CN111074716A - 一种软土地基机场跑道结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软土地基机场跑道结构及其施工方法，机场跑道结构自上而下依次为沥青混合料磨耗层、玻璃纤维土工格栅、二层或多层土工格室发泡固化土层和发泡固化土长短桩复合地基；所述土工格室选用200mm高度的三维网状格室，所述固化土是以就地获取的软土为主要材料，以固化剂普通硅酸盐水泥、水玻璃、水以及发泡剂作为次要材料，经过机械搅拌形成的具有一定流动性的流态可固化拌合物。它与软土地基传统跑道建设技术相比较，利用本发明建造的机场跑道具有工后沉降及差异沉降小、施工造价低、工期短、道面不开裂、服役寿命长等优点。

Description

一种软土地基机场跑道结构及其施工方法

技术领域

本发明属于铺装领域，具体为一种软土地基机场跑道结构及其施工方法。

背景技术

民用机场道面主要有沥青混凝土道面和水泥混凝土道面二种。基于飞机滑行时的安全性和舒适性要求，近年来我国新建的一些机场，对地基的工后沉降和差异沉降都提出了较高的要求。通常的标准为工后沉降控制在5~10cm，跑道50m范围内差异沉降率控制在0.1~0.15%。对于我国内陆地区地质条件较好的机场，这一条件基本可以满足；但对于我国沿海的机场，大部分建在软土地基上，如上海浦东国际机场、珠海机场、深圳机场、宁波机场、温州机场以及济南机场等，若要在运营期间满足这些严格的沉降控制指标是非常困难的。如温州机场通航3年后沉降达到14.9cm，4年后达到16.6cm，严重超出设计要求；再如上海浦东机场一跑道通航10年时，工后沉降最大已达79cm、平均为54cm，远远超过最初估算的l0cm。说明现有的软土地基机场跑道建设技术存在缺陷，需要做进一步的改进。

对于软土地基，通常采用砂井（或塑料排水板）超载（或真空）预压法处理，卸载后地基处于超固结状态。机场跑道的工后沉降主要由以下几部分组成：1）道面结构静荷载引起的沉降：主要由道面结构静载及超载预压引起的地基土超静孔隙水压力慢慢消散引起。跑道宽度越大，产生超静孔隙水压力的土层埋深范围就越大。2）飞机动荷载引起的沉降：主要由飞机荷载作用下跑道地基不排水累积塑性应变分层叠加而成，该累积塑性应变随深度增加而减小。

机场跑道道面下基层一般采用水泥稳定土+碎石或砂垫层，弹性模量自上而下递减。

为了应对飞机动荷载的作用，相较于铁路和公路，机场跑道道面结构厚度往往较大。以温州机场为例，道面结构层总厚度达1.65m，自上而下依次为：0.32m厚度的道面混凝土+0.35m厚度的水泥稳定土+0.58m厚度的永久垫层+0.4m厚度的砂垫层，其下为工程性质极差的厚度约30~40m的软黏土地基。软基采用砂井超载预压法处理，砂井深度20m，直径7cm，堆载高度4.5m，预压4个月，砂井处理区平均固结度达到83.2%，卸载后地基土体处于超固结状态，工期内沉降达到1.2m。建成后跑道长1200m，宽60m。

发明内容

本发明的目的是针对以上问题，提供一种软土地基机场跑道结构及其施工方法，能够大幅减少机场跑道沉降及差异沉降的道面结构。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：

一种软土地基机场跑道结构，该跑道结构由上至下依次设置为沥青混合料磨耗层、玻璃纤维土工格栅层、至少双层的土工格室固化土层和复合地基；所述玻璃纤维土工格栅层采用路用型双向拉伸玻璃纤维土工格栅，其通过改性乳化沥青粘层设置在土工格室固化土层的表面；所述土工格室固化土层包括土工格室和设置在土工格室内的水泥-水玻璃发泡固化土；所述复合地基层包括设置在土工格室固化土层下面的砂垫层，桩间及桩端软土和竖直设置在软土层中的固化土长桩和固化土短桩，所述长桩和短桩成三角形间隔设置。

