西北高原干寒区某机场道面病害分析及防控措施.pdf
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1、DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202303007开放科学(资源服务)标识码(OSID)西北高原干寒区某机场道面病害分析及防控措施李尚仁1,谢春庆2,潘 凯2(1.西部机场集团青海机场有限公司,西宁810007;2.广东中煤江南工程勘测设计有限公司,广州410440)摘要:依托西北高原干寒区某机场工程,针对自建成至今老道面发生大面积的沉陷、板缝错台、断板、碎板、板角剥落、接缝破坏、角隅断裂等病害,通过系统的调查和针对性的物探、坑探、钻探、试验工作,分析了道面病害的类型、分布及成因。结果表明:老道面病害是地基不均匀沉降、地表水入渗、冻融、湿陷、湿化及历史地震综合作用的
2、结果;针对道面病害,提出新道面建设中宜采取拆除老道面,古沟道换填并强夯处理,古沟道置换搭接区及新、老道面搭接区加筋补强,道面影响区填方段垫层强夯处理,道基设置防冻层和隔断层的处置措施,并运用于设计。关键词:高原干寒区;机场道面;道面病害;成因分析;防控措施中图分类号:P642.254文献标志码:A文章编号:1003 8825(2023)04 0178 10 0 引言西北地区深居内陆,降水稀少,气候干旱,多表现出温带大陆性气候和高寒气候特征,冬季严寒而干燥,夏季高温,气温日较差和年较差大,蒸发作用强烈。西北地区特殊的地理位置,地质及气候环境给机场的建设、日常维护带来了诸多不利影响。近年来,西北地
3、区十余个机场出现了道面下沉、道面板开裂、错台、角隅断裂、接缝破坏等工程病害,病害分析及整治经验表明:该区机场道面病害普遍是由于地基土冻融、湿陷、湿化、盐胀及地表水入渗作用所引起和加剧1 10。本文依托西北高原干寒区某机场工程,分析研究了机场老道面病害的类型、分布及成因,为避免新道面出现类似病害,结合工程实践,提出了针对性的防控措施建议。1 工程概况 1.1 地形地貌特征研究区属山前冲洪积倾斜平原地貌,总体地势较缓,海拔高程 3 0313 107 m,场地呈北高南低,西高东低,中部高两端低的地势特征,整体地势略向南倾斜。机场跑道北侧平整区分布挖方土质边坡,坡高 19 m,南侧分布填方边坡,坡高1
4、7 m,大部分边坡走向与跑道近平行,倾向南,坡比 11.512。场区内及附近发育 4 条规模不等的季节性冲沟:场地西端的#1 沟、中部的#2 沟、#3 沟和东端的#4 沟。其中,对机场影响较大的主要为#1、#2 冲沟,#2 冲沟中下段老沟道从机场中部穿越,因前期机场建设而被截断改道,历史遥感影像仍能看到冲沟历史活动的痕迹。机场场外北侧设有 2 条“八字形”截洪沟,将北侧季节性洪水、雨水截断并引流至机场东西两侧排泄,截洪沟总长约 6.4 km。由于长期未清理和修缮,部分截洪沟已淤塞、溃决,截洪效果大大减弱,部分已丧失其截洪功能。机场现有滑行道北侧设有多条临时土质排水明沟,跑道与平行滑行道之间设有
5、混凝土排水明沟和排水管涵,对场地内季节性地表水进行截排引流。场内截排水系统由于年久失修,损坏、堵塞现象比较严重,大部分已不能正常使用。研究区地形地貌特征及机场平面布局,见图 1。1.2 地质构造特征机场北侧和南侧分布活动性断裂,北侧活动性断裂距离研究区直线距离约 4 km,属于晚更新世活动性断裂,全新世以来未见活动迹象;南侧活动性断裂距离机场直线距离约 48 km,属于全新世活动性断裂,1990 年发生过 7.0 级地震(对应研究区地震烈度为度)。收稿日期:2023 05 12基金项目:中国煤炭地质总局科技创新基金项目:大面积填筑地基地下水工程效应研究(ZMKJ-2020-4)作者简介:李尚仁
6、(1978),男,青海乐都人。高级工程师,主要从事机场工程建设、管理和研究相关工作。E-mail:。路基工程 178 Subgrade Engineering2023 年第 4 期(总第 229 期)30603070K03+00K04+00K05+00停机坪停机坪新建跑道5200 m55 m新建航站区停机坪停机坪#4冲沟#3冲沟#3冲沟新建站坪现有跑道5200 m50 mN#1冲沟新建助航灯光停机坪停机坪#1冲沟#2冲沟#2冲沟现有滑行道5200 m17 m现有跑道5200 m50 m现有滑行道5200 m17 mK02+00K01+00K00+003070307030503060306030
