西南某機場跑道南端差異沉降分析

唐軍,孫紫軒

(成都理工大學環(huán)境與土木工程學院.成都 610059)

西南某機場跑道南端差異沉降分析

唐軍1,孫紫軒2

(成都理工大學環(huán)境與土木工程學院.成都 610059)

機場跑道南端位于胡家灣溝口段，跑道呈南北向，與溝向一致，跑道軸線處于溝口左側半山腰砂巖陡坎之上，軸線左側為砂巖地基，右側為陡崖，整平后，右側為填土地基，因此，跑道軸線兩側地基力學性質(zhì)差異較大，在機場運行過程中因上覆壓力以及自身重力作用下而產(chǎn)生不均勻沉降。本文就差異較大地基在不同的地基處理方式下而產(chǎn)生的不同差異沉降量進行分析計算，并運用Geostudio-slope進行現(xiàn)場模擬分析，最后提出解決此類問題的方法。

差異沉降；穩(wěn)定性；機場跑道

1 引言

在現(xiàn)代建筑工程中，越來越多工程由于地基處理不當造成地基失穩(wěn)或開裂，嚴重影響工程質(zhì)量，特別是在地基力學性質(zhì)差異較大情況下，合理有效的處理地基顯得尤為重要。

不同地基在長期上部荷載條件下，經(jīng)過振動壓實，孔隙水排出等情況會發(fā)生緩慢變形；在相同的外部條件下，物理力學性質(zhì)差異較小的地基在分界面處產(chǎn)生的差異沉降較小；反之，在物理力學性質(zhì)相差較大的情況下，在地基分界面易產(chǎn)生較大差異沉降，引發(fā)建筑物變形、開裂等失穩(wěn)跡象。本文就西南某機場南端跑道特殊地基情況進行研究，利用有限元分析軟件Geostudio-slope對不同處理方式后的地基進行模擬，在模擬的基礎上對跑道穩(wěn)定性與差異沉降進行分析。

2 工程概況

西南某機場位于四川盆地中部，涪江中游，以丘陵地貌為主，地貌類型單一。地表侵蝕切割強烈，溝谷縱橫，地表水系、山脊呈樹枝狀分布；山體窄陡，發(fā)育多級臺坎，陡壁上基巖裸露。

整個場區(qū)共分為三大區(qū)：臺丘嶺脊區(qū)、溝緣斜坡區(qū)、溝谷區(qū)(圖1)。臺丘嶺脊區(qū)主要由海拔相對較高的山體組成，山丘整體呈渾圓狀，坡體表面較為柔和、平緩，斜坡坡度11°～32°，平均坡度23°左右，局部斜坡發(fā)育陡崖、陡坎而整體坡度較陡，約40°左右；受地層結構及差異風化作用控制，坡體表面臺坎、臺坪相間分布，呈“臺階”狀。地表覆蓋層較薄為粉質(zhì)粘土，局部基巖裸露，下伏巖性主要為泥質(zhì)粉砂巖與粉砂質(zhì)泥巖不等厚互層。

溝谷區(qū)分布于溝谷底部，分布高程290～320 m，地形相對較平緩，由上游向下游緩傾，平均縱坡降3.8%，主要為農(nóng)田、魚塘。溝谷區(qū)覆蓋層較厚，一般為2.8～8.6 m，最厚可達12.3 m，從上至下，土體塑性狀態(tài)從軟-可塑漸變。

在場區(qū)底部，海拔330～345 m之間發(fā)育一套近水平砂巖層，厚6～15 m，強-中風化，巖體較完整。由于物理化學風化作用，在場區(qū)出露為陡崖(如圖1)。而機場南端跑道軸線恰好位于陡崖之上，從圖上可以看出，跑道軸線左側為臺丘嶺脊區(qū)，右側為溝緣斜坡區(qū)。機場整平標高海拔345 m，與砂巖層頂面大致一致，因此在機場整平過程中，跑道左側地基為原地基，右側為填方地基，這兩種地基物理力學性質(zhì)差異大。整平后由于地基在上部壓力作用下產(chǎn)生沉降變形，特別是填土地基，由于土體被壓縮，孔隙水被擠出，變形程度將會遠大于原地基，這樣形成的差異沉降，使地面產(chǎn)生裂縫，對機場安全運行產(chǎn)生嚴重影響。此外，由于右側填方地基為軟土地基且處于斜坡之上，處理不當還會對邊坡穩(wěn)定性造成一定影響。