进一步的，所述土工格室选用200mm高度的HDPE纹面片材经焊接而成的三维网状格室。

进一步的，所述沥青混合料磨耗层为5.0cm厚度的空隙率不超过6%的密实级配沥青玛蹄脂碎石混合料。

进一步的，所述复合地基中的砂垫层厚度为10cm，短桩长度为5~10m，长桩长度为短桩长度的两倍以上。

进一步的，所述水泥-水玻璃发泡固化土的成分由质量百分比确定：天然土70% ~85%，土体固化剂15% ~ 30%；占拌合物总体积5% ~ 20%的发泡剂，以及满足流动性和反应过程所需要的水组成，经过机械搅拌形成具有一定流动性的流态可固化拌合物；其具有流动性好、可泵送、硬化速度快、固化后不透水、水稳定性好、强度高等水泥稳定土难以比拟的优点；其中，天然土采用淤泥、淤泥质黏土、黏土、粉质黏土、粉土、细砂、中砂、粗砂中任意一种或几种组合；所述土体固化剂采用普通硅酸盐水泥、水玻璃和添加缓凝剂等辅料组成。取水灰比=1:1，水泥浆与水玻璃的体积比、水玻璃的浓度按照施工所需要的固化土初凝与终凝的时间差，按照现场的土质条件通过试验确定。

所述的一种软土地基机场跑道的施工方法，包括如下步骤：

① 准备工作：A：在跑道位置就地取土卸荷40cm厚，运至就近设立的搅拌站预拌流态的水泥-水玻璃发泡固化土备用；B：制作直径为3-5cm、长度40cm的楔子，楔子可采用竹楔或木楔或钢楔。

② 打桩：先打长桩，后打短桩，桩间距2.0~3.0m，桩直径0.40m；桩型按施工单位设备条件可以选择振动沉管灌注桩或长螺旋压灌灌注桩，灌注材料为上述预拌流态的水泥-水玻璃发泡固化土。

③ 打桩完成一周后，凿除过长的桩头，按排水坡度要求平整场地，铺设10cm厚度砂垫层。

④ 挂网：A：将高度20cm，膜片有孔，孔径1cm，膜片焊距25-40cm的土工格室张拉，使格室处于张力状态，不允许有松弛感；B：铺设土工格室的始端，按土工格室的铆距尺寸用铁锤将准备好的楔子打入路基，楔子露出部分不高于格室高度；C：将土工格室按格挂在楔子上；D：铺设土工格室；E：在土工格室未张拉开之前，用格室连接件将各格连接；F：将连接好的土工格室统一张拉到设计规定的尺寸，并用楔子或人工固定；

将张拉好的土工格室沿张拉方向从格室的始端进行预拌流态的水泥-水玻璃发泡固化土浇筑，并浇筑至剩三层土工格室为宜，用带振动器的刮杠沿土工格室上沿抹平，连接其它土工格室再次浇筑抹平，依次重复至需铺设的格室的长度为止；

次日待水泥-水玻璃发泡固化土终凝并达到一定强度后再次重复步骤④

再浇筑一层土工格室固化土，若浇筑多层再重复步骤

；

待水泥-水玻璃固化土终凝并达到一定的强度后，在其上用U型钉固定玻璃纤维土工格栅，并在土工格室固化土表面洒布一层改性乳化沥青粘层；

摊铺SMA沥青混合料磨耗层并碾压至压实。

本发明的有益效果：

1、本发明中水泥-水玻璃发泡固化土主要材料为就地获得的天然土，减少了材料的运输成本。

2、本发明水泥-水玻璃发泡固化土中由于加入了发泡剂，所得土工格室固化土的重度比天然土低，减轻了道基的重量；水泥-水玻璃发泡固化土中的微气泡起到隔热、保温的作用，并可以增加土工格室固化土的弹性及抗冲击能力。

3、本发明土工格室水泥-水玻璃固化土相对于现有技术的水泥稳定土基层，它是一种隔热、不透水、弯曲刚度大、抗冲击能力强的弹性半刚性结构层，有很好的水稳定性和冻稳定性；固化土中土工格室的三维应力分散作用以及均匀分布的微气泡的存在，使得固化土道基能够充裕地应对飞机动荷载的震动冲击。

