韩培锋,2,3，姜兆华，樊晓一，田述军

(1.西南科技大学 土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010；2.工程材料与结构冲击振动四川省重点实验室,四川 绵阳 621010；3.清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室, 北京 100084)

我国沿海地区和内陆平原地带广泛分布的软黏土尤其是饱和淤泥和黏土都具有含水量高、压缩性大、灵敏度高、强度低以及流变性和触变性明显等特点[1]。软弱地基因压缩沉降大、固结缓慢以及地基稳定性差，在进行机场、高速公路等大型工程建设时容易引起工程质量问题，在机场建设过程中加强对软土地基的处理对于机场的安全运营非常重要。因此，研究机场冲击荷载循环作用下的沉降和孔隙水压力响应十分必要。目前，国内外学者针对机场建设过程中的软土地基处理开展试验研究：刘天夫等[2]采用强夯与冲击碾压方法对锦州机场进行处理，有效提高了软弱地基的强度；何春保等[3]针对塑料排水板堆载预压法、袋装砂井堆载预压法和砂井堆载预压法3 种不同的地基处理方式进行对比试验；刘勇健等[4]通过真三轴试验研究冲击荷载作用下海积软土的孔隙水压力、轴向变形等动力响应特征，利用热失重法和理论计算法，分析试验前后软土中结合水含量；余湘娟等[5]对次固结变形与荷载的关系进行了较详细的探讨，并着重研究了正常固结土的次固结特性；王军等[6]通过GDS双向动三轴设备进行一系列饱和软黏土的变围压动三轴试验，系统研究循环偏应力和循环围压耦合对饱和软黏土孔压特性的影响。机场跑道上不同飞机的起飞和降落对跑道区软土形成循环冲击作用，但是针对机场跑道区荷载循环冲击作用下的软土响应研究还较少。因此，研究不同荷载循环冲击作用下的软土沉降及孔隙水压力变化规律对于机场的安全运行十分必要。

1 拟建区域工程背景

1.1 工程概况

机场拟建区域位于重庆市东南部，区内水系发育，河流流量变化直接受降雨影响。机场拟建区域地形地貌受地层和地质构造控制明显，两侧山脉脊岭诸峰高程一般在800～1 000 m。机场场区位于槽谷底部偏东侧，以可溶性岩层为主，形成了本区特殊的岩溶地貌，即溶丘洼地低山地貌。场区地层为沉积地层，自上而下地层主要有素填土、软塑-可塑状粉质黏土、软塑-可塑状砂质粉土、软塑状淤泥质黏土、软塑-可塑状中密圆砾、细砂等。各土层的力学性质如表1所示。

表1 软弱土层物理力学指标Table 1 Physical mechanics index of weak soil layer

1.2 机场拟建区域工程地质条件

野外调查与区域地质资料显示该地区以褶皱为主，无较大断裂。场区处于戳河坝—大集场向斜中段，向斜轴向北20°～30°东，轴面向北西倾斜，形成西翼陡、东翼缓、较紧凑的不对称向斜。拟建区位于该向斜北段西翼和南东翼轴部，其轴线从场区北段东侧边部通过，南段为白垩系地层超复掩埋，在白垩系地层中岩层微有波状起伏。拟建场区及周边揭露的地层主要为第四系全新统残坡积成因的种植土、淤泥、粉土及黏性土。机场拟建区域软弱土分布广泛，应特别注意软弱土作为地基土时引发的不良地质问题。

2 跑道软土地基处理试验及分析

2.1 强夯试验方案

针对机场软土特性及荷载特点，拟采用循环强夯法对软弱土层进行处理，模拟飞机起飞降落对软土的影响。强夯法的优点是施工速度快、工序简单、造价低，且可以解决浅层砂质粉土的地震液化问题[7-11]。为模拟不同荷载循环冲击跑道区软土，将试验区域划分成3 个区域并清理地表淤泥和整平。分别采用1 000，2 000 kN·m以及1 000 kN·m和2 000 kN·m交替夯击3 种冲击荷载模拟不同机型的冲击荷载。夯后推平工作面碾压，每个试验区域循环夯击7 次，每次间隔10 min，具体的夯击方式如图1所示。为了观测强夯的效果，在强夯区域设置3 个位移沉降观测点，在竖直方向每间隔2 m设置一个孔隙水压力传感器。

