1、DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 056西北地区某机场道面病害特征及成因探讨李尚仁1,谢春庆2,潘凯2,刘川2,吉锋3(1 西部机场集团青海机场有限公司,青海 西宁 810007;2 广东中煤江南工程勘测设计有限公司,广东 广州410440;3 成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川 成都 610059)摘要西部地区某机场站坪、联络道自 1991 年建成以来,分别于 2005 年、2007 年、2012 年和 2018 年进行了四期改扩建,2012 年后道面出现了较大规模的接缝破坏、道面脱空、沉陷、错台、断板、碎板等病害。通过系统的调查发现,
2、道面病害均发育于填方区,并沿各期扩建搭接区呈带状强烈发育,表现出填方高度越大、建设年代越久、面积越大,离航站区越近则病害发生类型越多、频率越高、规模越大的特征。经分析,地基土湿陷、冻融、压实度不足、压实不均是道面病害形成的内因,温度场变化、接缝老化、破损、地表水入渗是道面病害形成的外因,道面病害是内因外因共同作用的结果。实践证明,根据病害类型、分布特征、发育程度,采用灌浆、旋喷桩、设置防冻层、隔断层是治理和预防该类病害的有效措施,可为后期改扩建及类似工程的建设、病害防治等提供参考。关键词道面病害;温度场变化;地基湿陷;隔断层;防冻层;病害防治中图分类号P642 26文献标识码A文章编号1004
3、 1184(2023)03 0165 05收稿日期2022 11 14基金项目国家自然科学基项目(41977237);中国煤炭地质总局科技创新基金项目(ZMKJ 2020 4)作者简介李尚仁(1978 ),男,青海海东人,高级工程师,主要从事机场工程建设与管理工作。通讯作者潘凯(1989 ),男,四川西昌人,高级工程师,主要从事水文地质与工程地质、岩土工程勘测设计方面工作。Exploring the characteristics and causes of roadsurface damage at an airport in the northwestLI Shang ren1,XIE C
4、hun qing2,PANKai2,LIUChuan2,JIFeng3(1 Western Airports Group Qinghai Airport Company Limited,Xining,Qinghai 810007;2 Guangdong China CoalJiangnan Engineering Survey and Design Company Limited,Guangzhou,Guangdong 410440;3 Chengdu University of Tech-nology,State Key Laboratory of Geohazard Prevention
5、and Geological Environmental Protection,Chengdu,Sichuan 610059,China)Abstract:Since the completion of an airport station apron and liaison road in the western region in 1991,four phases ofreconstruction and expansion were carried out in 2005,2007,2012 and 2018 respectively After 2012,the road surfac
6、e suf-fered from large scale joint damage,road surface debonding,subsidence,misplaced platform,broken slab and broken slabThe systematic survey found that the road surface diseases were all developed in the fill area and were strongly developed in aband along the lap area of each phase of expansion,
