成一次湿陷沉降，第一次有效降雨导致沉降较大，以后每次沉降是衰减的。但施工期降雨少或没有降雨，则工后第一次湿陷沉降会较大。如区域1的BC015（填高93m）在梅汛前5月份一个月沉降平均速率为2.2 mm/d，而6月25日梅汛连续降雨后7月份平均沉降速率达到3.2 mm/d，最高一周平均达到4 mm/d。而理论上工后沉降应是逐月减小衰减，而这里变大主要原因应是降雨导致的湿陷沉降，从数据上反映短期内沉降增加45%，即一个月湿陷沉降30mm。而表2和表3中几个点三个月湿陷沉降值显示也比区域一的1个月值还小。当没有新的降雨，湿陷沉降较快收敛，一般1-2个月结束（见图1）。

图1 区域3/BC122累计沉降量曲线图

区域一点沉降巨大远超理论计算，理论计算运营期93米填高运营期30年沉降239mm，实际测量工后第六至第九个月沉降已达226mm，考虑工后沉降通常规律（先大后小，逐渐减少），前面6个月沉降量会更大，以及9个月后还有沉降，故运营期总沉降将远大于理论。分析原因是理论计算蠕变主要考虑了强度和刚度随时间变化（虽已考虑试验碎石为饱水状态），但没有考虑后期多次降雨造成填料含水量变化的影响（湿陷），故计算值往往偏小。特别是如果填料为干燥状态。可以说是区域1沉降大是叠加了工后蠕变和降雨导致湿陷沉降缘故。

3.3 地形对工后沉降的影响

测量发现，区域2和区域3的测点，填料和施工期接近，工艺相同，但工后沉降值显示较大不同，区域3大于区域2。个人认为主要是地形原因，地形受限面越多，越易稳定，工后沉降也小，反之，稳定时间会延长，沉降值会大一些，但总量不多，发生湿陷沉降也是同样规律。

4 结论和建议

对块碎石填料且缺乏细料的填筑体，采用非满夯强夯法，填筑体的均匀性值得重视，可能会导致沉降过大，尤其对百米以上超高填方更应引起足够重视，并加大超高填方工后监测。

要充分重视填料的初始含水量，施工过程中最好有充分的降雨，如果没有，工后沉降就会非常大（如干旱季节施工），会远超预期。如可能可采取人工撒水干预或等工后有足够的降雨。

湿陷情况影响需认真对待。工后降雨影响是沉降变化主要影响因素，但如果施工期已经过雨季，对碎石料沉降80m内高填方工后第一个雨季约25mm以内。且沉降会在雨后一个月左右基本停止沉降，下一个雨季会继续有但数值更少。

地形对沉降也有影响，特别是三面开口大斜，如填方较大跑道端。稳定性和工后沉降要引起高重视。