山西呂梁民用機(jī)場高邊坡穩(wěn)定性分析與探討

張立輝

(山西省勘察設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030013)

1 工程概述

山西呂梁民用機(jī)場場址位于呂梁市北部方山縣大武鎮(zhèn)西北木格塔墕村附近的黃土梁上。擬建機(jī)場地處晉西北黃土高原，本區(qū)屬大陸性半干旱氣候，四季分明，冬冷夏熱，春季少雨，降雨多集中在7月份～9月份，地貌單元以侵蝕堆積黃土丘陵區(qū)為主。地形起伏大，存在大面積挖填方，最大填方達(dá)到82．4 m3，在其獨(dú)特工程地質(zhì)條件下，使得呂梁機(jī)場的邊坡穩(wěn)定性極為突出。

2 邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)方法

邊坡的穩(wěn)定性分析主要依據(jù)GB 50330-2002建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范;JTG D30-2004公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范中的有關(guān)規(guī)定，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的自然邊坡現(xiàn)狀及現(xiàn)場測量的邊坡形態(tài)建立計(jì)算模型，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)在室內(nèi)試驗(yàn)提供指標(biāo)的基礎(chǔ)上經(jīng)反復(fù)驗(yàn)算并結(jié)合現(xiàn)有邊坡存在的形態(tài)綜合分析確定，坡體的重度采用室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)。對(duì)自然邊坡采用圓弧滑動(dòng)法(瑞典條分法、簡化Bishop法)計(jì)算邊坡在自然狀態(tài)和受水浸泡狀態(tài)下的穩(wěn)定性系數(shù)，此外，對(duì)場地挖填方后形成的人工邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析和預(yù)測，對(duì)人工邊坡采用圓弧滑動(dòng)法(瑞典條分法、簡化Bishop法)進(jìn)行整體穩(wěn)定性分析，同時(shí)當(dāng)原地表斜坡陡于1∶2．5時(shí)，采用不平衡推力法驗(yàn)算滑坡及人工填土沿斜坡地基滑動(dòng)的穩(wěn)定性(斜坡地基表層的草甸層、季節(jié)性凍土層及局部塌滑土體按清除考慮)。填土所采用的巖土參數(shù)采用室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)。

瑞典條分法穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式如下:

式中:Fs——穩(wěn)定安全系數(shù);

ci——第i計(jì)算條塊滑動(dòng)面上巖土體的粘聚力，kPa;

φi——第i計(jì)算條塊滑動(dòng)面上巖土體的摩擦角，(°);

li——第i計(jì)算條塊滑動(dòng)面長度，m;

θi——第 i計(jì)算條塊地面傾角，(°);

Gi——第i計(jì)算條塊單位寬度巖土體自重，kN/m;

Ni——第i計(jì)算條塊滑塊在滑動(dòng)面法線上的反力，kN/m;

Ti——第i計(jì)算條塊滑塊在滑動(dòng)面切線上的反力，kN/m;

Ri——第i計(jì)算條塊滑塊在滑動(dòng)面上的抗滑力，kN/m。

簡化Bishop法穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式如下:

式中:Wi——第i土條重力;

ai——第i土條底滑面的傾角;

Qi——第i土條垂直方向外力;

Ki——系數(shù)，根據(jù)土條滑弧所在位置選擇以下公式計(jì)算。

當(dāng)土條i滑弧位于地基中時(shí):

式中:Wdi——第i土條地基部分的重力;

Wti——第i土條填土部分的重力;

bi——第 i土條寬度;

U——地基平均固結(jié)度，計(jì)算時(shí)取1;

cdi——第i土條滑弧所在地基土層的粘聚力;

φdi——第i土條滑弧所在地基土層的內(nèi)摩擦角;

mai——系數(shù)。

由下式計(jì)算:

其中，φi為第i土條滑弧所在土層的內(nèi)摩擦角，滑弧位于地基中時(shí)取地基土的內(nèi)摩擦角，位于填土中時(shí)取填土的內(nèi)摩擦角。

當(dāng)土條i滑弧位于填土中時(shí):

不平衡推力法穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式如下:

式中:WQi——第i土條的重力與外加豎向荷載之和;

ai-1，ai——第 i土條底滑面的傾角，(°);

ci——第i土條底的粘聚力，kPa;

φi——第 i土條底的內(nèi)摩擦角，(°);

li——第i土條底滑面的長度，m;

Ei-1——第i-1土條傳遞給第i土條的下滑力;

Fs——穩(wěn)定安全系數(shù)。

3 自然邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)

機(jī)場自然邊坡均為近南北走向，以機(jī)場跑道中心為界分為東西邊坡。根據(jù)鉆探揭露的地層資料及地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，坡體地層主要為馬蘭黃土、離石黃土及第三系粘性土，土質(zhì)較純，巖性主要為粉土和粉質(zhì)粘土，屬于土質(zhì)邊坡。場地黃土沖溝發(fā)育，切割較深，溝谷兩側(cè)邊坡較為陡峭，自然坡面表層分布的草甸層、季節(jié)性凍土層較為松散，孔隙較大，雨水易入滲，降雨時(shí)表層土體飽和后抗剪強(qiáng)度降低，加上沖溝邊坡較為陡峭，造成沖溝兩側(cè)邊坡表層普遍存在塌滑現(xiàn)象，邊坡坡面穩(wěn)定性較差。自然邊坡表層的塌滑體一般較薄，大都小于2．0 m，容易處理，對(duì)機(jī)場邊坡穩(wěn)定性的影響不大。

