西南某山區機場高填方邊坡穩定性研究

侯俊偉，唐秋元，李楊秋，馬新巖

(1.中煤科工集團重慶設計研究院有限公司，重慶 400042；2.中國民航機場建設集團，北京100101)

西南某山區機場高填方邊坡穩定性研究

侯俊偉1，唐秋元1，李楊秋1，馬新巖2

(1.中煤科工集團重慶設計研究院有限公司，重慶 400042；2.中國民航機場建設集團，北京100101)

以西南某機場高填方邊坡為例，研究順坡填筑砂泥巖碎塊石土高填方邊坡工程的穩定性。通過選取試驗段場地進行大型直剪試驗獲得巖土體抗剪強度指標，用有限元強度折減法模擬分析高填方邊坡變形失穩機制。結果表明：粉質黏土層作為高填方邊坡地基的軟弱夾層，若不處理將會顯著降低高填方邊坡的穩定性；隨著砂泥巖碎塊石土填料中細粒物質的逐漸下滲，在填筑體下部與穩定基巖之間會形成具有一定厚度的滯水層，其抗剪強度明顯低于填筑體；通過基底開挖臺階的方法可以改變滯水層在滑面上的分布，隨著開挖臺階高度的增大，邊坡潛在滑面通過滯水層的范圍減小，邊坡穩定性系數增大；選取恰當的坡型可降低邊坡整體失穩的可能性。

巖土工程；高填方邊坡；穩定性研究；碎塊石土；直剪試驗；有限元強度折減法；滯水層

0 引 言

隨著我國西部大開發戰略的實施，西南地區機場建設進入快速發展階段。這些機場多建設在地形地貌復雜的山區，為滿足場地和凈空條件，經常需要深挖高填。在土方填筑過程中，常常會遇到順坡填筑的形式。順坡填筑邊坡和水平填筑邊坡相比較穩定性更差，若處理不當易引發工程事故。因此順坡填筑高填方邊坡的穩定性問題成為機場建設工程中亟待解決的技術難題。

高填方邊坡穩定分析結果的可靠性常常取決于抗剪強度指標的選擇是否合理，以往研究成果中抗剪指標大多來自模型試驗或工程經驗。馮文凱等[1]對斜坡填筑路堤的變形破壞進行物理模擬，得出邊坡填筑體坡腳是最易破壞的薄弱位置。隨著下伏基巖坡度增大，填筑體應力集中程度、變形破壞等都明顯增強。徐光明等[2]應用離心模型試驗對基巖面存在軟弱夾層的邊坡穩定性和破壞模式進行了詳細研究，同時利用極限平衡法對試驗結果進行了分析。蔣鑫等[3]基于有限元強度折減法，研究了隨著填筑施工的進行，斜坡軟弱地基填方工程穩定性的變化情況，比較了水平軟弱地基填方工程與斜坡軟弱地基填方工程的區別。黃世武等[4]通過對某段高速公路路堤失穩破壞調查，總結出3種路堤填方的破壞模式，采用有限元強度折減法對路堤的破壞模式進行模擬分析，研究了路堤破壞的原因。黃佳昕[5]結合昆明新機場軟弱斜坡地基上的填方工程，討論了不同填筑擴展范圍對填筑體坡度的要求，提出順坡填筑時臨界填筑寬度和最大填筑坡度的概念，并對其變化規律進行了分析討論。

目前對高填方邊坡治理中，關于基底造型和坡面坡型優化設計方面的研究較少。筆者以某順坡填筑高填方邊坡為例，基于試驗段場地大型直剪試驗獲得巖土體抗剪強度指標，用有限元強度折減法模擬分析了砂泥巖碎塊石土作為填料的高填方邊坡變形失穩機制，為高填方邊坡的優化設計提供理論依據和指導。

