山西呂梁民用機場高邊坡穩(wěn)定性分析與探討

張立輝

(山西省勘察設計研究院，山西太原 030013)

1 工程概述

山西呂梁民用機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，最大填方達到82．4 m3，在其獨特工程地質(zhì)條件下，使得呂梁機場的邊坡穩(wěn)定性極為突出。

2 邊坡穩(wěn)定性分析與評價方法

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公路路基設計規(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)建立計算模型，抗剪強度指標在室內(nèi)試驗提供指標的基礎上經(jīng)反復驗算并結(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)試驗指標。對自然邊坡采用圓弧滑動法(瑞典條分法、簡化Bishop法)計算邊坡在自然狀態(tài)和受水浸泡狀態(tài)下的穩(wěn)定性系數(shù)，此外，對場地挖填方后形成的人工邊坡的穩(wěn)定性進行分析和預測，對人工邊坡采用圓弧滑動法(瑞典條分法、簡化Bishop法)進行整體穩(wěn)定性分析，同時當原地表斜坡陡于1∶2．5時，采用不平衡推力法驗算滑坡及人工填土沿斜坡地基滑動的穩(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)試驗指標。

瑞典條分法穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式如下:

式中:Fs——穩(wěn)定安全系數(shù);

ci——第i計算條塊滑動面上巖土體的粘聚力，kPa;

φi——第i計算條塊滑動面上巖土體的摩擦角，(°);

li——第i計算條塊滑動面長度，m;

θi——第 i計算條塊地面傾角，(°);

Gi——第i計算條塊單位寬度巖土體自重，kN/m;

Ni——第i計算條塊滑塊在滑動面法線上的反力，kN/m;

Ti——第i計算條塊滑塊在滑動面切線上的反力，kN/m;

Ri——第i計算條塊滑塊在滑動面上的抗滑力，kN/m。

簡化Bishop法穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式如下:

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算。

當土條i滑弧位于地基中時:

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，計算時取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，滑弧位于地基中時取地基土的內(nèi)摩擦角，位于填土中時取填土的內(nèi)摩擦角。

當土條i滑弧位于填土中時:

不平衡推力法穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式如下:

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)定性分析評價

機場自然邊坡均為近南北走向，以機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，降雨時表層土體飽和后抗剪強度降低，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，對機場邊坡穩(wěn)定性的影響不大。

本地區(qū)抗震設防烈度為6度，考慮到工程的重要性，穩(wěn)定性計算時從不考慮地震力的影響和考慮地震力影響兩個方面考慮，考慮地震力影響時，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、離石黃土遇水后強度降低，因此，邊坡穩(wěn)定性計算時，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)定性計算參數(shù)表

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

根據(jù)計算結(jié)果可知，計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)時多處于不穩(wěn)定狀態(tài)，一般的降雨不會造成整個邊坡土體飽水，現(xiàn)有的科研資料表明，強降雨48 h，黃土邊坡坡面入滲深度一般不會超過2．0 m，表層土體飽水后抗剪強度降低，加上動水壓力的作用，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滑面形態(tài)

4 挖填方邊坡穩(wěn)定性評價

4．1 挖方邊坡穩(wěn)定性評價

按機場目前擬定的軸線和道面高程，機場挖方產(chǎn)生的人工邊坡主要為位于機場跑道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，按設計單位提供的機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，建議對挖方產(chǎn)生的人工邊坡采用漿砌片石進行坡面防護，并做好截排水措施。

4．2 高填方邊坡穩(wěn)定性評價

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行整體穩(wěn)定性分析和評價。穩(wěn)定性計算時對壓實填土采用了0．90，0．93，0．95三個不同壓實度下分別對應的天然、飽和兩種不同含水量條件下的抗剪強度指標。

邊坡工程的穩(wěn)定性的定量評價，必須有一個穩(wěn)定安全標準，這個標準因工程規(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，所設計的邊坡，對工程安全等級為一級的邊坡工程(選擇計算的邊坡坡高均大于30 m，均為一級邊坡)，圓弧滑動法(瑞典條分法)計算的穩(wěn)定安全系數(shù)Fs應不小于1．30，根據(jù) JTG D30-2004公路路基設計規(guī)范第3．6．8條，采用簡化Bishop法計算的填土和地基的整體穩(wěn)定安全系數(shù)Fs應不小于1．40，采用不平衡推力法計算的填土沿斜坡地基滑動的穩(wěn)定安全系數(shù)Fs應不小于1．30。根據(jù)JTG D30-2004公路路基設計規(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法計算)應不小于 1．05。

通過對16個剖面高填方邊坡的穩(wěn)定性計算所得的穩(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%;考慮地震力作用時間，可降低穩(wěn)定系數(shù)7%左右。所以設置完善的防排水設施是必須的。

5 結(jié)語

利用抗剪強度和反算進行穩(wěn)定性驗算，為邊坡設計提供合理的邊坡坡比，考慮到土體的各向異性，時間和空間的變異性，應進行信息化施工，并做好截排水措施，同時應進行監(jiān)測。

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

［2］JTG D30-2004，公路路基設計規(guī)范［S］．

［3］山西省勘察設計研究院．山西呂梁民用機場巖土工程勘察報告［R］．2010．