7、showing the characteristics that the higher the height of the fill,the olderthe construction,the larger the area,and the closer to the terminal area,the more types of diseases occurred,the higher thefrequency and the larger the scale After analysis,the foundation soil wet sink,freezing and thawing,c
8、ompaction degree is in-sufficient,uneven compaction is the road surface disease formation of internal causes,temperature field changes,joints aging,broken,surface water infiltration is the road surface disease formation of external causes,road surface disease is the result ofthe combined effect of i
9、nternal and external causes Practice has proved that,according to the type,distribution characteristicsand development degree of the disease,the use of grouting,rotary piles,the installation of antifreeze layer and isolation layerare effective measures to manage and prevent this type of disease,whic
10、h can provide reference for the construction and diseaseprevention of later renovation and expansion and similar projectsKey words:oad surface diseases;Temperature field changes;Wet subsidence of foundations;Partition layer;Anti freeze layer;Disease control0引言西北地区深居内陆,降水稀少,气候干旱,冬季严寒而干燥,夏季高温,昼夜温差大,蒸发
11、作用强烈,气候复杂多样,且常分布湿陷性黄土、盐渍土、季节性冻土等特殊性岩土。近年来,西北地区十余个机场出现了道面下沉、道面板开裂、错台、脱空、角隅断裂、接缝破坏等工程病害。调查统计、病害分析及整治经验表明,西北地区机场道5612023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay,2023Vol.45NO.3面病害 70%以上是由于地基土冻融、湿陷、湿化、盐胀及地表水入渗作用等所引起和加剧1 5。典型案例如呼和浩特机场、包头机场、锡林浩特机场因冻融、耐久性问题6,兰州中川机场、敦煌机场等因冻融、湿陷、地表水入渗问题7 10,格尔木机场、和田机场、阿勒泰机场因冻融、盐胀、
12、溶陷问题11 13,造成机场道面的沉陷、隆起、脱空、错台、断板、碎板、板角剥落、接缝破坏、角隅断裂等病害,严重影响到机场的安全运营。1工程概况某机场位于西北高原地区,道面平均海拔 2 400 m 左右,跑道长 3 800 m,宽 45 m,并有一条等长平行滑行道,航站区建筑面积约 5 3 万 m2,滑行道与现有站坪通过四条垂直联络道相接,相关特征见图 1。该机场的站坪、联络道历史上进行了五期建设,分别为 1991 年、2005 年、2007 年、2012 年和2018 年,累计建设面积约 35 万 m2,目前正在进行第六期扩建,历史各期建设位置分布特征,见图 2。图 1机场布局及站坪、联络道平