1 工程概況及地質條件

為滿足航空客貨運物流業務迅猛增長的需要，西南某機場將新建一條飛行跑道，新建跑道長3 800 m，寬60 m。跑道西側設置兩條平行滑行道，平行滑行道與新跑道之間設置6條快滑道。新建跑道將穿越地形地貌復雜的山區，需要挖山填壑來解決工程建設用地問題。

按照設計方案在新建跑道東南側將形成長約3.2 km的高填方邊坡區，填方邊坡最大高度約135 m，填方高度之大目前國內外鮮有。擬建高填方邊坡場區位于構造剝蝕淺丘沖溝地貌區，地勢起伏較大，坡面高低不平，切割發育，局部下切較深，形成沖溝地貌。地面高程在235.70～426.41 m之間，整個場地范圍內最大高差190.71 m。場區工程地質平面如圖1。

圖1 工程地質平面Fig.1 Engineering geological plane

圖2 工程地質典型剖面Fig.2 Typical engineering geological profile

2 邊坡巖土體參數

準確獲取巖土體抗剪強度參數是高填方邊坡穩定性分析與治理工程設計的關鍵[6]，治理前選取試驗段場地進行了大量的試驗測試工作，試驗測試所得巖土體參數將作為高填方邊坡設計的依據。

2.1 填筑體參數

邊坡填筑體材料就近選擇挖方區砂泥巖碎塊石土。對少量超粒徑的石料，采取破碎錘進行破碎，粒徑滿足要求后將砂泥巖碎塊石按一定比例分層碾壓(或強夯)回填。為了獲取填筑體抗剪強度參數，選取前期試驗段場地5組經分層碾壓(或強夯)后的砂泥巖碎塊石土填筑體進行大面積直剪試驗，其中2組為天然含水狀態，3組為飽和狀態。每組試驗試件的數量為5個，部分現場作業照見圖3。

圖3 現場填筑體直剪試驗Fig.3 Direct shear strength test of filling body on site

直剪試驗的試件加工成立方體，邊長及高度為50 cm。試件間距不小于試件邊長的1.5倍，所有試件制備時試件間距未產生不良應力影響，每組試驗最大法向應力采用600 kPa，分別按120，240，360，480，600 kPa施加，每級荷載分4～6次等量施加。每加一次法向荷載間隔5 min測讀一次法向變形，當連續兩次法向變形讀數差不超過0.01 mm時，開始施加剪切荷載。剪切荷載按預估最大剪切荷載的8%(或10%)分級勻速施加，控制法向應力保持不變，根據剪切變形增加速度測讀剪切位移及剪切荷載，直至試件剪斷為止。測讀剪切荷載峰值及剪切位移，然后將剪切荷載分2～3級卸荷至0。

根據試驗結果繪制各法向應力下的法向應力-剪應力關系曲線及剪應力-剪切位移關系曲線，按庫倫-奈維表達式確定相應的強度參數見表1。根據統計結果，得到砂泥巖碎塊石土填筑體天然抗剪強度指標：c=8.6 kPa，φ=29.88°；飽和狀態抗剪強度指標：c=5.93 kPa，φ=23.49°。

表1 填筑體直剪試驗成果表

Table 1 Direct shear strength test results of filling body

試點編號試件數量n含水狀態c/kPaφ/(°)DJ15天然8.3029.53DJ25天然8.9030.22DJ35飽和6.3025.32DJ45飽和5.5023.27DJ55飽和6.0021.88

2.2 粉質黏土參數

選取場地內24件坡殘積層粉質黏土進行了室內土常規試驗、飽和剪切試驗。得到粉質黏土天然抗剪強度指標：c=21.87 kPa，φ=11.90°；飽和抗剪強度指標：c=13.93 kPa，φ=7.84°。

2.3 巖體參數

場地內強風化砂質泥巖和砂巖網狀風化裂隙發育，巖體呈散體結構，勘察鉆探巖芯多呈碎塊狀～塊狀，巖質較軟，巖體較破碎。強風化巖石的強度參數也是影響高填方邊坡穩定性的重要因素，因此在試驗段原始斜坡地貌區選取裂隙相對較發育的5組強風化砂質泥巖進行大面積剪切試驗。直剪試驗部分現場作業照如圖4。得到試驗成果見表2。根據統計結果，得到場地內強風化砂質泥巖飽和狀態抗剪強度指標：c=31.48 kPa，φ=28.80°。

