某機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)土工格柵加筋高邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)

廖 鴻，徐 超,2，楊 陽(yáng),3

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；3.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098）

近年來(lái)，隨著西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施以及“一帶一路”的建設(shè)，西部地區(qū)的各類交通設(shè)施如機(jī)場(chǎng)、高鐵、高速公路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)興起，西部地區(qū)海拔高，地勢(shì)陡峭，勢(shì)必存在大量的高填方邊坡工程[1?3]。此外，山區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)條件以及地形的限制，許多高填方邊坡無(wú)法進(jìn)行自然放坡。在這種情況下，土工合成材料加筋土邊坡可以發(fā)揮其因地制宜、減小坡率、提高邊坡整體穩(wěn)定性等特點(diǎn)，滿足復(fù)雜地形地質(zhì)條件下的工程要求，對(duì)于提高機(jī)場(chǎng)道面質(zhì)量、節(jié)約工程用地、保護(hù)生態(tài)環(huán)境意義重大[4]。若高填方邊坡設(shè)計(jì)不合理會(huì)存在邊坡失穩(wěn)問(wèn)題，邊坡的失穩(wěn)將嚴(yán)重影響機(jī)場(chǎng)、道路等基礎(chǔ)設(shè)施的正常運(yùn)營(yíng)，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失[5]。如成昆鐵路昔格達(dá)高填方路基工程[6]、貴州茅臺(tái)機(jī)場(chǎng)高填方邊坡[7]、四川攀枝花機(jī)場(chǎng)高填方邊坡[8]等均不同程度地出現(xiàn)了高填方邊坡滑動(dòng)失穩(wěn)，嚴(yán)重影響交通安全。

目前，加筋土技術(shù)的相關(guān)研究還主要集中于穩(wěn)定性分析、筋土界面特性、抗震性能等方面。張瑋鵬等[9]采用極限分析上限法和非線性莫爾－庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則，研究了破裂面為對(duì)數(shù)螺旋線的加筋土邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題。徐超等[10]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)縮尺模型試驗(yàn)研究，證明土工合成材料加筋土柔性橋臺(tái)復(fù)合結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。介玉新等[11]利用離心模型試驗(yàn)和有限元強(qiáng)度折減法對(duì)加筋土邊坡進(jìn)行分析，研究加筋邊坡平臺(tái)分級(jí)的影響，結(jié)果表明合適的邊坡分級(jí)能夠充分發(fā)揮筋材的加筋效果。何江飛等[12]利用有限元數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析了多級(jí)有限填土加筋土-框錨組合體系的抗滑作用效果。吳紅剛等[13]對(duì)高填方邊坡樁-錨-加筋土組合結(jié)構(gòu)協(xié)同工作性能進(jìn)行研究，對(duì)比分析墊層對(duì)控制填土內(nèi)部塑性協(xié)同變形發(fā)展及綜合支護(hù)體系的影響。胡衛(wèi)東等[14]考慮了巖土材料破壞的非線性特性，采用非線性破壞準(zhǔn)則和外切直線法，引入極限分析上限理論，建立了更合理的加筋土坡臨界高度的計(jì)算方法。Sunkavalli 等[15]介紹了印度坎努爾國(guó)際機(jī)場(chǎng)跑道末端安全區(qū)-87 m 高的多級(jí)加筋土高邊坡，并通過(guò)有限元分析了加筋邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題。然而，對(duì)于加筋高填方邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的研究還十分缺乏。對(duì)加筋高填方邊坡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，既要考慮復(fù)雜的地形條件、工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件，又要兼顧施工工期、填方量以及挖方量等因素，設(shè)計(jì)難度巨大。影響加筋土邊坡工程造價(jià)和穩(wěn)定性的因素很多，如何在保證工程安全的前提下考慮不同因素的作用，開(kāi)展加筋土邊坡的優(yōu)化設(shè)計(jì)，成為高填方工程建設(shè)中的關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題。

本文以某機(jī)場(chǎng)合同標(biāo)段的6#加筋土高邊坡為研究對(duì)象，根據(jù)研究區(qū)邊坡的地質(zhì)條件和填方邊坡的實(shí)際情況，選擇典型的邊坡剖面，考慮地形、填方、挖方等多種因素，制定不同的設(shè)計(jì)方案，采用穩(wěn)定性分析程序?qū)?#邊坡典型剖面的不同設(shè)計(jì)方案在正常、暴雨以及地震等工況下進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，最后利用有限元法分析6#邊坡典型剖面的不同設(shè)計(jì)方案在不同工況下的變形特征及筋材軸力分布規(guī)律，并對(duì)加筋土高邊坡的優(yōu)化設(shè)計(jì)作出對(duì)比分析。研究成果將對(duì)機(jī)場(chǎng)高填方邊坡建設(shè)具有一定的指導(dǎo)意義，為我國(guó)山區(qū)加筋土高邊坡的建設(shè)提供借鑒。