7、803080309030803080307030703050308030803060305030403060现有道面区现有截排水结构冲沟及流向新建道面区本期平整边线新建围界本期坡脚线原挖填分界线0300 m图1研究区地形地貌特征及机场平面布局 1.3 地层岩性特征研究区内地层主要包括第四系全新统植物土层(Q4pd)、第四系全新统人工填土层(Q4ml)、第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)、第四系上更新统冲洪积层(Q3apl),基岩埋深大于 200 m。土层类型包括植物土、粉土、粉细砂、粉砂、细砂、中粗砂、砾砂、圆砾、卵石、角砾、碎石、粉质黏土、漂卵石等。全新统植物土层(Q4pd):广泛分布于
8、整个场地,呈褐色,松散,稍湿-干,主要由粉土、粉细砂,夹少量砾砂、角砾构成,层厚 01.0 m,平均层厚 0.5 m,地基承载力特征值 7090 kPa。全新统人工填土层(Q4ml):分布于整个老道面区,为老道面混凝土面板下的基层。该层分为两类,第一类为以砂砾石为主的填土,呈杂色,稍湿-干,中密-密实状,主要由砂、圆砾、角砾、碎石构成,层厚 0.20.7 m,平均层厚 0.4 m,地基承载力特征值 350400 kPa。第二类为以粉土、砂土为主的填土,分布于机场土面区的填方地段,呈杂色,稍湿-干,稍密-中密状,以中密状为主,主要由粉土、砂土构成,局部夹角砾、碎石和块石,含量5%20%,厚度0.
9、37.3 m,平均层厚1.7 m,地基承载力特征值 180220 kPa,局部为 110120 kPa。全新统冲洪积层(Q4al+pl):主要分布于机场东端、西端、中部的季节性冲沟沟道、沟床、北侧人工截洪沟沟底,以及南北向贯穿机场的#2 老冲沟沟道的浅层。土层多呈黄褐色、褐色,松散-中密状,岩性主要有粉土、粉砂、细砂、砾砂、圆砾、卵石。粉土层厚 0.25.3 m,平均层厚 2.1 m,地基承载力特征值 80100 kPa;粉砂层厚 0.53.0 m,平均层厚 1.5 m,地基承载力特征值 110130 kPa;细砂层厚 0.21.0 m,平均层厚 0.6 m,地基承载力特征值 120200 k
10、Pa;砾砂透镜状分布,厚度 0.21.6 m,平均厚度 0.8 m,地基承载力特征值 230300 kPa;圆砾、卵石呈透镜状分布,层厚 0.33.0 m,平均厚度 1.1 m,地基承载力特征值 300450 kPa。上更新统冲洪积堆积层(Q3apl):该层广泛分布于整个场地,为拟建工程的基底,土层多呈黄褐色、黄棕色,中密-密实状,普遍具弱-中等胶结特征,岩性主要有粉质黏土、粉土、粉砂、细砂、砾砂、角砾、碎石。粉质黏土呈可塑-硬塑状,呈透镜状分布于砂土、粉土层间,层厚 0.33.7 m,平均厚度 1.3 m,地基承载力特征值 140200 kPa;粉土层厚 0.37.1 m,平均厚度 2.6
11、m,地基承载力特征值 220260 kPa;粉砂层厚 0.214.8 m,平均厚度 3.7 m,地基承载力特征值 200300 kPa;细砂层厚 0.24.7 m,平均厚度 1.6 m,地基承载力特征值 210310 kPa;砾砂层厚 0.218.0 m,平均厚度 5.8 m,地基承载力特征值 280400 kPa;角砾、碎石厚 0.35.6 m,平均厚度 2.3 m,地基承载力特征值 320600 kPa。1.4 气象、水文特征研究区属大陆性半干旱高山草原气候,寒长暑短,昼夜温差大,多风少雨,蒸发量大,年平均气温0.76.3 之间,1 月气温最低,平均气温14.2,7 月气温最高,平均气温
12、18.3,极端最高气温为 31.3,极端最低气温为28.9。年总降水量在 250 mm 以下,降水集中在 59 月,占年总降水量的 88%,标准冻深 1.07 m,最大冻深 1.50 m。研究区地下水类型为第四系松散层孔隙水,包括上层滞水和潜水。上层滞水在场地内零星分布,主要赋存于地势低洼处浅部全新统冲洪积层、人工填土层中,无稳定的水位面,雨季水位埋深1.4123.50 m,主要受大气降水入渗补给,通过蒸发作用排泄,水位季节性变化大。潜水主要赋存于深部的上更新统冲洪积砂层、碎石土层中,稳定李尚仁,等:西北高原干寒区某机场道面病害分析及防控措施 179 水位埋深大于 50.00 m,主要接收大气
