西南某機(jī)場高填方邊坡穩(wěn)定性分析

高奮飛, 嚴(yán)克淵, 潘盛澤

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院,貴州 貴陽　550002)

0　引言

中國西南地區(qū)青藏高原和云貴高原幅員遼闊，海拔高，特別是青藏高原東緣地區(qū)因青藏高原的快速抬升及河流的急速下切等因素作用下，形成了高山聳立，河流深切的復(fù)雜地形。因地形的復(fù)雜性，地面交通尚不發(fā)達(dá)，與東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的交通條件相比相去甚遠(yuǎn)[1-5]。在西南地區(qū)修建機(jī)場，為滿足場地條件和凈空條件，機(jī)場建設(shè)勢必進(jìn)行深挖高填，高填方問題尤為明顯[6]。山區(qū)錯綜復(fù)雜的地質(zhì)條件，也給機(jī)場的穩(wěn)定性帶來了挑戰(zhàn)，若處理不當(dāng)，勢必造成安全隱患和重大經(jīng)濟(jì)損失。如攀枝花機(jī)場，由于對填方體下部的軟土地基處理不當(dāng)，造成了填筑體滑坡，對機(jī)場運(yùn)營和社會經(jīng)濟(jì)造成了嚴(yán)重的影響[7-9]。因此，在填方設(shè)計之初就應(yīng)該重視對它的穩(wěn)定性分析。本文以西南某高填方典型邊坡位移，結(jié)合實(shí)際監(jiān)測工作，對比分析在目前的設(shè)計和施工工藝條件下的邊坡穩(wěn)定性狀況，為后面的機(jī)場建設(shè)工作提供一定的借鑒依據(jù)。

1　概念模型建立

1.1　工程地質(zhì)概況

擬建的西部某機(jī)場是西南地區(qū)支線機(jī)場，機(jī)場飛行區(qū)規(guī)模為4C，跑道長2 800 m，兩端安全道各長300 m，飛行區(qū)總長3 400 m；跑道道槽寬45 m，道肩1.5 m，總寬度48 m。機(jī)場中心點(diǎn)設(shè)計標(biāo)高為1 969.4 m，機(jī)場最大填方高度為85.14 m，道槽區(qū)最大填方高度62.02 m，坡頂與坡腳的最大高差超過136 m，填方量約為3 300萬m3，挖方量約為3 150萬m3，該機(jī)場屬于典型的高填方機(jī)場。本文選擇其具有代表性的填筑邊坡分析其穩(wěn)定性。

該剖面所在區(qū)域由于不良地質(zhì)現(xiàn)象和構(gòu)造的影響(圖1)，基巖面起伏大，局部地段第四系覆蓋層厚度>40 m，其物理力學(xué)性質(zhì)變化也十分明顯，屬于典型的不均勻性地基；中間部分盡管第四系覆蓋層較淺，但由于地形起伏大，局部達(dá)30多米，坡溝切割較深，加之基巖在縱向上短距離內(nèi)巖性變化大，局部地段(鉆孔揭露)變化在100次以上，為典型不均勻性地基；同時，由于坡腳粘土及粉質(zhì)粘土的力學(xué)特性較弱的影響，為形成滑帶土創(chuàng)造了條件?？傮w上講，該場地地基土從基巖起伏、巖性變化情況和物理力學(xué)性質(zhì)方面在水平和垂向上均為典型的不均性地基，設(shè)計時應(yīng)予以重視。

1.2　概化模型

在原地質(zhì)剖面圖的基礎(chǔ)之上，劃分有效概化模型。機(jī)場跑道填方體與原地基的典型模型圖見圖2。填方下的天然邊坡為順層邊坡，緩傾坡外，坡度在10°～33°，巖層傾角約為12°～23°；坡面覆蓋層較厚且不連續(xù)，基本無基巖出露；坡腳下分布有連續(xù)的、一定厚度的粘土和粉質(zhì)粘土；根據(jù)現(xiàn)場勘察結(jié)果，初步確定填料為炭質(zhì)砂巖和灰?guī)r塊石料，填方邊坡按1∶3.0放坡。到中上部收坡變?yōu)?∶2.5和1∶2.0。

1.3　參數(shù)取值

根據(jù)工程現(xiàn)場勘查資料，整理得原地基和填筑體的物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)(見表1)。

圖1　工程地質(zhì)剖面圖

圖2　剖面圖概化模型

表1原地基及填筑體的物理力學(xué)參數(shù)

Table 1The physical and mechanical parameters of filling bodies and original foundation

組密度ρ泊松比變形模量/粘聚力內(nèi)摩擦角抗拉強(qiáng)度/(kg·m-3)μMPac/kPaφ/(°)kPa備注L?stone26900．2225006000352中風(fēng)化灰?guī)rS?stone25800．2630005000301中風(fēng)化砂巖C?stone20800．30180260200．3中風(fēng)化炭質(zhì)泥巖Embankment?120500．27301230填筑體90區(qū)Embankment?221500．26402250填筑體93區(qū)Embankment?322000．25504280填筑體96區(qū)ZH20000．27152180置換區(qū)Soil?117500．3053280黏土層Soil?218500．30628170粉質(zhì)黏土層Gsoil?121000．27816200碎石土Gsoil?219300．28635140混合土mg21000．274010260盲溝

