一种人工填筑岛礁机场跑道结构及其施工方法与流程

本发明属于铺装领域，具体为一种人工填筑岛礁机场跑道结构及其施工方法。

背景技术：

在岛礁上建设机场，工作体量巨大、保障要求高、维修比较困难。特殊的海洋环境背景和强烈的人工活动影响下，珊瑚岛礁面临着更为复杂和难以预测的地表沉降和变形问题。

以美济岛为例，该岛礁位于我国南沙群岛中东部海域，由珊瑚生长发育形成，为典型的钙质岛礁。该岛礁于2015年完成陆域吹填工程，礁坪吹填材料主要为珊瑚砂。该岛礁机场工程的建成时间为2016年上半年，7月各项指标均通过校验，可以起降民航客机。通过对卫星监测结果给出的美济岛新建机场2016年8月岛2017年2月共199天的沉降数据进行分析，得出吹填陆域沉降变形表现出明显的空间差异性，边缘处的沉降量和沉降速率均明显大于原始礁盘中心处，内侧（泄湖侧）边缘（外侧没有有效数据）最大沉降速率达30mm/a以上，该沉降速率约为原始礁盘中心处沉降速率的2倍，是尼斯国际机场沉降速率最大值的3倍，香港国际机场沉降速率最大值的2倍。沉降过程曲线显示，沉降随时间近似线性发展，尚无收敛迹象。岛礁机场的沉降变形主要与基底地势及地质条件、吹填厚度、工程扰动等因素有关，美济岛机场由于基础填料珊瑚砂可压缩性强，沉降速率偏大，且表现出明显的差异沉降特征。

我国南海岛礁机场地处热带，跑道多为刚性混凝土道面，与沥青道面相比其刚度大、强度高、荷载扩散能力强、耐久性好，但对地基的不均匀沉降适应能力较差，损坏发展迅速，且维修困难，费用高昂。

随着航空业的发展，飞机荷载不断增大，飞机起落架构型向多轴多轮发展。例如a380-800飞机，主起落架由两侧起落架和中起落架组成共同承受最大起飞重量560吨，最大降落质量386吨，主起落架的轮子数目共20个，由两个双轮三轴小车和两个双轮双轴小车组成。当多轮起落架通过道面结构某一点时，相距一定距离的轮与轮在道面某一深度处会产生应力的干涉和叠加，动载影响深度可超过10m，导致基层的永久变形难以预测。飞机动载下差异沉降的控制本质上可归结为跑道下地基土允许累积塑性变形的控制，使飞机起降动载下地基长期累计变形处于塑性安定状态。

珊瑚砂是一种富含碳酸钙的海洋沉积物，由于其特殊的生物成因和海洋沉积环境，形成了砂粒形状不规则、孔隙丰富且含内孔隙、质脆易破碎等特点，其宏观力学行为与陆源砂（硅砂）性质迥异。现有的珊瑚砂力学性质研究主要集中在常规的静力压缩、剪切强度和变形问题上。研究发现，在较低围压下就会产生较陆源砂更明显的颗粒破碎，使珊瑚砂的应力-应变关系、强度特征、剪胀性等与普通陆源砂有显著的不同，并随着围压的不断增加，颗粒破碎不断发展，差异不断加剧。与石英砂不同，珊瑚砂具有较强的可压缩性和明显的蠕变特性。

南海人工填筑岛礁与陆地相距遥远，建筑材料运输费用高，在岛礁机场建设中应尽可能就地取材，以降低建设成本。因此，人工填筑岛礁机场的建造条件既不同于内陆地区，也不同于沿海软土地基。

技术实现要素：

本发明的目的是针对以上问题，提供一种人工填筑岛礁机场跑道结构及其施工方法，它能够大幅减少珊瑚砂岛礁机场跑道沉降及差异沉降。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：一种人工填筑岛礁机场跑道结构，该道面结构由上而下依次设置为磨耗层、土工格室固化层、土工格室珊瑚砂褥垫层和长短桩复合地基层，其中磨耗层为环氧树脂透水混凝土；所述土工格室固化层为在土木格室内填充可固化水泥珊瑚砂构成；所述土工格室珊瑚砂褥垫层为土工格室内填充吹填珊瑚砂构成；所述长短桩复合地基层包括人工吹填珊瑚砂层和设置在人工吹填珊瑚砂层内的多个长桩和短桩，所述长桩和短桩均采用振动沉管灌注桩，灌注材料为可固化水泥珊瑚砂。

进一步的，所述磨耗层与预拌流态可固化水泥珊瑚砂透水层的空隙率均设置为15%~20%。

进一步的，所述磨耗层为单一级配或开级配碎石集料与环氧树脂胶结材料混合凝固而成；其中所述环氧树脂胶结材料由着色剂、环氧树脂、增韧剂、稀释剂、水和固化剂组成；所述着色剂采用无机颜料铁红或铁黑中至少一种；所述环氧树脂采用水性环氧树脂，稀释剂为水；所述固化剂采用聚酰胺类固化剂；所述单一级配或开级配碎石集料采用2.36mm~4.75mm的单粒径级配集料。

进一步的，所述土工格室高度为20cm，焊距为20cm~40cm。

进一步的，所述可固化水泥珊瑚砂由成分质量比为：珊瑚砂60~70，土体固化剂占比10~20，其余为水搅拌而成的流态可固化拌合物；其中，土体固化剂采用普通硅酸盐水泥。