本地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，考慮到工程的重要性，穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)從不考慮地震力的影響和考慮地震力影響兩個(gè)方面考慮，考慮地震力影響時(shí)，地震烈度提高1度按7度考慮，地震的水平地震系數(shù)KH=0．1，地震作用綜合性系數(shù)取0．25，地震作用重要性系數(shù)取1．1。由于場地地處黃土地貌單元，邊坡馬蘭黃土、離石黃土遇水后強(qiáng)度降低，因此，邊坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，邊坡土體按天然含水量和飽和含水量兩種狀態(tài)考慮(見表1)。

表1 自然邊坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)表

采用不平衡推力法驗(yàn)算人工填土沿斜坡地基滑動(dòng)的穩(wěn)定性時(shí)，人工填土與斜坡地基接觸面的抗剪強(qiáng)度采用人工填土與天然地基土抗剪強(qiáng)度之間的較小值。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，計(jì)算的自然邊坡天然狀態(tài)下均處于穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡土體處于飽水狀態(tài)時(shí)多處于不穩(wěn)定狀態(tài)，一般的降雨不會(huì)造成整個(gè)邊坡土體飽水，現(xiàn)有的科研資料表明，強(qiáng)降雨48 h，黃土邊坡坡面入滲深度一般不會(huì)超過2．0 m，表層土體飽水后抗剪強(qiáng)度降低，加上動(dòng)水壓力的作用，容易發(fā)生滑塌，這與場地邊坡表層普遍存在塌滑現(xiàn)象，而少見邊坡整體失穩(wěn)是吻合的(如圖1所示)。

圖1 代表性邊坡飽水工況下最危險(xiǎn)滑面形態(tài)

4 挖填方邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

4．1 挖方邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

按機(jī)場目前擬定的軸線和道面高程，機(jī)場挖方產(chǎn)生的人工邊坡主要為位于機(jī)場跑道V160北側(cè)，開挖地層主要為馬蘭黃土及離石黃土，開挖后的坡體以馬蘭黃土及離石黃土為主，為土質(zhì)邊坡，按設(shè)計(jì)單位提供的機(jī)場土方圖挖方邊坡坡度為1∶6．7(約8．5°)，很顯然挖方邊坡為穩(wěn)定邊坡。但由于黃土易受降水沖刷并產(chǎn)生滑塌，建議對(duì)挖方產(chǎn)生的人工邊坡采用漿砌片石進(jìn)行坡面防護(hù)，并做好截排水措施。

4．2 高填方邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

場地經(jīng)過挖填方后，地形地貌將發(fā)生較大的變化，現(xiàn)選擇代表性高填方邊坡進(jìn)行整體穩(wěn)定性分析和評(píng)價(jià)。穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)對(duì)壓實(shí)填土采用了0．90，0．93，0．95三個(gè)不同壓實(shí)度下分別對(duì)應(yīng)的天然、飽和兩種不同含水量條件下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

邊坡工程的穩(wěn)定性的定量評(píng)價(jià)，必須有一個(gè)穩(wěn)定安全標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)因工程規(guī)模和重要性不同而有所差別。根據(jù)GB 50330-2002建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范第5．3．1條，所設(shè)計(jì)的邊坡，對(duì)工程安全等級(jí)為一級(jí)的邊坡工程(選擇計(jì)算的邊坡坡高均大于30 m，均為一級(jí)邊坡)，圓弧滑動(dòng)法(瑞典條分法)計(jì)算的穩(wěn)定安全系數(shù)Fs應(yīng)不小于1．30，根據(jù) JTG D30-2004公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范第3．6．8條，采用簡化Bishop法計(jì)算的填土和地基的整體穩(wěn)定安全系數(shù)Fs應(yīng)不小于1．40，采用不平衡推力法計(jì)算的填土沿斜坡地基滑動(dòng)的穩(wěn)定安全系數(shù)Fs應(yīng)不小于1．30。根據(jù)JTG D30-2004公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范第3．7．4條，邊坡在各種可能的不利因素(飽水狀態(tài)下考慮地震力作用)影響下的穩(wěn)定安全系數(shù)(簡化Bishop法計(jì)算)應(yīng)不小于 1．05。

通過對(duì)16個(gè)剖面高填方邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算所得的穩(wěn)定安全系數(shù)Fs值，在天然含水量狀態(tài)下(計(jì)算方法為瑞典條分法、不考慮地震力)得出的 Fs為1．29，小于1．30，不能滿足穩(wěn)定要求;在天然含水量狀態(tài)下(計(jì)算方法為簡化Bishop法、不考慮地震力)得出的 Fs分別為 1．38，1．39 及 1．35，小于 1．40，不能滿足穩(wěn)定要求;在飽和含水量條件下(不考慮地震力)得出的填土沿斜坡地基滑動(dòng)的穩(wěn)定安全系數(shù)Fs介于1．21～1．24之間，小于1．30，不滿足穩(wěn)定要求。除上述不滿足穩(wěn)定要求的工況以外，其余工況均能滿足穩(wěn)定性要求。

就7度地震和邊坡土體飽和這兩個(gè)不利因素分別影響的程度而言，土體飽和影響程度較大，可降低穩(wěn)定系數(shù)20%～30%;考慮地震力作用時(shí)間，可降低穩(wěn)定系數(shù)7%左右。所以設(shè)置完善的防排水設(shè)施是必須的。

5 結(jié)語

利用抗剪強(qiáng)度和反算進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，為邊坡設(shè)計(jì)提供合理的邊坡坡比，考慮到土體的各向異性，時(shí)間和空間的變異性，應(yīng)進(jìn)行信息化施工，并做好截排水措施，同時(shí)應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測。

［1］GB 50330-2002，建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范［S］．

［2］JTG D30-2004，公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［3］山西省勘察設(shè)計(jì)研究院．山西呂梁民用機(jī)場巖土工程勘察報(bào)告［R］．2010．