2　典型邊坡穩(wěn)定性分析

利用典型模型建立對應(yīng)的有限元模型，利用GEO-SLOPE軟件，對典型邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析[10]。通過有限元分析水平位移和沉降量，確定潛在滑面位置。在分析邊坡穩(wěn)定性之前，需弄清楚幾個關(guān)鍵的工程問題：①坡面的覆蓋層對填方體穩(wěn)定性的影響。高填方坡面分布有一定厚度的粘土層，狀態(tài)為可塑—硬塑，它遇水軟化，強(qiáng)度會迅速降低，與填方體的接觸面易形成滑面，它是影響填方體邊坡穩(wěn)定性和坡頂?shù)牟痪鶆虺两档闹匾蛩?；②坡腳的覆蓋層對填方體的影響。由于邊坡坡腳的粘土層和粉質(zhì)粘土層的存在，這些軟弱土層自身的抗剪強(qiáng)度較低。同時填筑過程中，改變原有的邊坡地表水和地下水滲流系統(tǒng)，抬高地下水滲流高程，為整個邊坡提供抗滑能力降低，危及整個邊坡穩(wěn)定性；③填筑體自身穩(wěn)定性問題。填筑體自身穩(wěn)定可通過施工工藝和填筑材料特性，該問題比較容易控制和解決。

2.1　典型邊坡水平位移分析

典型邊坡水平位移(圖3)：坡腳部水平位移0.08～0.10 m，坡體中部0.15～0.20 m，坡頂最大水平位移0.22 m；原地基最大的水平位移為0.06～0.10 m；離坡頂20 m外水平位移<1 m，但在坡體中上部受軟弱地基和地形的影響，水平位移較大，且較水平影響深度在30～40 m。在坡腳由于地形及坡度變緩等原因，水平位移變化范圍變小，且影響水平深度在10～20 m之間。

圖3　典型邊坡水平位移等值線

2.2　典型邊坡沉降分析

典型邊坡沉降變形(圖4)：坡腳部沉降量1.5～2.0 m，坡體中部沉降量2.5～3 m，坡頂最大沉降量達(dá)3.5 m；原地基最大的沉降量為0.5～1 m；離坡頂30 m外沉降量較小，為1 m；沉降量基本是從坡腳到坡頂依次增加的，沉降量與填筑高度不成正比，填筑的高度越高，沉降量增加得越大。

2.3　典型邊坡潛在的弱面分析

根據(jù)典型邊坡剪應(yīng)變分析(圖5)可知：①典型邊坡存在兩條典型的剪應(yīng)變帶，第一條為從坡頂?shù)狡麦w中部，以軟弱層和中分化的炭質(zhì)泥巖為潛在的弱面，第二條為從坡體中部到坡腳，以填筑體和黏土層、粉質(zhì)黏土層為潛在的弱面；②剪應(yīng)變較大區(qū)域主要集中在填筑體中部位置，剪應(yīng)變?yōu)?.08～0.14 m；③潛在的兩條弱面沒有形成貫通面。

圖4　典型邊坡沉降等值線

圖5　典型邊坡潛在弱面圖

3　典型邊坡變形監(jiān)測分析

典型邊坡變形監(jiān)測結(jié)果見圖6。

圖6中1、2和3號監(jiān)測點(diǎn)分別位于典型邊坡坡腳、坡體中部和坡頂，x是沿坡面的位移，z是坡體的沉降量。從x、z方向位移變化曲線與數(shù)值模擬結(jié)果對比分析可以得出：①從坡腳到坡頂，坡面方向和坡體沉降的位移依次增大；②從坡腳到坡頂增加的速率增大；③現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值計算之間變化規(guī)律方面表現(xiàn)一定的相關(guān)性；④在數(shù)值大小方面，數(shù)值計算的值大于現(xiàn)場監(jiān)測值，說明，現(xiàn)場監(jiān)測只能反映數(shù)值計算一部分的變化大小，加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)測對工程安全更有意義。

4　結(jié)論

(1)坡腳部水平位移0.08～0.10 m，坡體中部0.15～0.20 m，坡頂最大水平位移0.22 m；原地基最大的水平位移為0.06～0.10 m。

(2)坡腳部沉降量1.5～2.0 m，坡體中部沉降量2.5～3 m，坡頂最大沉降量達(dá)3.5 m。

(3)在坡腳反壓及坡腳前方地形約束等作用下，邊坡潛在弱面不連續(xù)，邊坡基本穩(wěn)定。

(4)模擬結(jié)果與實(shí)際觀測結(jié)果之間存在一定的差異。由于數(shù)值模擬整個變形結(jié)果，但是現(xiàn)場監(jiān)測測出填筑后的變形情況。填筑體變形滿足工程設(shè)計要求。

圖6　坡面位移監(jiān)測結(jié)果

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