4、本发明中道面结构采用空隙率不超过6%的沥青混合料磨耗层与玻璃纤维土工格栅固定，基本不透水，与土工格室固化土基层有很好的变形协调性。面层厚度仅为5.0cm，与现有的道面层设计方案相比较，其造价大大降低；由于面层沥青混合料厚度薄，即使在夏季高温条件下，也不会因蠕变而产生明显车辙。玻璃纤维土工格栅的使用，有助于增强路面层与基层的应变协调性以及沥青混合料的抗拉、抗剪切能力。

5、本发明中土工格室的口袋约束效应限制了跑道基层的侧向变形和裂缝的产生和发展，土工格室固化土产生的厚板效应能大幅度提高基层的抗弯刚度，减少了跑道的不均匀沉降，增加了飞机滑行的安全性和舒适性；固化土中发泡剂的引入能够大幅度降低固化土的比重，就地取土也使得机场跑道道面高程只比原地面高程略高15cm（道面磨耗层5cm+砂垫层10cm）左右，但由于固化土比自然土比重轻，故由道面结构荷重增加的附加荷载可以忽略不计；机场跑道的工后沉降主要由飞机动荷载所引起，故总体沉降很小，完全可以控制在允许沉降范围内。

6、本发明中预拌流态的水泥-水玻璃固化土既可选择在搅拌站集中生产，利用泵车布料机浇筑；也可在现场搅拌，采用机械喷射方式浇筑，施工方便且施工速度快。由于预拌固化土具有流动性，自密实性好，固化速度快，不需要振捣，因此施工效率高。

7、本发明中的复合地基中短桩的作用是增强上部地基的复合变形模量，长桩的作用是增强中上部地基的复合变形模量；与传统的超载预压固结法相比，对土体的扰动小，不会产生过高的超静孔隙水压力，不会降低土体的结构强度，处理后的复合地基强度更高，工期更短，工后沉降更小；必要时，振动沉管灌注桩、长螺旋钻孔压灌发泡固化土桩也可以用水泥搅拌桩替代。

附图说明

图1是本发明实施例的沥青混凝土道面结构剖面示意图。

图2为长短桩平面布置示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

如图1-图2所示，本发明的具体结构为：一种软土地基机场跑道结构，由上至下依次设置为沥青混合料磨耗层1、玻璃纤维土工格栅21和改性乳化沥青粘层22、双层土工格室固化土层3和长短桩复合地基层8。

其中，沥青混合料磨耗层1为5.0cm厚度的空隙率不超过6%的密实级配沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）沥青混凝土。

玻璃纤维土工格栅21为路用型双向拉伸玻璃纤维土工格栅，其通过改性乳化沥青粘层22设置在土工格室固化土层3的表面，并通过U型钉将土工格栅固定在土工格室固化土表面，以增加沥青混合料面层的抗拉强度以及与基层的协调变形能力。

土工格室固化土层3包括土工格室和设置在土工格室内的水泥-水玻璃发泡固化土，土工格室选用200mm高度的HDPE纹面片材经焊接而成的三维网状格室，其焊距可选择200~400mm；该水泥-水玻璃发泡固化土的成分由质量百分比确定：天然土70% ~ 85%，土体固化剂15% ~ 30%；占拌合物总体积5% ~ 20%的发泡剂，以及满足流动性和反应过程所需要的水组成，经过机械搅拌形成具有一定流动性的流态可固化拌合物，其具有流动性好、可泵送、硬化速度快、固化后不透水、水稳定性好、强度高等水泥稳定土难以比拟的优点；其中，天然土采用淤泥、淤泥质黏土、黏土、粉质黏土、粉土、细砂、中砂、粗砂中任意一种或几种组合；所述土体固化剂采用普通硅酸盐水泥、水玻璃和添加辅料组成。取水灰比=1:1，水泥浆与水玻璃的体积比、水玻璃的浓度按照施工所需要的固化土初凝与终凝的时间差，按照现场的土质条件通过试验确定。在水泥中加入水玻璃，能改善水泥的固化性能，提高水泥的固化速度，水泥中的氢氧化钙由于水玻璃的存在而生成强度更高的纤维状或网状水化硅酸钙凝胶，进而包裹黏土颗粒形成较大颗粒起到加固作用，因此水泥-水玻璃固化土比水泥土的强度更高、水稳定性更好，且更有韧性，在土工格室的共同作用下，水泥-水玻璃固化土能够承受道面飞机荷载的反复作用而不开裂。