圖1 場區(qū)地質(zhì)剖面圖Fig.1 The geological section map

3 相關理論

在計算差異沉降時，考慮沉降主要由填方體與軟土地基形成，故采用分層總和法來進行計算。

3.1 計算假定

(1) 假定將天然地基耕土、雜填土清除后不經(jīng)任何地基處理，其物理、力學性質(zhì)與本階段勘察所揭露的地層情況基本一致。

(2) 假定填筑體一次性加載，可不考慮填筑期間的時間效應。

(3) 上覆永久荷載包括填方體及道面混凝土、墊層自重荷載。假定其中填方體重度21 kN·m-3；混凝土、墊層重度25 kN·m-3，道面混凝土厚1.0 m，墊層0.5 m，共37.5 kPa。

(4) 中型飛機的重量為70 t左右，飛機著陸時分攤在尺寸為5.0 m×4.5 m的兩塊混凝土板上的重量各35 t，壓強為15.6 kPa。

3.2 計算方法

為評價區(qū)內(nèi)天然地基沉降隨時間的變化情況，此次采用下述方來進行評價：

(1) 原地基最終沉降量計算

土中孔隙水排出，孔隙水壓力轉(zhuǎn)換成有效應力，土體逐漸壓密產(chǎn)生的體積壓縮變形。根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》所推薦的沉降計算公式如下：

式中，ψs為沉降計算系數(shù)，根據(jù)計算深度內(nèi)壓縮模量當量值查表確定；p0為對應于荷載標準值時基礎底面處的附加壓力(kPa)；Esi為基礎底面下土的第i層土的壓縮模量，按實際應力范圍取值(MPa)；n為地基底面壓縮層范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；zi，zi-1為分別為基礎底面到第i層和i-1層土底面的距離(m)；αi,αi-1為分別為基礎底面計算點到第i層和第i-1層底面范圍內(nèi)平均附加應力系數(shù)。

(2) 填筑體沉降計算方法

根據(jù)工程經(jīng)驗，以及以往工程監(jiān)測數(shù)據(jù)的擬合發(fā)現(xiàn)，填筑體壓密沉降占填土高度的0.7%～0.8%，且完成時間較快(工后一年可完成90%)(圖2)。

圖2 沉降累計擬合曲線

Fig.2 The cumulative curve of settlement

4 地質(zhì)模型及計算

根據(jù)場地地形，選取其中一條典型的坡面作為計算剖面，模型共分兩種：一種是直接進行回填，進行差異沉降與穩(wěn)定性計算，另一種是對巖質(zhì)邊坡進行放坡處理再進行差異沉降與穩(wěn)定性計算，放坡坡角的大小根據(jù)穩(wěn)定最優(yōu)坡角與經(jīng)濟最優(yōu)坡角來進行選取，應選取55°～60°放坡為最宜。本文選取60°作為放坡角度，其中每一級放坡高度為1 m，共分13級放坡；填方邊坡按1∶2放坡。以下為模型參數(shù)取值與計算(表1)。

