湿陷性黄土地区机场沉降变形监测探究

高思培

（西安通用航空产业发展有限公司，陕西 西安 710089）

湿陷性黄土是指在上覆土层自重应力作用下，或者在自重应力和附加应力共同作用下，因浸水后土的结构破坏而发生显著附加变形的土，是一种非饱和土，在自然状态下压缩性低，强度较高，但是一旦被水浸湿，就会发生失稳性的湿陷和变形，且这种湿陷和变形是发生在局部的，具有沉降变形量大、沉降速度快等特点[2]。中国西北地区机场工程大多数都是湿陷性黄土地基，在施工中必须进行处理并在施工后进行变形监测，以保证工程安全。

1 工程概况

西安蓝田通用机场位于西安市蓝田县西南侧八里塬上，跑道长1 200 m，宽30 m，站坪约10 万m2。机场鸟瞰图如图1 所示。拟建场区属于黄土台塬地貌，该场区地形起伏较大，场地总体趋势南高北低西高东低，场区内覆盖有湿陷性黄土，具有填挖不均的特殊条件，地基湿陷等级为Ⅱ级（中等）。按GB 50025—2018《湿陷性黄土地区建筑标准》，场地必须进行地基处理以消除地基部分湿陷量。本文对西安蓝田通用机场地基处理及后续施工过程中的沉降变形进行周期性监测，为这一地区同类建设工程提供借鉴，对机场场道、站坪及航站区地基处理进行周期性、系统性的监测，并对测量数据进行科学整理、计算和统计分析，总结规律，为该地区同类型工程提供借鉴依据。

图1 机场鸟瞰图

2 湿陷性黄土地基处理对策与措施

湿陷性黄土地基沉降既有上部土体的自重性压缩变形沉降，还有遇水浸入导致的湿陷沉降。后者的沉降变形经常在局部某个部位发生，而且是没有预兆的突然发生，而且这种变形不均匀，无规律可循。为了保证施工过程中和运营过程中工程安全，必须采取合理对策和措施进行湿陷性消除[3]。

地基处理要达到如下目的：①彻底消除黄土的湿陷性，让处理后的地基变为非湿陷性黄土地基；②通过部分消除黄土的湿陷性，从而使下部未处理湿陷性黄土层的剩余湿陷量或湿陷起始压力值符合设计规定阈值；③提高地基承载力，控制施工后沉降并解决局部不均匀沉降[4]。机场工程地基处理的常用方法主要有强夯法、土或灰土垫层法、土桩或灰土桩和预浸水法。

2.1 强夯法

强夯法即强力夯实法，又称动力固结法，是目前机场工程中较常用的地基处理方法。强夯法以其施工成本低、速度快、消除湿陷性效果明显得到了广泛使用。该方法是利用大型履带式强夯机将8～30 t 的重锤从6～30 m 高度自由落下，依靠强大的夯击能和冲击波作用夯实土层。通过压缩使土体固结，将土体中的空隙水和气体排出，达到消除湿陷性、提高土体承载力的目的。强夯法适用于大面积的机场、高速公路、铁路、核电站、大工业区、港口填海等基础湿陷性地基处理。蓝田通用机场项目场道区和站坪区域地基处理主要是运用强夯法进行处理，采用150 t·m 能级对清表后的原地面进行强夯处理，强夯施工采用两遍夯法，150 t·m 强夯第一遍跳位夯，每夯位连夯14 击，最后两击平均夯沉量不超过3 cm，否则加击。第二遍跳位夯（第一遍夯后剩余的夯位），每夯位连击11 击，最后两击平均夯沉量不超过3 cm，否则加击。最后采用100 t·m 搭接拍夯，夯痕压叠1/3，每痕连夯3 击。每遍强夯施工完毕，必须用推土机推填夯坑，并整平场地，夯区土方量不得增加或减少。拍夯施工完毕后，用18 t 及以上双驱振动压路机碾压表面。地基经强夯处理后，3 m 深度范围内的湿陷性全部消除，地基承载力得到显著提高。场道区强夯施工如图2 所示。

图2 场道区强夯施工

2.2 土或灰土垫层法

该方法是一种处理浅层湿陷性黄土地基的传统方法，在西北地区使用较广泛，具有就地取材和施工简便等特点，填料一般为素土、水泥土或三七灰土，通过分层摊铺、碾压，可将地表以下3 m 范围以内的湿陷性黄土层进行湿陷性消除处理。由于机场工程一般都是高填方工程，地基处理深度在3 m 以上，该方法不适宜处理场道和站坪区域。因此蓝田通用机场场道区域在前期地基处理过程中没有使用灰土垫层法，但在后期航站区飞行保障服务中心工程中，地基处理采用2.5 m 厚的1∶7 水泥土进行分层换填。其主要目的是为了通过换填将原来的土基进行置换，达到防水、隔水的目的，提高地基承载力，以减小上部建筑物的沉降，保障工程安全。飞行保障服务中心基础水泥土换填如图3 所示。