13、面图位置展布图图 2站坪、联络道历史各期建设位置平面分布图1991 年、2005 年、2007 年站坪、联络道结构层从上到下为:34 cm 厚水泥混凝土面层,2 cm 厚石屑找平层、20 cm 厚三灰碎石基层、20 cm 厚水泥稳定砂砾底基层,结构层下设有20 cm 厚级配碎石垫层。2012 年和 2018 年结构层从上到下为:36 cm 厚水泥混凝土面层、1 cm 厚石屑找平层、20 cm 厚三灰稳定碎石基层、20 cm 厚二灰稳定砂砾石底基层,道面结构层下设有 30 cm 厚天然砂砾石垫层。道面结构特征见图3。2地质概况2 1气象特征机场位于盆地中部北侧的三阶台地上,海拔高度为2 358
14、2 460 m。研究区气候类型为高原性大陆气候,干旱少雨,日照充分,极端最低温度低于 21 5 ,极端最高温度高于34 5,年平均气温 5 5,年平均降水量 340 mm,多年平均蒸发量 1 785 mm。2 2水文地质特征研究区地下水类型为松散层孔隙水和基岩裂隙水,稳定地下水位埋深大于 30 m,雨季局部覆盖层内赋存团块状上层滞水,受大气蒸发作用在旱季枯竭。图 3站坪、联络道道面结构示意图2 3地层岩性特征研究区上部为第四系松散堆积层、下部为新近系碎屑岩,地层岩性主要有人工填土(Q4ml)、湿陷性黄土(Q4al+pl)、非湿陷性黄土(Q4al+pl)、卵石(Q4al+pl)和新近系泥岩(N)
15、,岩性特征由上至下简述如下:(1)人工填土(Q4ml),杂色,干燥稍湿,主要由道面基层填筑的砂砾石、碎石、砂及下部土基粉质回填土构成,呈稍密中密状,层顶埋深 0 3 0 4 m,厚度 0 7 10 3 m;压缩模量 Es1 2=2 0 18 6 MPa,承载力特征值 65 220 kPa。(1)湿陷性黄土(Q4al+pl):黄褐色,干燥,以粉土为主,层顶埋深 1 0 10 8 m,厚度 4 8 18 5 m;压缩模量 Es1 2=3 4 18 0 MPa,承载力特征值为 60 250 kPa。(2)非湿陷性黄土(Q4al+pl):黄褐色,稍湿,以粉土为主,层顶埋深 7 5 30 5 m,厚度
16、2 2 22 6 m,压缩模量 Es1 2=4 8 22 5 MPa,承载力特征值为 72 270 kPa,湿陷性黄土与非湿陷性黄土交错分布。(3)卵石(Q4al+pl):灰白、灰褐色,稍密中密,分布于黄土之下,埋藏深度大于 20 m,位于机场工程荷载应力影响深度之下。(4)泥岩(N):红色、紫红色,强 中风化,泥质结构,层状构造,埋藏深度大于 20 m,位于卵石层之下,强度低,易软化崩解,为软岩 极软岩,单轴抗压强度 0 5 10 0 MPa。图 4站坪服务车道、机位道面沉陷、地面裂缝特征图 5站坪廊桥、机位道面沉陷、断板、错台特征661第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月3道面
17、病害特征3 1病害类型与规模根据系统调查,站坪、联络道病害类型包括填缝料损坏、接缝破碎、道面脱空、沉陷、断板、碎板等,典型特征见图 4、图5,病害分布位置见图 6,各类病害规模统计见表 1。图 6站坪、联络道道面病害类型及分布位置平面图表 1站坪区道面病害特征统计表病害类型数量填缝料损坏/m1 789接缝破碎/m1 367面层脱空/m22 720道面沉陷/m214 073碎板/块123基层脱空/m2166基层沉陷/m22 279基层裂缝/条/m56/4463 2病害特征3 2 1分布特征根据站坪、联络道病害发生位置、类型、规模和特征,将其划分为区、区、区 3 个特征区,见图 7。图 7站坪道面
18、病害分区平面图(1)区:为服务车道、工作通道至航站楼之间的区域。区内面层脱空、基层沉降、基层脱空沿服务车道、工作通道呈条带发育。且表现出建设年代越久,病害越发育,不同期次扩建搭接部位病害强烈发育的特征。根据建设年代,结合病害分布位置,可将区细分为1区、2区、3区、4区、5区、6区、7区 7 个次级亚区。其中4亚区为1991 年与 2005 年扩建搭接部位,为整个站坪病害最发育的区域,存在大量接缝破坏、角隅破坏、裂缝、断板、面层脱空、基层沉降与脱空等病害类型。(2)区:为站坪、联络道不同年代扩建纵向搭接部位,病害沿纵向搭接边线呈条带发育。且表现出建设年代越久,病害越发育的特征。根据站坪建设年代,