所述土工格室能够大幅增强道面结构强度的机理在于格室体的口袋约束效应及格室固化土的厚板效应，每个格室体单元如同装满固化土的口袋，当其承受压力后，固化土受到的压力会反作用到格室转化为格室材料的拉应力，与固化土模量相比，格室固化土模量会有指数级增长。随着土工格室高度的增加，土工格室固化土层的抗弯刚度将会出现指数级增长（抗弯刚度与格室土高度的三次方成正比）而呈现出厚板效应。本发明正是利用了这一基本原理，通过采用二层或多层格室固化土层进行叠加，使道面结构的抗弯刚度和复合变形模量得到超强增长。

所述复合地基层8包括砂垫层4、砂垫层下的桩间软土7和竖直设置在软土内的固化土的长桩5和短桩6，砂垫层4厚度为10cm，短桩6长度一般取5-10m，不配筋；长桩5长度为短桩长度的2倍以上，一般不配筋，长度较大时可配筋；长桩5和短桩6在平面上三角形间隔配置，布置密度及桩长依据道基沉降要求确定。

一种软土地基机场跑道的施工方法，包括如下步骤：

① 准备工作：A：在跑道位置就地取土卸荷40cm厚，运至就近设立的搅拌站预拌流态的水泥-水玻璃发泡固化土备用；B：制作直径为3-5cm、长度40cm的楔子，楔子可采用竹楔或木楔或钢楔。

② 打桩：先打长桩5，后打短桩6，桩间距2.0~3.0m，桩直径0.40m；桩型按施工单位设备条件可以选择振动沉管灌注桩或长螺旋压灌灌注桩，灌注材料为上述预拌流态的水泥-水玻璃发泡固化土。

③ 打桩完成一周后，凿除过长的桩头，按排水坡度要求平整场地，铺设10cm厚度砂垫层4。

④ 挂网：A：将高度20cm，膜片有孔，孔径1cm，膜片焊距25-40cm的土工格室张拉，使格室处于张力状态，不允许有松弛感；B：铺设土工格室的始端，按土工格室的铆距尺寸用铁锤将准备好的楔子打入路基，楔子露出部分不高于格室高度；C：将土工格室按格挂在楔子上；D：铺设土工格室；E：在土工格室未张拉开之前，用格室连接件将各格连接；F：将连接好的土工格室统一张拉到设计规定的尺寸，并用楔子或人工固定；

将张拉好的土工格室沿张拉方向从格室的始端进行预拌流态的水泥-水玻璃发泡固化土浇筑构成土工格室固化土层3，并浇筑至剩三层土工格室为宜，用带振动器的刮杠沿土工格室上沿抹平，连接其它土工格室再次浇筑抹平，依次重复至需铺设的格室的长度为止；

次日待水泥-水玻璃发泡固化土终凝后再次重复步骤④

再浇筑一层土工格室固化土层3；

待水泥-水玻璃固化土终凝并达到一定的强度后，在其上用U型钉固定玻璃纤维土工格栅21，并在土工格室固化土表面洒布一层改性乳化沥青粘层22；

摊铺SMA沥青混合料磨耗层1并碾压至压实。

将本实施方案与温州机场原实施方案进行比较：

1）本实施方案道面结构厚度为磨耗层5cm+双层格室固化土40cm+砂垫层10cm = 55cm，扣除挖除的40cm软土，实际施加的超载仅为0.15×18.0=2.7kPa，对于地基强度较高的长短桩复合地基而言，产生的工后沉降将很小且接近于零；而原实施方案道面结构厚度为1.65m，实际施加的超载为1.65×20.0=33.0kPa。对于压缩层厚度为30~40m的巨厚软土而言，产生的沉降将是非常可观的。由于原地面因超载预压工期内沉降了1.2m，故本方案的道面标高比原方案低1.65-1.2-0.15=0.3m，工程量比原方案更少，工期也短。

2）与原道面结构层相比，土工格室水泥-水玻璃固化土是一种隔热、不透水、弯曲刚度大、抗冲击能力强的弹性半刚性结构层，在飞机动静荷载反复作用下，其产生的累积塑性变形理论值为零。

