泥炭土地基上人工填土三維邊坡穩(wěn)定性分析

史鐵勇

（大連長興島經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)管委會，遼寧 大連 116317）

0 引言

邊坡工程是工程界最常見的工程類型之一，一般需要面對的邊坡類型主要有自然邊坡，開挖放坡和堆積邊坡。其中自然邊坡和開挖放坡都需要面對非常復雜的土層問題，而堆積邊坡一般都材料單一，但其結(jié)構(gòu)比較松散，外界擾動對其安全性影響較大。

對于土質(zhì)邊坡分析，設(shè)計計算中多采用二維的解析計算公式，如各種極限平衡方法，應(yīng)用時其受限于滑動方向必須與坡向一致。但是三維數(shù)值方法有非常好的適應(yīng)性，尤其是三維有限元強度折減法已經(jīng)成功應(yīng)用于國內(nèi)外邊坡工程分析中[1-2]，其三維分析的優(yōu)越性已從多個角度論證過[3-4]。孫聰?shù)萚5]在三維強度折減法分析邊坡穩(wěn)定時，考慮了土體的軟化特性，并從理論上闡述了地質(zhì)條件復雜時最好采用三維邊坡穩(wěn)定性分析。分析土坡穩(wěn)定性時，三維強度折減法也被成功應(yīng)用過多次[6-8]，且可適應(yīng)鐵路[9]、水利[10]、公路[11]等領(lǐng)域的邊坡分析，其準確性與理論值也與精確解接近[12-13]。采用三維強度折減法時，其安全系數(shù)取值方法主要有3 種：塑性面貫通、位移突變和計算不收斂。本文依托某機場泥炭土地基上填土邊坡為研究對象，采用三維有限元強度折減法分析其安全性。

1 工程概況

某機場工程位于熱帶雨林中，地質(zhì)條件復雜，大多區(qū)域覆蓋深厚湖沼相泥炭土層。該機場飛行區(qū)目前擁有2 條跑道，主跑道專用于起降國際航班，次跑道用于起降小型飛機。為能滿足波音747-400 等大型客機的起降，本次工程計劃將新跑道延長1 090 m，其中東北端延伸710 m，西南端延伸840 m，見圖1。

圖1 某機場擴建工程Fig.1 An airport expansion project

本工程跑道兩端安全區(qū)地基處理形式為豎向排水通道+堆載預壓的處理，具體步驟：

1）清除上部泥炭土。

2）回填砂到+2.5 m。

3）中間區(qū)域打設(shè)正三角形分布的排水板，間距0.9 m；外部斜坡區(qū)采用排水板+10%置換率砂樁處理（砂樁間距2.24 m，4 根砂樁中心打設(shè)排水板）。

4）分層堆載中細砂（東北端回填至+18.5 m，西南端回填至+27.0 m）。

本工程跑道西南端5 月份施工情況如下：

1） 2017年5 月16—28 日，西南端從R0-700 沿11 m 平臺右側(cè)邊緣往安全區(qū)端頭區(qū)域，分3 層回填，回填前平均標高約+9 m，回填后平均標高約+11 m，總計回填量約31 000 m3，日回填量約2 200 m3。 具體回填示意圖見圖1 中A 區(qū)。

2）2017年5 月18 日—6 月1 日，從安全區(qū)端頭沿11 m 平臺邊緣往小樁號方向，分3 層回填，回填前平均標高約+8.5～+9.0 m，回填后平均標高約+10.6 m，總計回填量約22 000 m3，日回填量約1 700 m3。具體回填示意圖見圖1 中B 區(qū)。

3）2017年5 月23 日—6 月1 日，從跑道端頭區(qū)域往小樁號，分3 層回填，回填前平均標高約+9.5～+10.5 m，回填后平均標高約+11.5 m，總計回填量約26 000 m3，日回填量約2 600 m3。具體回填示意圖見圖1 中C 區(qū)。

2017年5 月27 日—6 月1 日機場施工區(qū)域出現(xiàn)連續(xù)降雨，造成施工區(qū)域周邊大量積水無法排出，2017年6 月2 日凌晨跑道西南安全區(qū)西南角發(fā)生大面積滑移。其中跑道西南安全區(qū)總面積約79 690 m2，滑移區(qū)域面積約27 144 m2，滑移區(qū)域占跑道西南安全區(qū)總面積的34%?；坪蟋F(xiàn)場航拍照片見圖2。

圖2 跑道西南安全區(qū)滑移區(qū)域航拍圖Fig.2 Aerial photo of sliding area in southwest safety zone of runway