图1 不同荷载循环冲击软土Fig.1 Different load cycle impact soft soil

2.2 荷载循环冲击下软土的孔隙水压力

为了观测循环夯击能冲击作用下软土的孔隙水压力变化规律，在3 个试验区域埋设孔隙水压力传感器，分别布设-2，-4，-6，-8，-10 m等5 个观测点。在每个夯击试验区分别设置3 个沉降观测点，监测夯击过程中软土沉降量。夯击试验过程中孔隙水压力的变化规律如图2，3所示。从图2可以看出：随着冲击次数N增加，孔隙水压力均有明显上升，且较大冲击能对应较大孔隙水压力；不同深度处孔隙水压力一致，距离地表越深，则孔隙水压力越小；在循环冲击荷载作用下，孔隙水压力开始增长速度较快，随着冲击次数N增加，孔隙水压力增长速率减缓。

选取-2，-8 m两个孔隙水压力监测点，分析3 种不同荷载循环冲击下软土的孔隙水压力变化特征，孔隙水压力监测结果如图3所示。

图2 荷载循环冲击下不同深度孔隙水压力Fig.2 Different depths of pore water pressure under load cycle

图3 不同荷载循环冲击下孔隙水压变化图Fig.3 The pore water pressure changes under different load cycles

从图3可以看出：1 000 kN·m冲击荷载下的孔隙水压力最小，2 000 kN·m冲击荷载下的孔隙水压力最大。1 000 kN·m与2 000 kN·m荷载循环交替作用时，孔隙水压力更接近2 000 kN·m时的孔隙水压力值，在交替循环荷载下-2 m比-8 m的孔隙水压力值更加接近2 000 kN·m，说明不同荷载交替循环作用下的孔隙水压力增长速度更快。

2.3 荷载循环冲击下软土的沉降分析

通过监测3 个试验区域的沉降观测点，得到软土在不同荷载循环冲击下的沉降规律，结果如图4所示。

图4 荷载冲击下循环次数与沉降量曲线图Fig.4 The cycle times and the settlement displacement curve of load impingement

由图4可知：着夯击次数N的增大，软土的沉降量开始快速增大，当N继续增大时，沉降量增速减缓；夯击能越大，软土的沉降量越大，1 000 kN·m时沉降量最小，2 000 kN·m时沉降量最大，而1 000 kN·m和2 000 kN·m沉降量介于两者之间，且沉降量接近2 000 kN·m，说明不同荷载交替循环冲击作用时压实效果较好。

3 机场软土夯实效果检测分析

3.1 平板荷载试验分析

平板载荷试验是一种较为直观的试验，它是在一定面积的承压板上向地基土逐级施加荷载，测求地基土的压力与变形特性的原位测试方法[12]。通过平板载荷试验，可以测定承压板下一定深度、宽度范围内地基土的强度、变形的综合特性。为验证荷载循环冲击作用下软土的压实效果，对机场跑道区软土进行平板载荷试验。承压板的尺寸选择2.0 m×2.0 m，选取3 个夯击试验区，设置G1观测点位于夯锤间隙下方1.0 m，G2观测点位于夯击点下方1.0 m，分析平板试验沉降量。强夯后地基土的变形模量[13]为

(1)

式中：E0为地基土的变形模量，MPa；I0为刚性承压板性状系数；p为承压板底的荷载强度；s为对应的沉降量；d为承压板的直径。利用平板荷载试验确定强夯地基承载能力特征值和变形模量，结果如表2所示。

表2 平板荷载试验成果Table 2 The results of the plate load test

夯击能循环冲击软土，通过平板荷载试验验证软土承载能力，通过两个沉降观测点监测软土的沉降量，分析1 000 kN·m和2 000 kN·m夯击能循环荷载下的沉降结果，结果如图5所示。对比分析不同荷载循环冲击下软土的沉降特征，分析G1观测点和G2观测点在不同荷载循环冲击作用下的沉降规律如图6所示。

图5 荷载冲击下荷载试验沉降曲线Fig.5 Load settlement curve under impact load test

由图5平板荷载试验沉降曲线可知：夯点正下方的软土沉降量小于夯点间隙下方的沉降量，说明夯点下的软土压实较密，承载能力较强。3 个试验区中，对比相同深度观测点处的沉降量，由图6(a，b)可以发现：夯击能越大，则平板荷载试验的沉降量越小，1 000 kN·m和2 000 kN·m夯击能交替循环作用下的沉降量较接近于2 000 kN·m夯击能，说明不同荷载交替循环作用下夯击效果更好，软土的沉降值较小。

选取平板荷载试验中平板荷载350 kN时G1观测点在荷载不同循环次数冲击下的沉降量为研究对象，结果如图7所示。从图7中可以看出：随着夯击次数N的增大，软土的沉降量开始较大，后逐渐减小，降低的速率越来越慢；夯击能量越大，软土的沉降量越小，荷载交替循环作用下的软土击实效果更好。