进一步的，所述可固化水泥珊瑚砂塌落度为10cm~18cm。

进一步的，所述短桩长度为5m-10m，长桩长度不小于短桩的2倍，所述长桩和短桩在平面上为三角形间隔设置。

一种人工填筑岛礁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，取土量的一半堆在道基附近以备土工格室珊瑚砂褥垫层充填之用，另一半运至就近设立的搅拌站预拌流态的可固化水泥珊瑚砂；b：制作直径为3cm-5cm、长度30cm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3.0m，桩直径0.40m；

③打桩完成三周周后，凿除过长的桩头，平整场地；

④挂网：a：将土工格室张拉，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，按土工格室的格距尺寸用铁锤将准备好的楔子打入道基，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，再铺设土工格室，并用楔子固定；

将张拉好的土工格室沿张拉方向从格室的始端开始摊铺珊瑚砂褥垫层，填土高度高出土工格室3-5cm，用格室连接件连接其它土工格室再次摊铺珊瑚砂褥垫层并抹平，依次重复至需铺设的格室长度为止，然后洒水并振动碾压至压实；

重复步骤④，然后浇筑预拌流态的可固化水泥珊瑚砂，并用带振荡器的刮杠沿土工格室上沿抹平；

待水泥固化珊瑚砂终凝并达到一定的强度后，摊铺厚度5cm磨耗层，然后用抹平机抹平。

附图说明

图1为本发明剖面示意图。

图2为本发明长桩和短桩布置示意图。

图中：1、磨耗层；2、土工格室固化层；3、土工格室珊瑚砂褥垫层；4、长短桩复合地基层；41、长桩；42、短桩；43、地基。

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人工填筑岛礁机场跑道结构，该机场跑道的道面结构由上而下依次设置为磨耗层1、土工格室固化层2、土工格室珊瑚砂褥垫层3和长短桩复合地基层4。

其中，磨耗层1采用环氧树脂类透水混凝土，所述磨耗层为单一级配或开级配碎石集料与环氧树脂胶结材料混合凝固而成；其中所述环氧树脂胶结材料由着色剂、环氧树脂、增韧剂、稀释剂、水和固化剂组成；所述着色剂采用无机颜料铁红或铁黑中至少一种；所述环氧树脂采用水性环氧树脂，稀释剂为水。

优选的，所述单一级配或开级配碎石集料采用2.36~4.75mm的单粒径级配集料，环氧树脂采用巴陵牌水性环氧树脂（透水砖专用），对应的胶石比为0.03，着色剂掺量为胶结料质量的3%，目标孔隙率为20%。

优选的，所述着色剂采用无机颜料铁红或铁黑中至少一种。

优选的，所述固化剂采用聚酰胺类固化剂。

优选的，稀释剂为水为海水。

具体的，所述土工格室固化层3为在土木格室内填充可固化水泥珊瑚砂构成，所述可固化水泥珊瑚砂由成分质量比为：珊瑚砂60~70，固化剂占比10~20，其余为满足流动性和水化反应过程所需要的水，其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；为施工方便，可固化水泥珊瑚砂塌落度为10cm~18cm。可固化水泥珊瑚砂的目标空隙率为15-20%。

优选的，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。

其中，土工格室能够大幅增强道面结构强度的机理在于格室的口袋约束效应及格室体的厚板效应，每个格室内的珊瑚砂格室单元如同装满珊瑚砂的口袋，当其承受压力后，珊瑚砂受到的压力会反作用到格室转化为格室材料的拉应力，与珊瑚砂模量相比，格室珊瑚砂模量会有指数级增长。试验研究表明，10cm高的土工格室粉土能够获得高达40~80mpa的复合弹性模量，并随着格室高度的增加而增加。对于土工格室固化层2，格室间因为变形协调与相互制约，而产生薄板效应；而随着土工格室高度的增加，土工格室水泥固化珊瑚砂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20cm高的土工格室固化层2与20cm高的土工格室珊瑚砂褥垫层3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。

具体的，所述土工格室珊瑚砂褥垫层3为土工格室内填充珊瑚砂构成，其土工格室与土工格室固化层2的土工格室构造一样。

具体的，所述长短桩复合地基4内竖直设置有多个长桩41和短桩42，所述长桩41和短桩42在平面上三角形间隔设置；所述长桩41和短桩42均采用振动沉管灌注桩，灌注材料为可固化水泥珊瑚砂；所述地基43为人工吹填珊瑚砂，其中短桩42长度一般为5~10m，不配筋；长桩41长度是短桩长度的2倍以上，一般不配筋，长度较大时可配筋；长桩41与短桩42的布置密度及桩长依据沉降要求确定，如图2所示。

一种人工填筑岛礁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，取土量的一半堆在道基附近以备土工格室珊瑚砂褥垫层充填之用，另一半运至就近设立的搅拌站预拌流态的可固化水泥珊瑚砂；b：制作直径为3cm-5cm、长度30cm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3.0m，桩直径0.40m；

③打桩完成三周周后，凿除过长的桩头，平整场地；

④挂网：a：将土工格室张拉，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，按土工格室的格距尺寸用铁锤将准备好的楔子打入道基，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，再铺设土工格室，并用楔子固定；

将张拉好的土工格室沿张拉方向从格室的始端开始摊铺珊瑚砂褥垫层3，填土高度高出土工格室3-5cm，用格室连接件连接其它土工格室再次摊铺珊瑚砂褥垫层并抹平，依次重复至需铺设的格室长度为止，然后洒水并振动碾压至压实；

重复步骤④，然后浇筑预拌流态的可固化水泥珊瑚砂，并用带振荡器的刮杠沿土工格室上沿抹平；

待水泥固化珊瑚砂终凝并达到一定的强度后，摊铺厚度5cm磨耗层1，然后用抹平机抹平。