1 工程概況

1.1 機(jī)場(chǎng)概況

該機(jī)場(chǎng)位于某市西南部、水閣工業(yè)園區(qū)南側(cè)的區(qū)域，北接新建的工業(yè)園區(qū)，緊鄰省道公路和高速公路，距市中心直線距離約15 km（圖1）。機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)等級(jí)為4C，跑道長(zhǎng)2 800 m，機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)高為159 m。研究區(qū)位于跑道西側(cè)的高填方邊坡處，填方體最大填方高度約為80 m。

圖1 研究點(diǎn)衛(wèi)星地圖示意圖Fig.1 Satellite map of the research site

1.2 研究區(qū)地形地質(zhì)條件

機(jī)場(chǎng)場(chǎng)址區(qū)位于白堊紀(jì)斷陷盆地邊緣，地貌為低山丘陵與山麓溝谷，地形起伏變化較大，總體地勢(shì)呈南高北低、西高東低狀。根據(jù)機(jī)場(chǎng)詳細(xì)勘察報(bào)告，高填方邊坡區(qū)域的主要地層從上至下依次為：①?gòu)?qiáng)風(fēng)化粉砂巖層，厚0.8～2 m，碎石土狀，遇水易軟化，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，呈碎裂結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面呈不規(guī)則狀，巖石強(qiáng)度普遍較低；②中風(fēng)化粉砂巖層，粉砂狀結(jié)構(gòu)，鈣質(zhì)、泥灰質(zhì)膠結(jié)，局部含角礫，中厚—厚層狀構(gòu)造，節(jié)理較發(fā)育，屬較完整—較破碎巖體，巖質(zhì)較硬，工程性能好。

2 高填方邊坡加固方案分析

2.1 高填方邊坡典型剖面

選取研究區(qū)的6#高填方邊坡作為研究對(duì)象（圖2）。填方邊坡坡腳緊鄰省道公路，坡頂?shù)狡履_水平距離160～210 m，坡頂?shù)狡履_最大高度約80 m，該段邊坡原始坡面較陡，地形坡度30°～45°，如邊坡按坡率1∶2.5 自然放坡，坡腳線將跨過(guò)省道公路，故需對(duì)該邊坡進(jìn)行收坡處理，將坡率調(diào)整為1∶1.5 后可以滿足地形紅線要求。選取該6#邊坡的K0+060 典型斷面作為計(jì)算剖面（圖3）。坡率為1∶1.5 的填方邊坡經(jīng)穩(wěn)定性分析驗(yàn)算發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定系數(shù)只有0.90，不滿足民用機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，必須對(duì)邊坡進(jìn)行加固以提高其穩(wěn)定性。

圖2 6#填方邊坡示意圖Fig.2 Satellite map of the NO.6 filled slope

圖3 高填方邊坡K0+060 斷面圖Fig.3 K0+060 section of the high filled slope

2.2 巖土體及加筋材料物理力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)機(jī)場(chǎng)詳細(xì)勘察資料，該填方邊坡的基巖有強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖層和中風(fēng)化粉砂巖層，其中強(qiáng)風(fēng)化層厚小，強(qiáng)度低，中風(fēng)化層埋深厚度大，巖體穩(wěn)定性好，建議在填方邊坡施工建設(shè)時(shí)將強(qiáng)風(fēng)化層挖除，保證填方邊坡的穩(wěn)定性。因此模型計(jì)算時(shí)將基巖簡(jiǎn)化為中風(fēng)化粉砂巖，填筑體為碎石土，根據(jù)詳勘報(bào)告得到各土層的巖土參數(shù)取值見(jiàn)表1。加筋材料選用2 種單向土工格柵，極限抗拉強(qiáng)度分別不小于137 kN/m（下文稱“C 型格柵”）和200 kN/m（下文稱“D 型格柵”）。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值Table 1 Calculation parameters of the slope soil layer

