高海拔飞机坪冻胀土地基的换填与侧向围封阻水组合处理方法和结构与流程

本发明属于岩土工程，具体涉及一种高海拔飞机坪冻胀土地基的换填与侧向围封阻水组合处理方法和结构。

背景技术：

1、某飞机坪位于高海拔冻胀土地区，主要建设内容包括长600m、宽45m的跑道1条，联络道、滑行道等场道设施，机库19间、油库、机械库，以及专业和办公生活用房，并配套建设通信导航、供水供电、助航灯光等附属设施。拟建场地位于高原山间河谷地带，属山前冲洪积地貌，地势整体较为平坦开阔但南高北低，地面高程在4971.62~5027.59m之间，相对高差最大为55.97m，平均坡度约为5.6%，地表植被覆盖率仅约5~15%。场地地表有30多处季节性水流冲沟，水源以降水及冰雪融水为主，以北约2km处有沼泽湿地发育，中间河流为长流水，其补给来源于河流两侧山体的冰雪融水。地下水类型主要为第四系孔隙型潜水，含水层厚度大且埋深较浅，本勘察报告揭示的4孔地下水位埋深在地面以下8.1~8.2m，受大气降水、冰雪融水及地表水入渗的补给和控制，水位变化受降水影响较大。

2、依据相关规范，在季节性冰冻地区，道面结构应设置防冻害垫层，使结构总厚度不小于最小防冻害层厚度，且在防冻害垫层下宜有一层0.3~0.5m的冻胀性一致的土层。对于冻土深度大于2m的地区，最小防冻害层厚度为1.6m，再考虑设置0.3~0.5m冻胀性一致土层，总厚度应不小于1.9m，同时允许冻胀高度不大于50mm。

3、拟建场区最大冻深为2.95m，土体冻胀等级为1级（不冻胀土）。但工程地质条件存在明显局限：场区上部地基土（粉土和细砂）土质较疏松且分布不均，易受降水影响降低强度并产生冻胀；分布广泛的角砾土虽然为场地的主要地基土，但土工试验揭示其曲率系数（cc）大多（约80%）不满足1~3的要求，为级配不良砾类土。同时，地表1m以下碎石土、角砾土的粉黏粒含量（粒径≤0.075mm）有多处（约40%）超过6.5%，部分钻孔甚至超过10%。地勘报告根据秋季（9月~10月）测得的含水率数据得出场区角砾土为非冻胀土的结论，但该结论未考虑春季冰雪融水下渗引起土基含水率升高这一季节性不利因素。此外，场地周边地势南高北低，山区冰雪融水通过地表径流和地下渗流方式向场区流动，土中细颗粒易在水流渗流作用下不断迁移聚集；高寒地区道基土体中的气态水分也在温度差驱动下向道面下冷凝富集。上述多种因素长期叠加，将不可避免地加剧土基冻融破坏。

4、在前期设计中，基于规范要求（总厚度应不小于1.9m）并结合宏观勘察数据，设计人取用了规范允许的最不利条件下的最小防冻害层厚度1.6m，以及偏小取用的冻胀性一致土层厚度0.35m，使总换填处理深度定为1.95m。但因现场角砾土级配不良且细颗粒含量不均匀，若直接筛分角砾土成本过高且工期长，因此设计采用填方区为改性粉砂土、挖方区为换填砂砾石方案。该方案上报并通过了审查。

5、施工单位进场后经过仔细研究，提出如果只是换填1.95m，其下仍有1m厚的砾石土，春季冰雪消融时水仍可向下渗入，导致下部砾石土含水率增高，冬季仍会产生冻胀。经设计人重新复核，发现冻深范围内土层在饱水状态下冻胀率约为10%，设换填深度为x，计算式为(x-0.5)×1% + (2.95-x)×10% ≤ 0.05，计算得x=2.66m，再加上0.3~0.5m冻胀性一致土层，最小换填深度需不小于2.95m，即需将整个冻深范围内的土层全部换填。甲方、监理、勘察、设计及施工单位五方主体均同意该变更方案并据此施工，仅增加的1m厚换填就产生了1亿元的工程费用。然而在施工完成两年后的最终结算时，权威审计部门以不按原上报审批方案施工为由，未通过该笔工程款的审计，导致设计施工方承担了额外的巨额费用。一个总投资仅5亿元的工程，因造价过高且审计不通过，出现了干了活还赔钱的困境。

6、因此，现有技术中针对高海拔冻胀土地基，单纯依靠加大换填深度虽然能解决冻胀问题，但面临着工程造价极高、施工周期长且审计风险极大的致命缺陷。如何在不增加或仅极少增加费用的前提下，既能满足规范要求的防冻害厚度，又能彻底切断地下水流带来的冻胀隐患，成为岩土工程领域亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种高海拔飞机坪冻胀土地基的换填与侧向围封阻水组合处理方法和结构，其目的在于采用满足防冻厚度要求的适度换填与迎水侧全包裹式截水帷幕相结合的方式，切断外侧水流向地基内部的渗流通道，从而在消除冻胀隐患、确保工程长期安全的前提下，大幅降低工程造价、缩短施工周期。

2、为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、第一方面，本发明提供一种高海拔飞机坪冻胀土地基的换填与侧向围封阻水组合处理方法，包括：