圖4 現場強風化巖石直剪試驗Fig.4 Direct shear strength test of strongly-weathered rock on site

試點編號試件數量n含水狀態c/kPaφ/(°)DJ65飽和31.9030.28DJ75飽和28.5029.45DJ85飽和32.5025.77DJ95飽和39.3030.93DJ105飽和25.2027.59

3 數值計算模型

MIDAS/GTS是由MIDAS IT結構軟件公司開發的巖土與隧道結構專業的有限元分析計算軟件，能夠模擬復雜的工程地質條件，有較強的適用性。本工程以MIDAS/GTS數值分析軟件為基礎，建立有限元計算模型，通過有限元強度折減法(SRM)分析高填方邊坡的變形和穩定性問題[7-9]，為高填方邊坡的優化設計提供理論依據和指導。

計算模型簡化為平面應變問題[10]。經約束后兩側水平位移為0，底部豎向位移為0。巖土體采用Mohr-Coulomb準則，初始按自重應力場考慮，建立的有限元分析模型見圖5。

圖5 數值計算模型Fig.5 Numerical calculation model

數值計算模型中未區分不同巖性。從安全角度考慮強、中風化巖石物理力學參數取砂質泥巖參數。數值計算工況為飽和工況。坡頂新建跑道平整區地面按照均布荷載10 kPa計算。邊坡物理力學參數及材料特性取值見表3。

表3 邊坡計算物理力學參數

4 治理方案比選

4.1 方案1

方案1為不清除原始斜坡地貌粉質黏土層。砂泥巖碎塊石土填筑完成后，按照強度折減有限元法計算得到的穩定性系數為0.56。圖6(a)為極限狀態時高填方邊坡位移云圖，圖6(b)為極限狀態時最大剪切應變云圖。

圖6 極限狀態時的位移及最大剪切應變(方案1)

從圖6可見，在極限狀態下邊坡主要沿原始地貌粉質黏土層產生滑移破壞，邊坡在中部臨空面處位移最大。根據極限平衡法計算得到穩定性系數為0.58，比強度折減法結果略大。兩種計算結果均不能滿足一級填方邊坡穩定安全系數的要求。粉質黏土層作為軟弱滑面，成為控制高填方邊坡穩定性的關鍵因素。由于場地粉質黏土層厚度不大，應開挖處理。

4.2 方案2

填方邊坡潛在滑移面往往是原始斜坡地面，因此可重點對原始斜坡地面進行預處理，以提高邊坡穩定性。方案2為清除原始地面粉質黏土層，料源挖方區砂泥巖碎塊石土作為填料直接填筑到強風化巖層上。

據區域工程地質經驗，場地內泥巖透水性較差，且與砂巖呈互層分布，砂巖透水性相對于填筑體差，所以在填筑完成后，地表水經填筑體下滲遇到基巖會受阻，在填筑體基底面形成具有一定厚度的飽和土層，即滯水層[11]。滯水層內的泥巖在水的長期浸潤下容易軟化、風化，使填筑體抗剪強度降低。同時由于砂泥巖碎塊石土內部有架空現象，在長期地表水滲流過程中會使細粒物質下滲，沉積到滯水層形成細顆粒土層，細粒土層會進一步降低填筑體抗剪強度。所以計算時必須考慮滯水層對高填方邊坡穩定性的不利影響。

在數值計算時，將滯水層按照具有一定厚度平面應變單元進行計算，滯水層厚度一般與填筑體、基底透水性質及基底坡度、水源補給、邊坡的常年地下水水位等有關。根據填筑體中砂泥巖碎塊石土特性并結合工程地質經驗，本工程滯水層厚度取0.5 m。滯水層抗剪參數目前無專門的研究成果，考慮到滯水層強度參數低于填筑體強度參數，假設滯水層內土體性質是均勻的，將直剪試驗所得填筑體抗剪強度參數進行折減，折減后結果作為滯水層抗剪強度指標，參數見表4。