综上所述，与原方案进行比较，本方案道面总沉降及差异沉降很小，而且施工成本更低，说明本方案性价比更高。

Claims (6)

1.一种软土地基机场跑道结构，其特征在于，该跑道结构由上至下依次设置为沥青混合料磨耗层、玻璃纤维土工格栅层、至少两层的土工格室固化土层和复合地基；所述玻璃纤维土工格栅层采用路用型双向拉伸玻璃纤维土工格栅，其通过改性乳化沥青粘层设置在土工格室固化土层的表面；所述土工格室固化土层包括土工格室和设置在土工格室内的水泥-水玻璃发泡固化土；所述复合地基层包括设置在土工格室固化土层下面的砂垫层，设置在砂垫层下的固化土长桩、固化土短桩以及桩间土，长桩和短桩在平面上呈三角形间隔设置。

2.根据权利要求1所述的一种软土地基机场跑道结构，其特征在于，所述土工格室选用200mm高度的HDPE纹面片材经焊接而成的三维网状格室。

3.根据权利要求1所述的一种软土地基机场跑道结构，其特征在于，所述沥青混合料磨耗层为5.0cm厚度的空隙率不超过6%的密实级配沥青玛蹄脂碎石混合料。

4.根据权利要求1所述的一种软土地基机场跑道结构，其特征在于，所述复合地基中的砂垫层厚度为10cm，短桩长度一般为5~10m，长桩长度约为短桩长度的两倍。

5.根据权利要求1所述的一种软土地基机场跑道结构，其特征在于，所述水泥-水玻璃发泡固化土的成分由质量百分比确定：天然土70% ~ 85%，土体固化剂15% ~ 30%；占拌合物总体积5% ~ 20%的发泡剂，以及满足流动性和反应过程所需要的水组成，经过机械搅拌形成具有一定流动性的流态可固化拌合物；所述土体固化剂采用普通硅酸盐水泥、水玻璃和添加辅料组成，取水灰比=1:1，水泥浆与水玻璃的体积比、水玻璃的浓度按照施工所需要的固化土初凝与终凝的时间差，按照现场的土质条件通过试验确定。

6.根据权利要求1所述的一种软土地基机场跑道的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

① 准备工作：A：在跑道位置就地取土卸荷40cm厚，运至就近设立的搅拌站预拌流态的水泥-水玻璃发泡固化土备用；B：制作直径为3-5cm、长度40cm的楔子，楔子可采用竹楔或木楔或钢楔；

② 打桩：先打长桩，后打短桩，桩间距2.0~3.0m，桩直径0.40m；桩型按施工单位设备条件可以选择振动沉管灌注桩或长螺旋压灌灌注桩，灌注材料为上述预拌流态的水泥-水玻璃发泡固化土；

③ 打桩完成一周后，凿除过长的桩头，按排水坡度要求平整场地，铺设10cm厚度砂垫层；

④ 挂网：A：将高度20cm，膜片有孔，孔径1cm，膜片焊距25-40cm的土工格室张拉，使格室处于张力状态，不允许有松弛感；B：铺设土工格室的始端，按土工格室的铆距尺寸用铁锤将准备好的楔子打入路基，楔子露出部分不高于格室高度；C：将土工格室按格挂在楔子上；D：铺设土工格室；E：在土工格室未张拉开之前，用格室连接件将各格连接；F：将连接好的土工格室统一张拉到设计规定的尺寸，并用楔子或人工固定；

将张拉好的土工格室沿张拉方向从格室的始端进行预拌流态的水泥-水玻璃发泡固化土浇筑，并浇筑至剩三层土工格室为宜，用带振动器的刮杠沿土工格室上沿抹平，连接其它土工格室再次浇筑抹平，依次重复至需铺设的格室的长度为止；

次日待水泥-水玻璃发泡固化土终凝并达到一定强度后再次重复步骤④

再浇筑一层土工格室固化土，若浇筑多层再重复步骤

；

待水泥-水玻璃固化土终凝并达到一定的强度后，在其上用U型钉固定玻璃纤维土工格栅，并在土工格室固化土表面洒布一层改性乳化沥青粘层；

摊铺SMA沥青混合料磨耗层并碾压至压实。

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