19、结合病害分布位置,可将区细分为1区、2区、3区、4区、5区 5 个次级亚区。其中 1991 年建设对的1区、2区和 2007 年扩建对应的4区,病害最为发育。(3)区:为不同年代建成的站坪区的中心部位,根据站坪建设年代、病害严重程度可将区细分为1区、2区、3区、4区、5区 5 个亚区。其中 2012 年扩建的站坪,根据病害发育程度的差异,又可进一步细分为4 1区、4 2区、4 3区、4 4区 4 个次亚区,4 个次级亚区道面病害表现出由西至东,病害逐渐加重的特征。(4)根据搜集到的相关设计资料、勘测、检测资料,站坪、联络道病害发育区均为位于机场填方区,且表现出填方高度越大,病害发生类型越多,频
20、率越高、规模越大的特征。从上述病害分布特征可以看出,站坪、联络道道面病害均分布于填方区,并沿各期扩建的搭接区域强烈发育,呈现出填方高度越大,建设年代越久,面积越大,离航站区越近则病害发生类型越多、频率越高、模越大的特征。3 2 2发展特征2012 年前站坪、联络道病害偶有发生,基本上以小规模的填缝料损坏、接缝破碎、道面轻度脱空和开裂为主,未有发现明显的道面沉陷和大面积断板现象,经维修后正常使用。2013 年开始,1991 2012 年建设的道面开始逐渐出现带状、成片的接缝破损、脱空、沉陷和断板现象,并逐年增多。至2018 年后,站坪病害严重区域已不满足适航要求,被迫停暂停使用。综合病害分布特征
21、和发育历程,该机场站坪、联络道病害的形成和发展具有比较典型的“时间效应”、“尺度效应”、“温度效应”和“关联效应”特征。1)时间效应道面病害不是在站坪、联络道建成后随即发生,而是经过一段时间或数年后才逐渐发生和扩展。比较典型的例子如 1991 年建成的站坪,经历了二十余年时间才发生较大规模的病害,表现出较明显的“滞后性”和“后发性”特征。与此同时,经过长期的观测和统计,道面病害往往在秋冬和冬春交替,温度强烈变化的季节发生。上述典型现象和效应统称为“时间效应”或“累进效应”。2)尺度效应该机场 1991 年建成的站坪面积不足 3 万 m2,2012 年扩建完成后,站坪总面积达 32 万 m2,形
22、成了更大面积的混凝土道面不透气盖层,混凝土道面不透气盖层对下部浅层土基的蒸发造成阻碍,引起浅层地基土水分、盐分集聚,促进了“锅盖效应”14 15的形成和扩展,进而引起冻胀、湿陷变形,造成道面病害。上述分析表明,病害发生速率、规模与站坪面积有关,即具有“尺度效应”。3)温度效应一方面,研究区冬季气温低,航站区于每年 11 月至次年3 月供暖,每日供暖时间随航班起降时间而波动;调查发现,站坪靠航站楼一侧特别是在服务车道、工作通道靠近航站楼及附属用房的区域,病害沿建筑外边线呈带状发育,且在供761第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月暖季节病害尤为发育,地面裂缝、沉陷区显著增多。另一方面,
23、研究区气温年较差和日较差大,特别是在秋冬、冬春交替季节,病害发育比较集中和突出。上述分析表明,道面病害的形成和发展与供暖、气温变化相关,即具有“温度效应”。4)关联效应调查发现,某类病害一旦发生,将引起其他病害的发生,形成一系列病害,这些病害相互影响,相互关联,进而导致道面病害的不断扩展和加剧。如接缝老化、损坏,降水将沿接缝入渗湿化、软化地基土,进而引发地基冻融变形、湿化、湿陷沉降和不均匀沉降变形,造成基层、道面的沉陷、脱空问题,道面、基层沉陷、脱空又将导致接缝破坏、道面板开裂等,循环往复,病害将越来越多,越来越严重。上述分析表明,站坪、联络道病害具有相互影响、相互联系的特征,即具有“关联效应
24、”。4病害成因探讨4 1接缝料老化、失效西北高原日照强,昼夜温差大,建设年代较久的站坪、联络道采用沥青灌缝,沥青属于热敏性材料,易老化破损,耐久性差。当接缝料破损失效,道面隔水性能将下降,地表水将从接缝处渗入,进而湿化、软化地基土,并引起冻胀和湿陷问题。4 2填土压实度不足、压实不均站坪、联络道采用的填料为黄土状粉土,压实度受含水率、施工工法、工艺的影响很大。以 2012 年扩建站坪为例,施工期间,受不停航、降水、工期等因素影响,使得土基压实不均匀,局部压实度不足,造成道面施工期间部分二灰稳定砂砾底基层出现开裂,虽然对裂缝区地基和底基层进行修补,但并未根除相关问题,给病害形成和扩展埋下隐患。根
