不同填筑方式黃土斜坡高填方變形演化規律研究

孫志杰，馮雪松，郭 輝

（1.山西省交通科技研發有限公司 黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室，山西 太原 030032；2.呂梁機場有限責任公司，山西 呂梁 033000）

0 引言

黃土地區基礎設施建設工程中不可避免遇到大量的高填深挖工程，特別是復雜地形、地質條件下的斜坡高填方問題是一直困擾工程技術人員的一大工程難題。斜坡高填方路基的主要問題包括沉降變形控制和保證穩定性兩個方面。而影響高填方沉降的因素有：原地基及填料的工程特性、地基壓實度、壓實方法和填土速率等，故有必要開展填筑方式對高填方的影響研究。目前對黃土高填方的研究多集中在地基勘察處治[1-3]、沉降預測[4-5]及穩定性分析[6-7]，而對不同填筑方式對變形影響的量化分析研究結果較少。

本文依托呂梁機場高填方邊坡，采用有限元軟件，選取代表性斷面進行非線性數值分析，揭示不同填筑方式下黃土斜坡高填方邊坡的變形演化規律。為類似黃土高填方設計與施工提供參考。

1 工程概況

呂梁大武機場，位于山西省呂梁市方山縣大武鎮，距呂梁市區約20 km。在修建當時是國內施工難度最大、土方量最大、填方最多的支線機場。機場建設中，共搬12座山，填22條溝。

機場位于黃土梁，存在黃土溝間、黃土溝谷和黃土潛蝕等微地貌單元。研究區內地形起伏較大，沖溝發育，縱橫切割，溝谷橫截面上游呈“V”字形，下游呈“U”形，溝谷兩側坡度為45°～75°之間。

區內地層由素填土（Q42m1）、第四系中更新統風積相離石組黃土（Q2e01）、第三系上新統湖積相保德組粉質黏土（N2b）、統本溪組砂頁巖（C2b）構成。研究區段邊坡如圖1所示。

圖1 呂梁機場高填方邊坡

2 高填方邊坡模型建立

2.1 地層參數及邊界條件

模型取填筑體南北方向最大斷面為分析斷面，為減少邊界條件的影響，取坡頂距離左邊界220 m，坡頂距離右邊界80 m，左側高度110 m，右側高度60 m，坡高50 m。原基地土體參數從上至下簡化為5層，見表1地層名稱列。高填方邊坡二維有限元網格劃分圖如圖2所示，采用Midas GTS建模分析。模型材料參數取自《呂梁機場地基處理及土方工程試驗段巖土工程勘察報告》試驗結果，見表1。

圖2 對比工況模型

表1 地層材料參數表

同時該次分析對加筋工況進行了模擬，加筋材料選用土工格柵，基本參數見表2。

表2 格柵材料參數表

約束條件：模型表面為自由邊界，底部為固定邊界條件，左右兩側為水平位移約束邊界。

2.2 模擬工況

為分析分層填筑及加筋材料對邊坡變形影響，將一次填筑作為對比工況，共進行以下工況模擬：

a）對比工況 一次填筑。

b）工況二 考慮過程的分層填筑。

c）工況三 分層填筑，層與層之間鋪筑土工格柵。

圖3 分層填筑模型

圖4 格柵鋪筑模型

3 分層填筑模擬結果

高填方體坡頂豎向位移云圖見圖5、圖6所示。

圖5 一次填筑

圖6 分層填筑

從圖5和圖6可看出，不同填筑方式豎向位移分布規律不同。一次填筑的最大豎向位移發生在坡頂靠近臨空面部位，且隨著向坡體內部距離的增大而逐漸減小；分層填筑最大位移發生在地基頂部一定深度范圍內。從受力來看，相當于后期填筑土體作為荷載施加在前期填筑的土體上，導致前期填筑土體發生了較大的形變量。

高填方邊坡的側向變形關系邊坡的整體穩定性，為深入分析水平位移規律提取坡面節點水平位移值，繪制坡面節點水平位移沿水平方向分布曲線，如圖7所示，左側為坡腳。

圖7 坡面節點水平位移曲線

從圖7可看出，兩種填筑方式坡面最大水平位移均發生在坡腳范圍內，從坡腳向坡頂，水平位移先緩慢增加，而后逐漸減小。分層填筑減小速率較一次填筑大。到坡頂時分層填筑工況幾乎無水平位移，而一次填筑還有約22 cm的水平位移。

為研究分層填筑后期填土對地基側向變形的影響規律，提取地基表面節點水平位移進行分析，如圖8所示，右側為靠近坡腳側。

圖8 地基表面水平位移隨填土變化曲線

從圖8可看出，從豎向來看，隨著地基上覆填土高度的增加，地基水平位移也隨之增大；從水平來看，前期填筑工況下，坡體深部水平位移較坡腳范圍內大，隨著填土高度的增加，從坡腳向坡體深部水平位移變化曲線呈先增大后減小趨勢。

4 格柵加筋模擬結果

格柵加筋前后高填方體的坡頂豎向位移曲線如圖9所示。橫坐標0為坡頂處，向左為正，見圖2中標注。

從圖9可看出，坡頂最大位移發生在距離坡頂約50 m處，坡頂豎向位移極值從無加筋工況36 cm減小至加筋工況下26 cm，減小為原來的73%.

圖9 坡頂豎向位移

格柵加筋前后高填方體的坡表水平位移曲線如圖10所示。橫坐標0為坡腳處，向左為正，見圖2中標注。

圖10 坡表水平位移

從圖10可看出，坡面最大位移發生在距離坡腳約30 m處，坡面水平位移極值從無加筋工況53 cm減小至加筋工況下40 cm，減小為原來的75%。

5 結語

依托呂梁機場高填方邊坡工程，采用數值分析方法，對不同填筑手段下邊坡的變形演化規律進行了對比分析，研究表明：

a）采用數值分析與現場監測相結合的手段，可以很好地指導施工，優化設計參數，保證邊坡施工安全。

b）高填方邊坡變形規律受填筑方式影響，一次填筑最大變形發生在坡頂，分層填筑坡體最大變形發生在地基部位。

c）坡腳范圍水平位移大小受填筑方式影響較小，但隨著坡高的增加，分層填筑可顯著減小坡表水平位移。

d）分層填筑結合土工格柵加筋材料的使用，可減小坡體變形，增強填方體的整體穩定性。