图7 荷载循环冲击下沉降曲线Fig.7 The settlement curve under load cycle impact

3.2 静力触探试验及成果分析

静力触探试验的目的是测定夯击前和夯击后的锥头阻力和侧摩阻力在不同地层深度处的变化规律，估算土的物理力学指标、确定地基承载力和土的变形参数。当静力触探的探头在静压力作用下，匀速向土层中贯入时，探头附近一定范围内的土体受到压缩和剪切破坏。同时土对探头产生贯入阻力，其中包括锥尖阻力qc和侧壁摩阻力fs，利用双桥探头分别测定两者的变化规律，以此判定软土地基加固效果。锥尖阻力qc和侧壁摩阻力fs分别定义[12]为

(2)

(3)

式中：Qc和Pf分别为锥尖总阻力和侧壁摩阻力；A和F分别是锥底截面面积和摩擦筒表面积。利用双桥静力触探测得锥尖阻力qc和侧壁摩阻力fs。为了对比分析夯击效果，分别测定夯点下方及夯点之间的监测点在夯击前和夯击后的锥尖阻力qc和侧壁摩阻力fs，对1 000 kN·m夯击能循环冲击下试验区软土的静力触探试验进行分析，监测数据如图8，9所示。

图8 侧壁摩阻力随地层深度变化曲线Fig.8 The relation curve of lateral friction drag with depth of formation

图9 锥尖阻力随地层深度变化曲线Fig.9 The relationship curve of taper resistance with depth of formation

图8(a，b)为1 000 kN·m夯击能循环冲击下作用前后侧壁摩阻力随深度的变化曲线，图9(a，b)为1 000 kN·m夯击能循环冲击下作用前后锥尖摩阻力随深度的变化曲线。由图可知：在循环冲击荷载作用下，不同深度处的侧壁摩阻力和锥尖阻力值随深度发生变化，夯击点下方的侧壁摩阻力和锥尖阻力大于夯点之间的侧壁摩阻力和锥尖阻力；夯击后土层不同深度上的侧壁摩阻力和锥尖阻力都增强，但是锥尖阻力增长幅度更大，说明夯击对锥尖阻力增强效果更加明显；夯点下的侧壁摩阻力大于夯点之间的侧壁摩阻力，说明试验区地基承载力不均衡，夯点的分布需要调整。

为了分析不同夯击能作用下机场跑道软土区的承载能力的变化规律，对观测点分别采取1 000，2 000 kN·m以及1 000 kN·m和2 000 kN·m交替作用，选取观测点G1进行试验分析。G1号观测点不同深度上的侧壁摩阻力和锥尖阻力在不同冲击荷载作用下的变化规律如图10所示。

图10 夯点间锥尖阻力和侧壁阻力随深度变化曲线Fig.10 The relationship of lateral friction drag and taper resistance with depth of formation

图10(a，b)分别为3 种不同荷载循环冲击作用下机场跑道区软土的侧壁摩阻力和锥尖阻力随土层深度的变化曲线。由图10(a)可知：1 000 kN·m荷载循环冲击下软土的侧壁摩阻力和锥尖阻力值最小，而2 000 kN·m时对应的侧壁摩阻力和锥尖阻力值最大，1 000 kN·m和2 000 kN·m交替循环冲击作用下侧壁摩阻力值和锥尖阻力居中。由图10(b)可知：1 000 kN·m和2 000 kN·m荷载交替作用时，其摩阻力与锥尖阻力与2 000 kN·m作用时的值较接近，而较1 000 kN·m时对应的摩阻力与锥尖阻力增长较多，说明不同荷载交替循环压实作用效果较好。

4 结 论

通过夯击模拟机场飞机起飞降落过程中对机场跑道的循环冲击作用，通过平板荷载试验和静力触探试验验证夯击后软土的承载能力。研究发现：在循环冲击荷载作用下，孔隙水压力开始增长速度较快，随着冲击次数N增加，孔隙水压力增长速率减缓。1 000 kN·m冲击荷载下的孔隙水压力和沉降量最小，2 000 kN·m冲击荷载下的孔隙水压力和沉降量最大。1 000 kN·m与2 000 kN·m荷载循环交替作用时，孔隙水压力和沉降量更接近2 000 kN·m时的孔隙水压力值和沉降量，说明不同荷载交替循环作用下软土的孔隙水压力增长速度更快，击实效果更好。夯击后土层不同深度上的侧壁摩阻力和锥尖阻力都增强，但是锥尖阻力增长幅度更大。夯点下的侧壁摩阻力大于夯点之间的侧壁摩阻力，试验区地基承载力不均衡，说明夯点的分布需要调整，试验结果可为机场跑道区软土地基处理与加固提供借鉴。

本文得到清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室开放基金资助项目(sklhse-2016-D-04)，西南科技大学龙山人才计划资助项目(18lzx685)的资助。