图3 飞行保障服务中心基础水泥土换填

2.3 土桩或灰土桩法

该方法采用挤压的方式成孔，在成孔过程中对周围土体产生横向挤压力，使得桩间土得以挤压，然后将预拌好的灰土或者筛选过的素土（粘性土）分层填入桩孔，并用夯机分层捣实至设计高程。通过桩体本身和挤密后的桩间土组成复合地基，共同承担上部建筑物荷载。该方法施工简便，适用于场地狭小、无法进行大面积施工的区域，但是施工成本较高，施工效率低，且检测流程复杂，一般采用重型击实和静载试验进行检测。西安蓝田通用机场航站区FBO、航管楼&塔台采用此方法进行地基处理，如图4 所示。

图4 FBO 挤密桩施工

2.4 预浸水法

该方法是利用黄土浸水后产生自重湿陷的特性，在施工前对预处理地区基础进行大面积浸水使待处理区域土体预先产生自重湿陷，以消除黄土土层的自重湿陷性，但这种方法只适用于处理土体厚度在10 m 以上的湿陷性黄土层，且该区域自重湿陷量计算值不大于500 mm 的黄土地基，经预浸法处理后，上部浅层黄土可能仍具有湿陷性，需进一步做浅层湿陷性消除处理。

预浸水法处理黄土湿陷性具有用水量大、工期长的缺点，选用此方法处理黄土湿陷性一般要在正式工程开工前6～12 个月进行，浸水处理前要沿场地四周修筑拦水坝或将处理区域向下挖深50～80 cm，并设置测量标识点以实时监测表层及深层土的湿陷变形，且浸水初期应注意循序渐进，切不可一次注水过多，待周围表层黄土出现环形裂缝后再逐步进行蓄水提高水位，直至沉陷基本稳定为止即可停止注水。预浸水法用水量大，对于缺水少雨、水资源匮乏地区不提倡采用，当土层下部存在改制结合层等其他地质隔水层时，要适当延长浸水时间。由于蓝田通用机场场区的地形起伏大且场区面积大，故预浸水法不适合本场地的地基处理。

3 常用变形监测方法

对于地表沉降监测，目前工程常用的工具及仪器有沉降监测桩、沉降水杯、沉降板、分层沉降管、磁环沉降仪、测量机器人等。此外，还有一些先进的监测方法，如摄影测量、GPS、合成孔径雷达干涉测量技术（InSAR）、变形监测技术和三维地面扫描技术等。对于机场，尤其是高填方机场，沉降监测范围广、监测数据量庞大，常规监测方法（如水准测量）需要大量的人工测量[5]。新型的摄影测量由于摄影距离和价格受限，在变形检测中的应用尚不普及；也有学者利用传感元件将沉降变形转化为电压、电阻、振弦频率等指标，并进一步引入光纤传感技术，提高沉降变形监测的质量，如采用分布式光纤监测地面变形等，但应用光纤技术的地基内部和深层变形监测研究有待进一步实践和验证。InSAR 技术是近年兴起的新型监测手段，通过卫星图像获取间隔时间内的沉降变形结果，实现广域非接触监测，在机场、大坝、边坡等领域也有相关应用，属于全域沉降监测的新方向。

与传统的变形监测方法相比，基于合成孔径雷达数据的干涉测量技术具有覆盖范围广、分辨率高、实时精确等特点，已在大体积基坑变形监测、地质滑坡灾害隐患早期预警、煤矿采空区塌陷治理等地质灾害领域得到了广泛应用，并逐渐成为变形监测中一项不可或缺的重要技术手段。

差分雷达干涉测量技术是一种用于大地测量和遥感的雷达技术，利用同一地区不同时间的两幅或多幅SAR 影像，利用返回卫星的波的相位差来计算目标地区的地形、地貌以及表面的微小变化，以获取高精度地表形变信息，该技术可以潜在监测几天到几十年跨度的微小变形，测量精度达毫米级，可广泛应用于满足恶劣天气和夜间成像观测的区域。

4 优劣势分析

对于湿陷性黄土地区机场工程所涉及的变形监测，所需监测的范围广、监测周期长而且数据量非常大，常规的监测方法如水准测量，全站仪、经纬仪测量等主要依靠人工测量，近几年研究出的新型的测量方法中，摄影测量由于其摄影距离有限，且整套摄影设备价格不菲，该技术在变形监测领域尚未大范围推广应用；GPS 测量能实现自动化远程监测，而且监测精度高，但是在大坝、桥梁等只需监测重点要素点位中比较适用，大规模布点不太现实，监测成本较高；InSAR 测量通过采用不同时间间隔的卫星影响，通过使用专业的图像处理软件进行甄别提取就能非接触式得到间隔时间内的地表沉降变形数据，这种方法能够进行大面积非接触式监测，但是受天气情况、卫星在轨周期、影像清晰度和精度等因素影响，导致测量精度不高，且不能实现全天候、自动化实时监测，且卫星影像价格购买价格较高，数据处理软件成本高、操作复杂，导致该方法尚未能普及推广使用[6]。

5 结束语

工程中湿陷性黄土的处理方法有很多种，但是因为不同区域不同项目的地质条件和场区环境都不尽相同，所以在选用方法和措施进行湿陷性黄土地基处理时，一定要根据现场具体情况，综合考虑成本、工期等，因地制宜。而对于机场工程来说，涉及到地基处理范围广、工期紧、施工连续性等因素，场道工程应优先选用性价比高的强夯法进行处理，而航站区则可选用换填法或挤密桩法，不管采用哪种方法，都须对处理效果进行检测，并做好沉降和位移监测。