2.3 加筋土邊坡加固方案

為了充分研究該機(jī)場(chǎng)加筋土高邊坡的優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)邊坡地形情況設(shè)計(jì)了3 種不同坡率的加筋土邊坡加固方案（圖4）。方案一為加筋土緩坡，邊坡高度78 m，每級(jí)坡率為1∶1.5，上方50 m 的邊坡采用C 型格柵，其余各級(jí)邊坡采用D 型格柵，主筋的加筋間距為2 m，加筋長(zhǎng)度20～50 m，在主筋之間布置長(zhǎng)度為10 m 的次筋進(jìn)一步保護(hù)邊坡坡面。坡頂為機(jī)場(chǎng)巡場(chǎng)道路，故坡頂5 層筋材長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為30 m，減小坡頂?shù)牟痪鶆虺两?。方案二為加筋土陡坡，每?jí)坡率為1∶1.0，可以利用原地形地勢(shì)條件，減小放坡距離，這樣邊坡最大坡高減小為50 m，填方量減少，加筋邊坡的筋材選用D 型格柵，加筋間距1 m，筋材長(zhǎng)度30 m。方案三為加筋土擋墻，每級(jí)坡率為1∶0.25，該方案可以將邊坡坡高減小為40 m，填方量極大地減少，但是由于筋材鋪設(shè)長(zhǎng)度受限，需要對(duì)原邊坡進(jìn)行部分開(kāi)挖處理。加筋土擋墻的筋材選用D 型格柵，加筋間距0.5 m，筋材長(zhǎng)度10～20 m。

圖4 設(shè)計(jì)方案示意圖Fig.4 Schematic diagram of the design schemes

3 計(jì)算工況及穩(wěn)定性分析

3.1 計(jì)算工況

根據(jù)《民用機(jī)場(chǎng)巖土工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[16]，邊坡穩(wěn)定性分析需驗(yàn)算在天然工況、暴雨工況和地震工況下的穩(wěn)定系數(shù)。根據(jù)該地區(qū)氣象站測(cè)得數(shù)據(jù)推算，研究區(qū)域年平均降水量1 432.6 mm，月平均雨日高于15 d 的為3—6月，3—6月平均總雨量占全年平均降水量的49.7%。由于降水量大，需要考慮邊坡的地表水入滲問(wèn)題。根據(jù)劉杰等[17]的研究成果，在暴雨工況下邊坡的降雨入滲深度為3 m。在地震工況下，抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，考慮機(jī)場(chǎng)工程的重要性，宜提高1 度設(shè)計(jì)，按Ⅶ度考慮。設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，地震特征周期為0.35 s。此外，研究區(qū)內(nèi)地下水埋深較大，地下水補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水。由于邊坡區(qū)填方料為碎石土，透水性較好，降水對(duì)地下水的影響較小，故暫不考慮地下水抬升對(duì)加筋土邊坡穩(wěn)定性的影響。由于本文所涉分析區(qū)域基巖為中風(fēng)化粉砂巖，巖體工程性能好，且填方體與基巖的剛度差別較大，參考已有相近工況的研究[3,5,13]，不考慮基巖的層理與節(jié)理構(gòu)造對(duì)填方邊坡的影響。

3.2 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

利用ReSSA3.0 和Geo-Studio 軟件，分別采用簡(jiǎn)化Bishop 法、Spencer 楔形體法和Morgenstern-Price 法對(duì)加筋土邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。簡(jiǎn)化Bishop 法是目前工程中應(yīng)用最廣泛的一種非嚴(yán)格條分法，簡(jiǎn)化Bishop法沒(méi)有考慮條塊間豎向剪力的作用，且忽略了每一條塊的力矩平衡條件，因此大大簡(jiǎn)化了求解計(jì)算量，Spencer楔形體法和Morgenstern-Price 法（簡(jiǎn)稱M-P 法）均需嚴(yán)格滿足力和力矩的平衡條件，這兩種方法可搜索出更加符合實(shí)際情況的邊坡非圓弧最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，計(jì)算結(jié)果更具合理性[18]。加筋土高邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果參考值見(jiàn)表2。

表2 穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果值Table 2 Calculation results of the stability factor

根據(jù)《民用機(jī)場(chǎng)巖土工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[16]，邊坡安全系數(shù)在天然工況下取1.30、暴雨工況下取1.20 和地震工況下取1.10。由表2 的穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果可知，3 種設(shè)計(jì)方案均符合安全系數(shù)要求。其中加筋土陡坡的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算值略大于加筋土緩坡的穩(wěn)定系數(shù)，加筋土擋墻的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算值最小，而且地震對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響遠(yuǎn)大于暴雨的影響。另外，采用M-P 法計(jì)算的穩(wěn)定系數(shù)均大于簡(jiǎn)化Bishop 法和Spencer 楔形體法。