表4 滯水層計算物理力學參數

考慮滯水層的影響，經有限元強度折減法計算得到邊坡的穩定性系數為1.01，較未清除粉質黏土層時穩定性得到顯著提高。圖7(a)為清表后極限狀態時高填方邊坡位移云圖，圖7(b)為清表后極限狀態時最大剪切應變云圖。

圖7 極限狀態時的位移及最大剪切應變(方案2)

從圖7可以看出，在極限狀態下邊坡沿滯水層產生滑移破壞，邊坡在中上部臨空面處位移最大，較未清表時最大位移分布有所上移。清表后仍不能滿足邊坡穩定安全系數的要求，需要進一步進行優化設計。

4.3 方案3

方案3為清除地表粉質黏土后對原始斜坡地面開挖臺階，分別計算臺階高度為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 m時邊坡穩定性系數。圖8為開挖臺階時滯水層分布示意。

圖8 滯水層分布示意Fig.8 Sketch of aquitard distribution

圖8中t為滯水層厚度，根據區域工程地質經驗取0.5 m；L1為一個臺階高度范圍內潛在滑移面穿越滯水層長度，L2為一個臺階高度范圍內潛在滑移面穿越填筑體長度。滯水層在臺階上的分布厚度實際是不均勻的，臺階頂部水頭差較大，滯水在上一臺階頂部消散較快，對應的滯水層厚度相對較小。從工程安全角度考慮，采用有限元強度折減法計算時滯水層按照均勻厚度計算。有限元強度折減法計算結果如圖9。

圖9 穩定性系數隨臺階高度的關系Fig.9 Relationship between stability coefficient and step’s height

由圖9可知，隨著開挖臺階高度的增大，邊坡穩定性安全系數隨之增大，增大到一定程度后慢慢趨于穩定。圖10為開挖不同臺階高度時極限狀態最大剪切應變云圖。

圖10 不同臺階高度時極限狀態最大剪切應變云圖(方案3)

從圖7、圖10對比分析可以看出，當未開挖臺階時，邊坡潛在滑動面完全通過滯水層，反應到一個臺階高度范圍內即L2=0，邊坡穩定性系數較低；隨著開挖臺階高度的增大，邊坡潛在滑動面通過滯水層的范圍減小，穿越填筑體的范圍增大，即L1減小，L2增大，因填筑體抗剪強度指標高于滯水層，所以隨著隨著臺階高度的增大邊坡穩定性系數變大。可見臺階高度不應過小，但也不宜過大。因為隨著臺階高度增大，會增加挖方工程量，此時邊坡穩定性系數增大不明顯。綜合考慮現場地形、施工機械的作業空間等各方面因素，開挖臺階高度取2.0 m。

4.4 方案4

選取各種坡面坡型利用有限元強度折減法試算，確定設計最優方案為：從坡頂開始0～30 m坡高范圍內按坡比1∶2.0放坡，單級坡高10.0 m； 30～60 m坡高范圍內按坡比1∶2.5放坡，單級坡高10.0 m；60～119 m坡高范圍內按坡比1∶3.0放坡，單級坡高10.0 m；同時每間隔30 m高設置10.0 m寬大馬道，其余為3.0 m寬小馬道。填料壓實度不小于93%，填筑體級配要求滿足行業規范要求，砂泥巖碎塊石土粒徑不大于40 cm。圖11為填土填筑完成后邊坡位移云圖，從圖11中可以看出，最大位移為1.04 m，發生在邊坡上部臨空面附近。

圖11 填筑完成后位移云圖(方案4)

