不同填筑方式黃土斜坡高填方變形演化規(guī)律研究

孫志杰，馮雪松，郭 輝

（1.山西省交通科技研發(fā)有限公司 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030032；2.呂梁機(jī)場(chǎng)有限責(zé)任公司，山西 呂梁 033000）

0 引言

黃土地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程中不可避免遇到大量的高填深挖工程，特別是復(fù)雜地形、地質(zhì)條件下的斜坡高填方問題是一直困擾工程技術(shù)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(wěn)定性兩個(gè)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(shí)度、壓實(shí)方法和填土速率等，故有必要開展填筑方式對(duì)高填方的影響研究。目前對(duì)黃土高填方的研究多集中在地基勘察處治[1-3]、沉降預(yù)測(cè)[4-5]及穩(wěn)定性分析[6-7]，而對(duì)不同填筑方式對(duì)變形影響的量化分析研究結(jié)果較少。

本文依托呂梁機(jī)場(chǎng)高填方邊坡，采用有限元軟件，選取代表性斷面進(jìn)行非線性數(shù)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(guī)律。為類似黃土高填方設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 工程概況

呂梁大武機(jī)場(chǎng)，位于山西省呂梁市方山縣大武鎮(zhèn)，距呂梁市區(qū)約20 km。在修建當(dāng)時(shí)是國內(nèi)施工難度最大、土方量最大、填方最多的支線機(jī)場(chǎng)。機(jī)場(chǎng)建設(shè)中，共搬12座山，填22條溝。

機(jī)場(chǎng)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(qū)內(nèi)地形起伏較大，沖溝發(fā)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(cè)坡度為45°～75°之間。

區(qū)內(nèi)地層由素填土（Q42m1）、第四系中更新統(tǒng)風(fēng)積相離石組黃土（Q2e01）、第三系上新統(tǒng)湖積相保德組粉質(zhì)黏土（N2b）、統(tǒng)本溪組砂頁巖（C2b）構(gòu)成。研究區(qū)段邊坡如圖1所示。

圖1 呂梁機(jī)場(chǎng)高填方邊坡

2 高填方邊坡模型建立

2.1 地層參數(shù)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(cè)高度110 m，右側(cè)高度60 m，坡高50 m。原基地土體參數(shù)從上至下簡(jiǎn)化為5層，見表1地層名稱列。高填方邊坡二維有限元網(wǎng)格劃分圖如圖2所示，采用Midas GTS建模分析。模型材料參數(shù)取自《呂梁機(jī)場(chǎng)地基處理及土方工程試驗(yàn)段巖土工程勘察報(bào)告》試驗(yàn)結(jié)果，見表1。

圖2 對(duì)比工況模型

表1 地層材料參數(shù)表

同時(shí)該次分析對(duì)加筋工況進(jìn)行了模擬，加筋材料選用土工格柵，基本參數(shù)見表2。

表2 格柵材料參數(shù)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(cè)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(duì)邊坡變形影響，將一次填筑作為對(duì)比工況，共進(jìn)行以下工況模擬：

a）對(duì)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(jié)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(guī)律不同。一次填筑的最大豎向位移發(fā)生在坡頂靠近臨空面部位，且隨著向坡體內(nèi)部距離的增大而逐漸減?。环謱犹钪畲笪灰瓢l(fā)生在地基頂部一定深度范圍內(nèi)。從受力來看，相當(dāng)于后期填筑土體作為荷載施加在前期填筑的土體上，導(dǎo)致前期填筑土體發(fā)生了較大的形變量。

高填方邊坡的側(cè)向變形關(guān)系邊坡的整體穩(wěn)定性，為深入分析水平位移規(guī)律提取坡面節(jié)點(diǎn)水平位移值，繪制坡面節(jié)點(diǎn)水平位移沿水平方向分布曲線，如圖7所示，左側(cè)為坡腳。

圖7 坡面節(jié)點(diǎn)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(fā)生在坡腳范圍內(nèi)，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(shí)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(duì)地基側(cè)向變形的影響規(guī)律，提取地基表面節(jié)點(diǎn)水平位移進(jìn)行分析，如圖8所示，右側(cè)為靠近坡腳側(cè)。

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(nèi)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(shì)。

4 格柵加筋模擬結(jié)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(biāo)0為坡頂處，向左為正，見圖2中標(biāo)注。

從圖9可看出，坡頂最大位移發(fā)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(biāo)0為坡腳處，向左為正，見圖2中標(biāo)注。

圖10 坡表水平位移

從圖10可看出，坡面最大位移發(fā)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(jié)語

依托呂梁機(jī)場(chǎng)高填方邊坡工程，采用數(shù)值分析方法，對(duì)不同填筑手段下邊坡的變形演化規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比分析，研究表明：

a）采用數(shù)值分析與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的手段，可以很好地指導(dǎo)施工，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，保證邊坡施工安全。

b）高填方邊坡變形規(guī)律受填筑方式影響，一次填筑最大變形發(fā)生在坡頂，分層填筑坡體最大變形發(fā)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(jié)合土工格柵加筋材料的使用，可減小坡體變形，增強(qiáng)填方體的整體穩(wěn)定性。