4 變形特征及軸力分布有限元分析

4.1 模型概況

采用PLAXIS2D軟件對(duì)邊坡進(jìn)行變形特征分析，各滑體及基巖材料均視為彈塑性材料，服從莫爾－庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則，巖土體采用莫爾－庫(kù)侖本構(gòu)模型，巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。土工格柵采用軟件內(nèi)置的土工格柵單元進(jìn)行模擬，筋土界面采用接觸面進(jìn)行模擬，強(qiáng)度折減系數(shù)Rinter取0.8，擋墻柔性面板采用板結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬。坡頂離臨空面5 m 處有1 條機(jī)場(chǎng)巡場(chǎng)道路，路面寬3.5 m，模型中采用板單元模擬瀝青路面，施加20 kPa 均布荷載等效為交通荷載。各結(jié)構(gòu)單元材料具體參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 各結(jié)構(gòu)單元材料的模型參數(shù)表Table 3 Structural parameters of each element

模型示意圖如圖5，為了減小邊界條件對(duì)土體內(nèi)部應(yīng)力的影響，取邊坡兩側(cè)伸展各50 m 作為橫向邊界，下方基巖中風(fēng)化粉砂巖強(qiáng)度較填筑體大，潛在滑面不會(huì)出現(xiàn)在基巖內(nèi)部，且變形較小，故取向下伸展20 m 作為底邊界。對(duì)該模型的底部設(shè)置完全固定邊界條件，左邊界和右邊界施加水平約束。采用自由網(wǎng)絡(luò)劃分法進(jìn)行劃分，其中網(wǎng)格類型為四邊形或三角形，對(duì)邊坡中易出現(xiàn)應(yīng)力集中的坡腳進(jìn)行局部細(xì)化，剖面共劃分2 436 個(gè)單元及19 923 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖5 K0+060 斷面有限元分析模型Fig.5 Graphical representation of the finite element analysis model for K0+060 section

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

基于有限元分析，通過(guò)對(duì)K0+060 斷面3 種不同坡率的加固設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了工作性能研究，進(jìn)而對(duì)3 種方案的邊坡體位移變形、穩(wěn)定性、筋材軸力以及工程量等方面分別做出分析和評(píng)價(jià)。

4.2.1 不同加固設(shè)計(jì)方案的邊坡變形情況

通過(guò)有限元計(jì)算得到的邊坡位移情況如圖6所示，通過(guò)對(duì)比3 種加固設(shè)計(jì)方案的X 方向和Y 方向的總位移圖發(fā)現(xiàn)，加筋土緩坡、加筋土陡坡和加筋土擋墻的最大水平位移和最大豎向沉降均發(fā)生在坡頂?shù)呐R空面位置，最大水平位移分別為153，223，192 mm，最大豎向沉降分別為208，301，257 mm。加筋能夠?qū)μ罘襟w起到加固作用，控制了填土的側(cè)向變形和豎向沉降。

圖6 不同加固設(shè)計(jì)方案的邊坡變形情況Fig.6 Deformation of slope in different design schemes

4.2.2 不同加固設(shè)計(jì)方案的邊坡穩(wěn)定性分析

圖7 為不同加固設(shè)計(jì)方案的邊坡偏應(yīng)變?cè)隽吭茍D，從圖7 可知，加筋土緩坡和加筋土陡坡的剪切帶大致位于填土區(qū)與原地形的界面處，可能發(fā)生軟弱界面滑移的風(fēng)險(xiǎn)；而加筋土擋墻在原坡面開(kāi)挖臺(tái)階，沒(méi)有明顯的剪切帶，說(shuō)明在原坡面開(kāi)挖臺(tái)階能降低填方體和基巖潛在軟弱面的影響，有效地控制邊坡剪切帶的發(fā)展。圖8 為不同加固方案的坡頂?shù)烂娉两登闆r，加筋土緩坡的道面沉降最小，平均為210 mm，加筋土擋墻的道面沉降量為225 mm，加筋土陡坡的道面沉降最大，達(dá)到275 mm，采用加筋土緩坡和擋墻的方案均能有效減小運(yùn)營(yíng)過(guò)程中道面的沉降。

圖7 不同加固設(shè)計(jì)方案的偏應(yīng)變?cè)隽糠植记闆rFig.7 Distribution of the strain deviation increment in different design schemes

圖8 不同加固設(shè)計(jì)方案的道路路面沉降情況Fig.8 Road surface settlement of different design schemes