表1 模型中巖土體參數(shù)取值

4.1 差異沉降分析

根據(jù)第三節(jié)相關理論以及區(qū)域內(nèi)巖土工程勘察數(shù)據(jù)，以圖1跑道左側點為起點，每隔5 m設置一個計算點，垂直跑道軸線對跑道部分進行差異沉降計算，根據(jù)計算結果，得知處理前與后，地基沉降在跑道中軸線區(qū)域附近差異明顯，處理前跑道中軸線附近差異沉降量相差近24 cm，處理后差異沉降量相差14 cm，從圖3中可以看出，地基處理區(qū)域在處理前與后差異沉降曲線曲率變化明顯，未經(jīng)處理區(qū)域曲線呈陡升趨勢，處理后曲線較為平滑。經(jīng)過計算分析，在地基處理區(qū)域，差異沉降主要由填筑體自沉降形成，在地基處理區(qū)域之外，差異沉降主要來自于下覆粉質(zhì)粘土層沉降，上部填筑體自沉降占一小部分。詳細參數(shù)見表2。

表2 地基處理前后差異沉降量(沉降時間為1年)

①為地基處理前沉降量，②為地基處理后沉降量

圖3 地基處理差異沉降曲線Fig.3 The foundation differential settlement curve

4.2 邊坡穩(wěn)定性分析

本人采用Geostudio-slope軟件對邊坡進行模擬計算，從圖4與表3可知，處理前后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)相差很少，并且從圖3看出，邊坡最易產(chǎn)生的滑面還未涉及到地基處理區(qū)域，從這兩方面可以看出在地基處理前后對邊坡穩(wěn)定性影響不大，詳細參數(shù)見表3。

5 結論

根據(jù)本文以上計算以及模型模擬分析，初步說明了在地基巖土力學參數(shù)相差較大的情況下，在巖性分界區(qū)域差異沉降明顯，如不進行一定處理對工程質(zhì)量造成嚴重影響，此外在一定程度上增加施工難度，本文通過初步模擬計算，得出以下結論：

表3 處理前后邊坡穩(wěn)定性計算

圖4 地基處理后Geostudio-slope模擬計算Fig.4 Simulation calculation of Geostudio-slope after foundation treatment

(1) 本工程中，跑道中軸線附近巖土體力學參數(shù)相差大，地基差異明顯，因此差異沉降量在地基處理前與后變化較為明顯，處理后差異沉降曲線在跑道中軸線附近較為平緩，地基未處理之前呈陡降趨勢，易產(chǎn)生拉裂縫。

(2) 根據(jù)模型計算表明，跑道中軸線右側地基差異沉降量最主要來自下部粉質(zhì)粘土地基在上覆壓力作用下產(chǎn)生的沉降，其中上覆填筑體自重沉降只占其中小部分，總沉降量較大，跑道軸線左側沉降量由填筑體自重沉降形成，沉降量小。

(3) 本文根據(jù)Geostudio-slope對填方邊坡穩(wěn)定性計算數(shù)據(jù)表明，在本工程中，地基處理前與后，填方邊坡穩(wěn)定性基本不變，地基處理未對填方邊坡造成影響。

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ANALYSIS OF THE DIFFERENTIAL SETTLEMENT AT SOUTHERN TIP OF AN AIRPORT RUNWAY

TANG Jun,SUN Zi-xuan

(College of Environment and Civil Engineering, Chengdu University of Techenology,Chengdu 610059,China)

The southern end of the airport runway located at the entrance Hujiawan ditch. It is a north-south direction airport runway, consistent with Hujiawan ditch.The runway axis is above the left side of Mizoguchi `s sandstone scarp on the hillside. The left side of axis is sandstone foundation, the right side is a cliff, after leveling, the right side will become filling foundation. Therefore, the foundations on the two sides of the runway axis` mechanical properties are quite different. During operation of the airport, it is very likely produce uneven settlement due to overburden pressure and gravity itself. This paper analyzed and calculated the different settlement arising from different foundations in different treaments, and use the Geostudio-slopes to simulate and analyze, finally proposes a method to solve such problems.

Differential settlement；stability；airport runway

1006-4362(2014)01-0098-04

2013-11-08 改回日期： 2014-01-04

P642；P642.26

A

唐軍(1983- )，男，成都理工大學環(huán)境與土木工程學院，地質(zhì)工程專業(yè)研究生，主要從事地質(zhì)災害防治工作。