25、据站坪代表性区域地基压实度检测结果(见表 2),站坪病害区填土地基现状压实度均低于设计压实度要求,其中2012 年建设站坪的填土地基压实度最差,实测压实度仅0 66 0 88,远低于设计压实标准。表 2站坪代表性区域地基压实度检测结果统计项目区1991 年区2005 年区2007 年区2012 年区2018 年最优含水率/%14 5115 4015 8615 5515 77最大干密度/g/cm31 841 841 851 841 85设计压实度0 950 950 950 950 95实测压实度0 72 0 900 72 0 910 75 0 930 66 0 880 86 0 96分析认为,造
26、成填土地基现状压实度不足的主要原因有两方面;(1)施工阶段部分土基压实度未达到设计要求,这从监理、检测单位工作联系单中可以得到证实;(2)地表水入渗产生的湿陷、湿化和潜蚀作用,使地基土物质溶解和流失,加之季节性冻融作用,造成土体结构松动、破坏,进而使土体孔隙度增大、密度减小,最终造成压实度下降。4 3地基土湿陷研究区广泛分布湿陷性黄土,属自重湿陷性黄土,湿陷等级为级(中等)自重湿陷。根据前期勘地勘资料,道面设计高程下 15 m 深度范围内地基土含水率为 3 6%29 8%,填土、原地基土湿陷系数 s=0 012 0 031,自重湿陷系数zs=0 010 0 025,湿陷量计算值为 s=96 2
27、38 mm,自重湿陷量计算值 zs=34 85 mm,湿陷深度 4 85 12 90 m。湿陷性试验数据表明,站坪区现状地基土仍残留有湿陷性,湿陷等级为轻微 中等湿陷,以轻微湿陷为主,湿陷类型为非自重湿陷和自重湿陷,当地表水沿接缝、道面裂缝入渗,将引起湿陷沉降,造成道面病害。4 4季节性冻融场地属季节性冻土区,标准冻结深度为 1 28 m,最大冻深 1 60 m,而站坪、联络道混凝土面层+结构层厚度为 96 107 cm,小于标准冻结深度 1 28 m。场地内填土为黄土状粉土,依据冻土工程地质勘察规范(GB50324 2001)16,当土体冻前天然含水率 19 0%时,粉土将存在冻胀性。根据前
28、文分析,地表水沿接缝、道面裂缝入渗,加之“锅盖效应”产生的盐分和水分聚集作用,将使结构层下浅层土基含水率急剧升高,甚至局部饱和,进而引起地基土的冻融变形。4 5盐胀根据站坪各代表性区域易溶盐测试结果(见表 3),病害区易溶盐含量 0 13%1 66%,表明站坪区地基土存在盐渍土,但除 2012 年建设站坪的病害区局部地段零星分布亚硫酸盐 硫酸盐外,其余均为氯盐,总体不具盐胀性,表明盐胀不是道面病害形成的主要原因。4 6温度场变化道面温度场变化是引起干寒地区道面结构病害产生的重要原因之一。研究区地处西北高原,日照强、蒸发量和昼夜温差大、骤降雨雪频率高,温度场变化强烈。温度场周而复始的变化,伴随时
29、间的累计作用,“锅盖效应”将逐步形成和扩展,进而引起和加剧土基的冻融、湿陷,并加速混凝土材料和接缝料老化、破损,从而引发一系列的关联病害。由上述分析可知,温度场变化、时间累计作用引起的“锅盖效应”可能是道面病害形成的最初来源。4 7地表水入渗根据前述分析,地表水入渗将会引起地基湿化、湿陷沉降变形和冻融破坏,因此地表水入渗是引发道面病害的重要原因。站坪、联络道地表水来源主要有三个方面,(1)大气降水,是地表水入渗的最主要来源;(2)施工用水,如各期站坪、联络道扩建施工期混凝土道面养护用水;(3)给排水结构渗漏,如供水管道、截排水沟、管涵渗漏水。5防治措施(1)对 1991 年、2005 年建设站