4.2.3 不同加固設(shè)計(jì)方案的筋材軸力分布情況

不同加固設(shè)計(jì)方案中各層筋材軸力的分布規(guī)律如圖9所示。從筋材軸力的空間分布圖發(fā)現(xiàn)，加筋土緩坡的最大筋材軸力基本分布在靠近填土-基巖交界面一側(cè)，和圖7（a）中的潛在剪切帶相一致，進(jìn)一步說(shuō)明加筋土緩坡的設(shè)計(jì)方案存在填方體沿著填土-基巖交界面滑移的安全風(fēng)險(xiǎn)；加筋土陡坡的最大筋材軸力在邊坡坡腳附近分布在靠近臨空面一側(cè)，而在邊坡中上部分布在填土-基巖交界面一側(cè)，兩者近似于圓弧滑動(dòng)面的形態(tài)；加筋土擋墻的最大筋材軸力空間上分布近似為圓弧形滑動(dòng)面形態(tài)，經(jīng)過(guò)坡腳和臺(tái)階的轉(zhuǎn)角處。

圖9 不同加固設(shè)計(jì)方案中各層筋材軸力分布情況Fig.9 Distribution of the axial force of reinforcement in different design schemes

將各層最大筋材軸力沿垂直方向上建立最大筋材軸力垂直分布圖。可以看出，貼坡填筑的多級(jí)加筋土邊坡的各層最大筋材軸力沿著垂直方向呈現(xiàn)先增大再減小的鋸齒形變化趨勢(shì)，最大軸力主要分布在1/3 坡高附近，且最大筋材軸力在兩級(jí)邊坡相鄰的位置發(fā)生突變?cè)龃蟆５咏钔辆徠碌脑旅娴匦螐?fù)雜，該邊坡上部分近似于一個(gè)多級(jí)加筋土邊坡，從最大筋材軸力的垂直方向分布上看，基本滿足先增大再減小的鋸齒形變化趨勢(shì)。

4.2.4 不同加固設(shè)計(jì)方案的工程量對(duì)比

通過(guò)CAD 軟件統(tǒng)計(jì)3 種加固方案的填方量、挖方量、筋材使用量以及坡面防護(hù)面積等數(shù)據(jù)，結(jié)果如表4所示。與加筋土緩坡的設(shè)計(jì)方案相比，采用加筋土擋墻設(shè)計(jì)方案，坡高可以減少48.7%，邊坡體填方量減少73.7%，原始邊坡的挖方量減少62.7%，坡面防護(hù)面積減少69.1%，筋材使用量減少20.7%。結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)可知，采用加筋土擋墻設(shè)計(jì)方案，工程的總造價(jià)是最少的，而且工程量小，施工周期短，也能進(jìn)一步降低勞動(dòng)力成本。

表4 不同加固方案的工程量清單Table 4 Engineering inventory of different design schemes

5 結(jié)論

（1）采用土工格柵加筋土技術(shù)，根據(jù)地形條件設(shè)計(jì)的加筋土緩坡、加筋土陡坡和加筋土擋墻的設(shè)計(jì)方案在天然、暴雨以及地震工況下均能滿足邊坡穩(wěn)定性要求。

（2）3 種設(shè)計(jì)方案均呈現(xiàn)向臨空面滑移的變形模式，其中加筋土擋墻的設(shè)計(jì)方案對(duì)原地形進(jìn)行開(kāi)挖臺(tái)階，利用良好的基巖持力層分擔(dān)上部填土荷載，能夠較好地控制填方體的變形。

（3）貼坡填筑的分級(jí)加筋土高邊坡的筋材受力特點(diǎn)與傳統(tǒng)的單級(jí)邊坡不同。分級(jí)加筋土高邊坡的最大筋材軸力沿著豎向分布呈現(xiàn)先增大再減小的鋸齒形變化趨勢(shì)，最大筋材軸力在邊坡分級(jí)處發(fā)生突變，因此在山區(qū)復(fù)雜地形下貼坡填筑分級(jí)加筋土高邊坡的設(shè)計(jì)方法需要進(jìn)一步改善優(yōu)化。

（4）綜合考慮多種因素，采用加筋土擋墻設(shè)計(jì)方案能夠極大減小填筑體高度、填方量、挖方量以及坡面防護(hù)面積，并縮短施工工期，降低工程造價(jià)，因此在該機(jī)場(chǎng)6#高填方邊坡類似工況下，采用加筋土擋墻設(shè)計(jì)方案比貼坡分級(jí)加筋土高邊坡更合理。