13、降水入渗补给和北侧地势截水较高处基岩裂隙水、松散层孔隙水侧向补给,顺地势自北向南渗流排泄。1.5 机场设计简介 1.5.1 现有道面设计概况机场位于盆地边缘的山前倾斜平原,1968 年5 月开始建设,1972 年 5 月竣工投用。现有跑道长5 200.0 m,宽 45.0 m,两侧道肩各宽 2.5 m,总宽度 50.0 m。跑道北侧设有一条平行滑行道,跑道与滑行道间设有 5 条垂直联络道,跑道为水泥混凝土道面,道面结构特征,见表 1。表1跑道道面结构特征位置/m道面结构现有跑道结构K00+0+400/K04+800K05+20025 cm水泥混凝土+30 cm砂砾石基层+土基K00+400K0
14、4+80022 cm水泥混凝土+30 cm砂砾石基层+土基 根据搜集到的前期资料,原设计综合考虑场地地形、地势、排水、飞行要求等因素进行场地平整设计,挖方区主要集中于现有跑道以北的地势较高区域,填方区主要集中于现跑道以南的地势较低区,挖方高度 0.510.0 m,填方高度 1.07.0 m。原地基清表并进行适当碾压处理(人工碾压)后直接填筑,填料就地取材,采用挖方区混合土料进行分层填筑,碾压(人工碾压)密实。1.5.2 新建道面设计概况本期将对机场进行改造建设,建新跑道拟以现有跑道为基础,向南侧平移 25.0 m 建设。平行于现有跑道中心线方向,新跑道一半位于老跑道跑上,一般位于南侧土面区上。
15、新跑道设计总长5 200.0 m,宽 50.0 m,两侧各设 2.5 m 宽道肩,总宽 55.0 m。跑道两端各设 60.0 m55.0 m 防吹坪和110.0 m55.0 m 的硬化过渡段,跑道两端头及距东端 3 800.0 m 和 2 800.0 m 处各设一个掉头坪。土基压实度要求:道槽区压实度不小于 98%,土跑道、端保险道、距跑道边缘 20.0 m 以内的平整区(含部分道槽、土面区)压实度不小于 93%,其他土面区压实度不小于 90%,填方边坡区压实度不小于 93%,压实度均为重型击实标准。1.6 现有道面病害概况及新建道面需解决的技术问题根据调查,现状道面出现了大面积的沉陷、板缝错
16、台、断板、碎板、板角剥落、接缝破坏、角隅断裂等病害,造成道面无法正常使用。为避免新道面建成后出现类似病害,需对现有道面病害进行详细的调绘、勘测,并分析病害的成因机制,进而为新道面的建设和病害防治提供科学、可靠的地质依据,确保工程建设质量和机场运营安全。2 现有机场道面病害特征现有跑道、滑行道、停机坪病害发育类型主要有道面板角剥落、沉陷、隆起、板缝错台、裂缝、断板等,且几乎所有接缝都存在不同程度的破坏。机场现有道面病害的类别、数量及特征统计,见表 2。机场现有道面病害类型及分布位置平面,见图 2。表2机场现有道面病害的类别、数量及特征统计类型编号数量/处特征简述滑行道停机坪H-CT01-CT29
17、29道面沉陷、隆起、道面板板缝错台跑道P-CT01-CT2222P-DB01-DB1111道面板开裂、断板、碎板、接缝破坏 道道西端点P-CT01P-DB01P-CT02P-DB02P-CT03P-DB03P-CT04P-CT05P-CT06P-CT07P-CT08P-CT09区P-DB05 P-DB06P-DB07P-DB04P-CT10P-CT11P-DB08P-DB09H-CT01H-CT02H-CT03H-CT04H-CT05H-CT06H-CT07H-CT08H-CT11H-CT12H-CT10H-CT09H-CT13H-CT14H-CT15H-CT16H-CT18H-CT17K00
18、+00现有停机坪平行滑行道5200m16mK00+500K01+00K01+500K02+00现有跑道5200 m50 m现有停机坪现有停机坪P-CT12P-CT13P-CT14P-CT15P-CT16P-CT17P-CT18P-CT19P-CT20P-CT21P-CT22P-DB10P-DB11H-CT19H-CT20H-CT21H-CT22H-CT23 H-CT24 H-CT25H-CT26H-CT27H-CT28H-CT29K02+500K03+00K03+500K04+00K04+500K05+00K05+200跑道东端点联络道联络道联络道联络道联络道K02+500平行滑行道5200
19、m16 m现有跑道5200 m50 mK00+250K00+750K01+250K01+750K02+250K02+750K03+250K03+750K04+250K04+750贯穿性断板现有跑道中心线现有跑道中心线贯穿性断板N0 50100 200300 m不均匀沉降变形区分散断板、错台区集中断板、错台区滑行道错台、沉降、隆起变形区H-CT01跑道错台、沉降、隆起变形区P-CT01跑道断板、碎板、接缝破坏变形区P-DB01图2机场现有道面病害类型及分布位置平面 路基工程 180 Subgrade Engineering2023 年第 4 期(总第 229 期)2.1 道面沉陷、隆起和错台特征