2 滑坡現(xiàn)場調(diào)查

滑坡是不利因素耦合積累，最終被某種誘發(fā)因素激發(fā)產(chǎn)生失穩(wěn)滑動的一種地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。

2.1 地質(zhì)條件

本工程西南端安全區(qū)施工時先清除表層泥炭土，然后回填中粗砂進行后續(xù)地基處理工程。

泥炭質(zhì)土是一種不同于淤泥和淤泥質(zhì)土的特殊土，由于特殊的地質(zhì)構(gòu)造條件和氣候環(huán)境及茂密的水生植被，在長期積水和缺氧情況下，大量分解不充分的植物殘體積累并形成的土壤，具有含水量高、強度低、塑性指數(shù)高、靈敏度高、壓縮性大等特點，而且不同區(qū)域的泥炭質(zhì)土有機質(zhì)降解程度和成因不同，其物理力學性質(zhì)均有不同，因此泥炭土具有典型的區(qū)域特性[14]。

本工程泥炭質(zhì)土含水量91.6%，塑性指數(shù)42.1，十字板抗剪強度4.3 kPa，固結(jié)快剪試驗黏聚力c為9.9 kPa，內(nèi)摩擦角φ 為6.7°。該土層的物理力學性質(zhì)極為特殊，在國內(nèi)外工程建設(shè)中很少遇到，其中土體塑性指數(shù)高達42.1，說明土體內(nèi)黏粒和膠粒含量極高，導致固結(jié)快剪內(nèi)摩擦角φ 值僅為6.7°。在堆載預壓過程中土體抗剪強度增長極為有限，同時高塑性土靈敏度極高，在受擾動的情況下強度易出現(xiàn)降低的現(xiàn)象，對工程建設(shè)產(chǎn)生不利的影響。具體土層計算參數(shù)見表1。

表1 計算參數(shù)取值表Table 1 Calculation parameter value table

2.2 大強度連續(xù)降雨

該地每年的5—7 月為雨季，自2017年5 月初現(xiàn)場出現(xiàn)連續(xù)強降雨，雨水從現(xiàn)場堆載砂頂部不斷滲入，導致地下水位不斷上升，滑坡體地基土體內(nèi)超靜孔隙水壓力不斷上升，造成土體有效抗剪強度不斷降低，地基出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。其中周邊監(jiān)測儀器特別是深層土體側(cè)向位移觀測埋設(shè)的測斜管周邊出現(xiàn)冒水冒砂的現(xiàn)象，2017年5 月24日—6 月1 日幾次大雨后尤其明顯，2017年6 月2 日凌晨跑道西南延伸區(qū)出現(xiàn)滑坡。

強降雨可以在短時間內(nèi)造成地下水位的大幅變化，改變土體的靜水壓力、動水壓力和浮托力，進而可以對坡體產(chǎn)生力學效應(yīng)而失穩(wěn)。強降雨產(chǎn)生的地表水持續(xù)沿堆載體頂面下滲，使得泥炭質(zhì)土層超靜孔隙水壓力不斷增長，受到動水壓力的作用，高塑性的泥炭質(zhì)土顆粒間距增大而使分子吸引力的強度不斷衰減，從而導致泥炭質(zhì)土層黏聚力和內(nèi)摩擦角明顯降低，同時由于水的浮托作用，地基有效應(yīng)力減小，引起土體的抗剪強度減小，最終使得坡體抗滑穩(wěn)定系數(shù)減小，誘發(fā)跑道西南端邊坡發(fā)生局部滑動。

由圖2 航拍照片可以看出，滑坡體在跑道西南端下部外側(cè)形成主滑動面，在主滑動面形成過程中再次形成后續(xù)牽引滑動面，本次西南端滑坡主滑動面滑動面積和后續(xù)牽引滑動面基本相當。

綜上所述，本次跑道西南端滑坡由工程的不良地質(zhì)條件和大強度連續(xù)降雨引起，其中大強度連續(xù)降雨是誘發(fā)滑坡的重要因素。

3 有限元分析

3.1 有限元模型

原始場地尺寸長寬高分別取400 m、500 m、80 m，原始場地土體分為4 層，從上往下厚度依次為5 m，12 m，2.4 m 和60.6 m；頂部填土分為5 層，填土從底至頂高度分別為2.28 m，2.0 m，5.0 m，5.0 m 和10.86 m。每層填土都形成一個邊坡，并且每層填土都有臺階，填土的地表兩側(cè)有一定的坡度，有限元模型如圖3 所示。