30、坪接缝材料进行彻底更换,并对 2007 2018 年建设站坪接缝破损部位进行修补,阻断地表水从接缝处入渗。(2)对基层沉陷区、土基零星富水区(高含水量或团块状上层滞水区)和脱空区域进行灌浆处理,并对破损的道面板进行更换或修补。(3)对成片错台、断板、碎板、脱空、道面沉陷区及土基成片富水区进行旋喷桩处理。(4)道面板轻微开裂、角隅小面积断裂区进行修补处理。(5)系统探查场地内供水管道、截排水沟、管涵渗漏情861第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月况,发现渗漏及时修补处理。(6)加强施工管理,防治施工用水渗入地基。(7)对机场道面未来新建、扩建工程的建议:1)优化设计方案、施工工法和工
31、艺,重要部位优选填料,严控填料含水量和施工质量,进一步消除地基土的湿陷性,并确保地基的压实度和均匀性。2)设置防冻层和隔断层,防冻层厚度+结构层+混凝土面层总厚度应大于标准冻结深度,隔断材料建议优选“两工一膜”,即双层土工布+防渗膜。(8)合理安排施工工期,加强检测与监测,使检测与监测数据客观反映地基真实情况,为设计、施工和维护提供客观依据。(9)工程实践表明,上述防控措施可有效降低道面因地基压实度不足、压实不均、地表水入渗、冻融、湿陷等不良作用造成道面病害的风险,进而提高工程建设质量,减少后期维护费用,并可为类似工程提供参考。6结语(1)系统调查和研究得出,道面病害均发育于填方区,并沿各期扩
32、建的搭接区域强烈发育,呈现出填方高度越大,建设年代越久,面积越大,离航站区越近则病害发生类型越多、频率越高、规模越大的特征。(2)道病害的形成和发展具有比较典型的“时间效应”、“尺度效应”、“温度效应”和“关联效应”特征。(3)温度场变化、时间累计作用引起的“锅盖效应”可能是道面病害形成的最初来源。(4)地基土湿陷、冻融、压实度不足、压实不均是道面病害形成的内因,温度场变化、接缝老化、破损、地表水入渗是道面病害形成的外因,道面病害是内因和外因共同作用的结果。(5)实践证明,根据病害类型、特征、发育程度,采用灌浆、旋喷桩、设置防冻层、隔断层是治理和预防该类病害的有效措施,可为后期改扩建和类似工程
33、的建设、病害防治、运营维护提供参考。(6)西北干寒地区机场病害易发,给机场的建设、运营和维护带来诸多困难,建议应从查明病害成因、优化设计方案、加强施工过程控制和运营维护管理等方面入手,提高工程建设质量,降低工程病害风险,确保机场的正常运营和长久使用。参考文献 1董军,杨祺 高寒地区机场道面病害及温度场影响因素分析J 路基工程 2010(05):220 222 2闫勇刚,刘文录 西北戈壁滩机场水泥混凝土道面病害与对策研究J 甘肃科技纵横 2010 39(03):151 154 3吴晓,黄曙清,杨炳会 戈壁滩地区机场道面常见病害分析与对策J 机场工程 2006(4)4杨雄辉,于伯毅,陈海明 盐渍土
34、对机场危害的分析及处理措施J 路基工程 2010(06):207 208 5刘人玮 山区高填方机场不均匀沉降对沥青道面影响及处置方法J 城市建设理论研究(电子版)2019(11):145 147 6杨扬 寒区机场道面工程常见质量病害及对策J 市政技术2014 32(06):24 27 7熊英功 兰州中川机场扩建工程的环境地质问题及其治理J西部探矿工程 1998(05):16 17+24 8白旭耀 兰州中川机场跑道整修工程简介J 陕西建筑 1998(4):24 27 9冀鹏,张越 敦煌机场道面病害成因分析及地基处理方案J机场建设 2003(2):40 43 10杨茂华 敦煌机场道面病害分析J 青
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36、4 冻土工程地质勘察规范S 北京:中国计划出版社 2015(上接第 164 页)(3)黄土特性与土体结构关系密切,湿陷系数与孔隙比成正比,与干密度成反比,填筑后随着土体原始结构的破坏,其相关性变差。(4)本次试验压实黄土各项参数均存在较大的波动,压实系数偏低,均匀性差,填筑效果不理想,建议高填方黄土地基可以采用振动碾压与强夯相结合的回填方式。参考文献 1杜伟辉,郑建国,刘争宏,等 黄土高填方地基沉降规律及排气条件影响研究J 岩土力学 2019 40(01):1 7 2李源 湿陷性黄土地区沟壑高填方地基沉降规律研究D 兰州交通大学 2020 3朱强伟 压实黄土强度特性试验研究D 西安:长安大学2
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