20、以现有跑道为例,根据调查统计,集中出现不同程度道面沉陷、隆起和错台的区域一共有 22 处(P-CT01P-CT22),累计长度约 1.80 km,约占跑道总长度的 34.6%,累计面积约 9 万 m2。其中,集中出现道面沉陷、隆起和错台的道面长度约 1.28 km,占比 71.1%,零星出现沉陷、隆起和错台的道面长度约 0.52 km,占比 28.9%。现病害区道面板隆起高度 580 mm,沉陷量 10200 mm,错台高度 2100 mm,道面深陷、错台特征,见图 3。错台高度2 mm60 mm错台高度2 mm40 mm平行跑道方向延伸长度约80 m垂直跑道方向延伸长度约13.5 m图3道面
21、沉陷、错台特征 沉陷低洼处降雨时段常形成地面积水,其中部分沉陷严重地段出现了明显的道面板错位和开裂现象。2.2 道面断板、碎板、接缝破坏特征根据断板特征、规模可分为“分散式断板”和“集中式断板”两类。分散式断板区的断板和碎板数量相对较少,零星分布,道面断板、接缝破坏特征(分散断板区),见图 4。集中断板区断板、碎板、接缝破坏数量多、规模大,且部分区域贯穿跑道成片损坏,道面断板、碎板特征(集中断板区),见图 5。道面板断裂(分散性断板)跑道道面图4道面断板、接缝破坏特征(分散断板区)根据调查统计,贯穿跑道成片断板、碎板主要分布在现有跑道的 5 个区域(DB01、DB05、DB08、DB09 和
22、DB10),对应桩号为 K0+189+229、K01+593+681、K02+239+306、K02+381+449,K03+975K04+077。单个贯穿跑道成片断板、碎板区,在垂直跑道方向分布宽度 10.055.0 m,在平行跑道方向分布长度 32.0112.0 m。整条跑道上出现断板、碎板病害区段累计长度约 0.9 km,约占跑道总长的17.3%,累计面积约 4.7 万 m2。道面板断裂(贯穿跑道)集中断板跑道道面图5道面断板、碎板特征(集中断板区)其中 DB01、DB05、DB08、DB09 贯穿跑道断板、碎板区的延伸方向为 NW20NW30,5 个贯穿跑道断板走向与穿越机场的#2、#
23、4 古沟道延伸方向相一致,其余断板、碎板区延伸方向未表现出明显的规律性特征。3 道面病害成因及危害分析 3.1 地基不均匀沉降以道面病害区 K00+137K00+229(P-CT01、DB01)段为例,该段为原设计填方区,填方厚度1.0 2.5 m,长 度 约 92.0 m,其 中 K00+137+189 段为不均匀沉降、错台变形,K00+189+229 段为大面积断板、错台和沉陷变形,该区不均匀沉降量 10100 mm,错台高度 2050 mm,断板数量超过 10 块板。根据钻探验证结果(对应钻孔编号 XZK154、XZK155),该区段道面结构层以下 06 m 深度地层以填土(粉土、粉砂)
24、、粉砂和砾砂为主,且从钻孔 XZK154 至 XZK155 方向粉砂层逐渐变厚,重型动力触探实测击数为 614 击,地基土密实度差异明显。经对比分析,断板位置恰处于中密砾砂层与松散、稍密粉砂层接触带附近,接触带附近的地层岩性及其力学性质强烈变化,沿跑道中心线方向典型地质断面,见图 6。李尚仁,等:西北高原干寒区某机场道面病害分析及防控措施 181 0.85.06.412.515.30.71.76.07.214.515.2XZK1543061.28XZK1553060.58-2Q4ml-1Q4ml30643062306030583056305430523050304830463044高程/m水平
25、距离/m不均匀沉降、错台区 沉陷、错台、断板区贯穿性断板llllfffffP-CT01P-DB01500100150-2Q3apl-2Q3apl-3Q3apl-3Q3apl-4Q3apl-1Q3apl-1Q3apl中密砾砂-2密实砾砂-3密实粉砂-4松散粉砂-1填土砾砂l粉砂f冲洪积地层代号Q3apl填土地层代号Q4ml中密粉砂-3填土(粉土、砂土)-2填土(砂砾石基层)-1砂砾石基层水泥混凝土图6沿跑道中心线方向典型地质断面(P-CT01、DB01)研究中在 P-CT01 区和 P-DB01 区布置一条平行跑道中线的地质雷达测线(桩号:K00+135.3+227.7)、两条垂直跑道方向的地震
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