64 979個單元，C3D8，六面體8 節(jié)點單元，盡管這種線性單元不如二階單元精確，但對于本工程，其精度也可滿足要求，并降低計算量。為研究邊坡不同位置的變形特點，取邊坡中部側(cè)向斷面中的坡腳、坡中、坡頂和坡內(nèi)A、B、C 和D作為觀察點，其中D 點位于塑性區(qū)與坡面之間，如圖3 所示。

圖3 有限元模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of finite element model

3.2 計算參數(shù)及邊界

模型采用摩爾庫倫準則，不考慮地下水位變化的影響，計算參數(shù)取值如表1 所示。

模型底面為固定約束，四周土體采用法向約束。計算包含7個步驟，分別如下：

1）原始場地地應(yīng)力平衡；

2）填第1 層土，高度2.28 m；

3）填第2 層土，高度2.0 m；

4）填第3 層土，高度5.0 m；

5）填第4 層土，高度5.0 m；

6）填第5 層土，高度10.86 m；

7）進行強度折減計算，直至計算到不收斂停止計算。

4 計算結(jié)果及分析

模型計算結(jié)果如圖4 所示。

圖4 邊坡位移云圖Fig.4 Nephogram of slope displacement

由圖4 可知，邊坡失穩(wěn)時地表處在第5 級填土向坡底位移逐漸減小。位于特征點A 處（A 點位置見圖3）的累計位移較大，是因為在邊坡內(nèi)部靠近泥炭質(zhì)土和淤泥層處發(fā)生較大的滑移。對比現(xiàn)場滑坡范圍（見圖2）和模擬結(jié)果（見圖4）可知，滑坡最大位置和滑坡范圍基本一致，主滑方向也基本一致。

圖5 為邊坡滑移時特征點所在斷面塑性應(yīng)變云圖，由圖5 中的塑性區(qū)的位置和范圍可知，在填土后，填土邊坡底部的原始泥炭質(zhì)土和淤泥層首先發(fā)生了塑性破壞，其原因是頂部填土荷載較大，地基土受剪切；隨后塑性區(qū)開始擴大，向坡頂和坡底擴展。故本邊坡的破壞區(qū)域應(yīng)分為3 段：抗滑段，主滑段和牽引段?？够渭s52 m，主滑段約60 m，牽引段約67 m。

圖5 邊坡滑移時特征點所在斷面塑性應(yīng)變云圖Fig.5 Plastic strain nephogram of the section where characteristic points are located during slope slipping

圖6 為特征點A、B、C、D 邊坡安全系數(shù)關(guān)系曲線。在相同的安全系數(shù)下，位于邊坡內(nèi)部靠近原始的泥炭質(zhì)土層處的D 點位移最大，其次是邊坡表層中部的B 點，這兩點的數(shù)據(jù)說明最先破壞的是位于邊坡內(nèi)部靠近原始的泥炭質(zhì)土層處的D 點，然后是邊坡表層中部的B 點；位于坡腳的A 點和坡頂?shù)腃 點二者位移較小，進一步驗證了本邊坡的滑移范圍分3 段的特點。坡頂為牽引段，中部為主滑段，底部為抗滑段。

圖6 邊坡安全系數(shù)與位移曲線Fig.6 Slope Safety Factor and Displacement Curve

5 結(jié)語

本文通過對某機場擴建的三維邊坡進行實際資料分析，確定了該工程邊坡的破壞原因為施工和降雨導致原地層的泥炭質(zhì)土和淤泥強度降低。通過數(shù)值計算分析，首先確定了滑坡體的范圍，地表范圍與實際基本吻合，且邊坡的破壞區(qū)域分為3 段：抗滑段，主滑段和牽引段，其中主滑段約60 m，抗滑段和牽引段分別約為52 m 和67 m。邊坡滑移首先破壞位于邊坡中部的泥炭質(zhì)土和淤泥層，隨后塑性區(qū)向坡頂和坡底擴展。按照單位步長位移倍率突變判據(jù)得到邊坡的安全系數(shù)為1.6，但是各點的位移差別較大在0.3～1.95 m 之間。從安全系數(shù)角度來說，該工程的安全系數(shù)推薦值為1.45，對應(yīng)位移值為0.55 m；從工程角度來說，位移0.55 m 時，已經(jīng)影響工程應(yīng)用，為不影響工程應(yīng)用，可能其安全系數(shù)會繼續(xù)降低。