考慮滯水層影響按照強度折減法計算得到方案4的邊坡穩定性系數為1.41，滿足邊坡穩定性安全系數要求。圖12為極限狀態時邊坡最大剪切應變云圖。

圖12 極限狀態時位移云圖(方案4)

從圖12中可以看出，采用坡比越來越小的放坡形式并在邊坡中間設置大馬道可使高填方邊坡坡腳應力明顯減小，邊坡產生整體失穩的可能性大大降低，邊坡的破壞模式為邊坡坡面區域剪切滑移破壞。

為了確保邊坡填筑體抗剪強度指標滿足設計要求，保證邊坡坡面區域填筑體穩定性，在進行土石方回填時應超過每個工作面對臨時邊坡坡頂線進行強夯處理，然后進行反挖，如圖13。

圖13 邊坡填筑處理示意Fig.13 Sketch of slope filling treatment

高填方邊坡治理必須考慮水對邊坡的不利影響，為了便于地下水排出填筑體和原地基，在填筑體對應馬道高度設置一層0.6 m厚的中等風化砂巖透水層。透水層緩坡外傾，坡度為1%～3%。

5 結 論

1)準確獲取巖土體抗剪強度指標是高填方邊坡穩定性分析與治理工程設計的關鍵。前期選取試驗段場地進行大型直剪試驗，測試所得巖土體參數作為高填方邊坡設計的重要依據。

2)利用有限元強度折減法可較準確的模擬順坡填筑高填方邊坡變形破壞機理，為邊坡治理優化設計提供理論依據和指導。

3)粉質黏土層作為軟弱滑面，成為控制高填方邊坡穩定性的關鍵因素。將粉質黏土層清除后邊坡穩定性得到顯著提高，所以當粉質黏土層厚度不大時，建議將其清除。

4)滯水層的存在對高填方邊坡穩定性會產生不利影響。未開挖臺階時，邊坡潛在滑動面完全通過滯水層，此時邊坡穩定性系數較低；隨著開挖臺階高度的增大，邊坡潛在滑動面通過滯水層的范圍減小，穿越填土的范圍增大，潛在滑面的抗剪強度提高，邊坡穩定性系數變大。

5)為了確保邊坡坡面區域填筑體的穩定性，應進行超填強夯處理。考慮水對邊坡的不利影響，間隔設置砂巖碎石透水層以便于地下水排出填筑體和原地基。

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Stability of High Fill Slope of an Airport in Southwest Mountainous Area

HOU Junwei1, TANG Qiuyuan1, LI Yangqiu1, MA Xinyan2

(1. China Coal Technology & Engineering Group Chongqing Engineering Co., Ltd., Chongqing 400042, P.R.China;2. China Airport Construction Group Corporation, Beijing 100101, P.R.China)

The stability of high fill slope which filled with sand-shale gravelly soil was studied based on a practical case of an airport high fill slope in southwest China. Rock and soil mass shear strength indexes were obtained through large direct shear strength tests in the field of the test section. At the same time, the deformation instability mechanism was simulated by strength reduction FEM. The result indicates that the silty clay layer is the weak interlayer of high fill slope foundation, and it will significantly reduce the stability of the high fill slope without treatment. Along with the fine grain material of sand-shale gravelly soil infiltration, the aquitard is formed with certain thickness between filling-up soil and stable basement, and the shear strength of this layer is obviously lower than the filling-up soil. The distribution of the aquitard on slippery surface can be changed by setting steps in basement excavation. The range of slope slippery surface through the aquitard decreases with the increase of steps height, and the slope stability coefficient increases. Possibility of slope global instability can be reduced by selecting appropriate slope shape.

geotechnical engineering; high fill slope; stability study; gravelly soil; direct shear strength test; strength reduction FEM; aquitard

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.03.18

2015-05-11；

2015-07-21

侯俊偉(1983—),男，山東淄博人，工程師，國家注冊土木工程師(巖土)，主要從事巖土工程勘察與設計方面的研究。E-mail:116338270@qq.com。

TU 431；U416.1+4

A

1674-0696(2016)03-082-07