機場順層填方邊坡的穩定性在FLAC3D中的分析

摘 要：山區機場的填方邊坡是山區機場建設的主要問題，尤其是順層邊坡的填筑影響最大。文章以貴州某機場13#順層邊坡為例，從斜坡的地質環境入手，分析斜坡的基本特征及變形規律，結合FLAC3D數值模擬，揭示了填筑后的斜坡的破壞機制及其發展過程。

關鍵詞：順層邊坡；填方邊坡；數值模擬

引言

大量事實表明，山區機場的高填方邊坡是山區機場建設的主要問題。尤其是填筑過程中不可避免的順坡填筑，往往會降低填筑邊坡的穩定性，易引發工程事故。比如攀枝花機場，曾在施工和運營期間發生過數次滑坡。文章以貴州省草海市某擬建機場13號斜坡為例，通過FLAC3D模擬加載后邊坡在各種工況下的變形特征，探討在順層斜坡中填筑體對斜坡的穩定性影響。

1 斜坡的概況

機場填方區擬建于一條形山脊的兩側，13號斜坡分布于該山脊的東面。原始斜坡坡度在15°～24°。基巖為二疊系泥灰巖、碳質頁巖與砂巖互層，其中軟弱夾層以泥巖、碳質頁巖為主，風化嚴重。巖層傾向60°～80°（與坡向基本一致），傾角15°～22°，構成緩傾順層斜坡。表面覆蓋第四系殘坡積物，厚度小于5m，巖層中夾雜有軟弱的碳質頁巖和泥巖。填區最大高程在2445m，機場跑道需經過斜坡頂部（如圖1）。區內最大填方高度約60m，臨近邊界，削坡高度約11m，填筑坡度約26°。填料為區域內開挖基巖作為填料。分多次壓實填筑，減少填筑體本身對斜坡穩定性的影響。

2 13號斜坡基本特征

13號不穩定斜坡全長329.4m，寬135.6m，后緣高程為2445m，前緣高程2362m，相對高差83m，主滑方向NE99°。整個斜坡的形態上小下大的近“長舌形”。斜坡共內分為2級緩傾平臺，第二級平臺高程為2415～2450m，平均坡度為14°，長約40m。第一級平臺高程為2390-2405m，坡度約11°，長約80m。兩級平臺之間局部有隆起現象。

斜坡表面覆蓋物以粘土和粉質粘土為主，中-后部厚度約2.5m左右，陡峭部位約0.5m；前緣是巖溶漏斗形成的堆積平臺，約7m。據鉆孔揭露，最深達到9.6m。根據ZK13-1和ZK13-7揭露后緣巖層為泥巖和炭質頁巖，兩者接觸深度在5.8～7.5m不等。ZK13-12和ZK13-13揭露出斜坡中部，深度在6.1m-15.5m之間，出現有炭質頁巖和泥巖互層。ZK13-19揭露出深度10.8m以下有全填充和半填充的溶洞，高度約2.8m，填充物質為碎石土，母巖為灰巖。

3 斜坡變形破壞機制

斜坡的變形破壞是由于降水過程中地表水通過地表裂縫和節理裂隙滲入巖層，水滲透并軟化泥質條帶后斜坡體巖層內滑帶逐漸發育，在水動力和自重作用下斜坡開始蠕滑變形。

4 預加載數值模擬分析

采用FALC3D有限差分法計算軟件對擬建填方斜坡進行穩定性分析，模型的組建主要采用的是Ansys有限元軟件。模型沿X長499m，沿Y長217m，以左右兩側邊界為界，Z方向最短約50m。模型共137726單元，25898個節點。材料破壞準采用Mohr-Coulom破壞準則，并且采用大變形和大應變能力的soild185單元構造三維實體結構。斜坡參數如表1。

據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2001），該機場所處地區抗震設防烈度為 7 度，設計基本地震加速度值為 0.1g。模型選取局部阻尼，局部阻尼系數取0.15。

計算結果及分析：

計算結果分析如下：（1）在暴雨工況下，斜坡的破壞部位主要發生在填筑體的臨空部位，影響范圍較小，主要是沿著基覆界面的滑動。（2）在地震工況下，破壞沿著原斜坡內部的軟弱結構面發生破壞。（3）分析兩種工況，發現暴雨主要對填筑體表層臨空部位破壞嚴重。地震則是沿著斜坡內部軟弱結構面發生破壞。（4）降雨的破壞機制主要是接觸面間巖土體的軟化，發展為潛在滑動面，從而向臨空面滑動。地震的破壞機制主要是地震對巖體內部軟弱的碳質頁巖和泥巖的破壞，形成潛在的滑動面，使得整體填筑斜坡發生破壞。

5 結束語

FLAC3D在計算暴雨，破壞位于填筑體前緣臨空部位，是接觸面間的弧形滑動。在計算地震時，地震對斜坡內部的軟弱夾層的影響大于填筑體表面的影響，在地震發生后，整個填筑體會沿著內部的軟弱夾層發生破壞。

參考文獻

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