4、在飞机坪场地的地基中换填改性水泥土，形成满足防冻厚度要求的防冻害层；

5、在飞机坪场地的迎水侧开挖截水沟槽，所述截水沟槽的深度大于地基最大冻深且开挖至不冻胀的不透水层；

6、在所述截水沟槽内部铺设防渗土工膜，所述防渗土工膜覆盖所述截水沟槽的全部内壁，且防渗土工膜的上端伸出所述截水沟槽的开口形成预留边缘；

7、在铺设有所述防渗土工膜的截水沟槽内浇注改性水泥土浆液，待凝固后形成水泥土围封体；

8、将所述防渗土工膜的预留边缘折覆于凝固后的所述水泥土围封体的顶面，使所述防渗土工膜完全覆盖所述水泥土围封体的顶面，形成全包裹式侧向截水帷幕；

9、在凝固后的所述水泥土围封体顶部砌筑挡土挡水墙，使外侧水流阻挡于飞机坪场地之外。

10、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述防冻害层下方还换填有冻胀性一致土层，所述冻胀性一致土层与防冻害层均由改性水泥土构成，且两者总换填深度根据当地季节性冰冻地区规范要求设定；所述防冻害层上方浇筑有道面层，所述道面层的厚度根据当地道面结构设计规范要求设定。

11、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述地基最大冻深根据当地气象及地质条件确定，所述截水沟槽的深度大于所述地基最大冻深，且截水沟槽的坡面按照安全坡率进行放坡开挖。

12、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述防渗土工膜的渗透系数为1.0×10-8cm/s～1.0×10-10cm/s。

13、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述改性水泥土及所述改性水泥土浆液均由就地取材的角砾土或砂土加入8%～10%重量比的水泥，加水搅拌均匀制得，所述水泥选用p.o42.5或p.o42.5r水泥；所述改性水泥土浆液的坍落度为20～22cm，凝固后28天抗压强度不小于0.8mpa，渗透系数为1.0×10-6cm/s～1.0×10-8cm/s。

14、在第一方面的一种可能的实现方式中，在飞机坪场地的地基中换填改性水泥土时，预先在场地内规划分片地块，将未施工地块作为搅拌设备的安置区，采用分片分段施工；待已施工地块的改性水泥土凝固后，再将搅拌设备移至已施工地块上对相邻地块进行施工。

15、在第一方面的一种可能的实现方式中，制备改性水泥土及改性水泥土浆液时，就地取用的角砾土或砂土在搅拌前依次经过大孔筛、中孔筛筛分，且在通过地泵输送浇注前再经过小孔筛过滤。

16、在第一方面的一种可能的实现方式中，还包括在所述侧向截水帷幕的两端对应设置储水池，通过所述挡土挡水墙将拦截的水引流至所述储水池中收集并回收利用。

17、第二方面，本发明提供一种高海拔飞机坪冻胀土地基的换填与侧向围封阻水组合结构，包括：

18、防冻害层，设置于飞机坪场地的地基内，由改性水泥土构成；

19、侧向截水帷幕，设置于飞机坪场地的迎水侧地基内，其深度大于地基最大冻深且底部伸入不冻胀的不透水层；所述侧向截水帷幕包括水泥土围封体和防渗土工膜，所述防渗土工膜全包裹于水泥土围封体的底部、侧壁及顶部；

20、挡土挡水墙，砌筑于所述水泥土围封体的顶部，使外侧水流阻挡于飞机坪场地之外。

21、在第二方面的一种可能的实现方式中，所述防冻害层下方还设置有冻胀性一致土层，所述冻胀性一致土层与防冻害层的总换填深度根据当地季节性冰冻地区道面防冻害规范要求设定；所述防冻害层上方设置有道面层，所述道面层的厚度根据当地道面结构设计规范要求设定；所述水泥土围封体沿深度方向由多次分层浇注的改性水泥土浆液凝固形成。

22、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

23、本发明通过适度换填与迎水侧全包裹围封的巧妙组合，从根源上解决了高海拔冻胀土地基处理的难题。实际施工中，先在场地地基内换填形成满足规范防冻厚度要求的改性水泥土防冻害层，从内部保证了道面下方浅层土体的抗冻性能；而在迎水侧开挖深度大于当地最大冻深且直达不冻胀不透水层的截水沟槽，并在沟槽内铺设覆盖全部内壁并预留上边缘的土工膜，再向膜内浇注改性水泥土浆液凝固成水泥土围封体，随后将预留的膜边缘折覆于水泥土顶面，将围封体与土工膜组合成完全闭合的全包裹式侧向截水帷幕，配合顶部砌筑的挡土挡水墙，就直接切断了山体侧融雪水向场区内部渗透的通道。水流被挡在外面，地基下部的原土含水率就不会因春季冰雪消融而升高，冻胀自然也就不会发生。具体来说，地基处理不必再依靠深挖2.95米全深换填，只需根据当地规范设定的较浅换填深度（例如满足防冻厚度要求的1.95米）即可达到同样的防冻效果，直接省去了原先那1米深换填带来的上亿元工程费，几十万元的围封设施成本就实现了阻水。同时，改性水泥土和浆液可以就地取材，不需要外运昂贵的砂石料，还大量消耗了现场土方和固体废弃物。这种全包裹式的帷幕结构因为封闭了渗水通道，避免了后期水流携带细颗粒迁移以及在冻深范围内形成冷凝水富集，避免了长期冻融循环破坏的隐患，最终达到既符合规范要求，又大幅降低造价，同时能保证工程质量安全和长期稳定的效果，为高海拔地区类似工程提供了经济上可行且技术上可靠的新思路。