山西吕梁民用机场高边坡稳定性分析与探讨

2013-11-06张立辉

山西建筑 2013年2期

张立辉

(山西省勘察设计研究院，山西太原 030013)

1 工程概述

山西吕梁民用机场场址位于吕梁市北部方山县大武镇西北木格塔墕村附近的黄土梁上。拟建机场地处晋西北黄土高原，本区属大陆性半干旱气候，四季分明，冬冷夏热，春季少雨，降雨多集中在7月份～9月份，地貌单元以侵蚀堆积黄土丘陵区为主。地形起伏大，存在大面积挖填方，最大填方达到82．4 m3，在其独特工程地质条件下，使得吕梁机场的边坡稳定性极为突出。

2 边坡稳定性分析与评价方法

边坡的稳定性分析主要依据GB 50330-2002建筑边坡工程技术规范;JTG D30-2004公路路基设计规范中的有关规定，根据现场调查的自然边坡现状及现场测量的边坡形态建立计算模型，抗剪强度指标在室内试验提供指标的基础上经反复验算并结合现有边坡存在的形态综合分析确定，坡体的重度采用室内试验指标。对自然边坡采用圆弧滑动法(瑞典条分法、简化Bishop法)计算边坡在自然状态和受水浸泡状态下的稳定性系数，此外，对场地挖填方后形成的人工边坡的稳定性进行分析和预测，对人工边坡采用圆弧滑动法(瑞典条分法、简化Bishop法)进行整体稳定性分析，同时当原地表斜坡陡于1∶2．5时，采用不平衡推力法验算滑坡及人工填土沿斜坡地基滑动的稳定性(斜坡地基表层的草甸层、季节性冻土层及局部塌滑土体按清除考虑)。填土所采用的岩土参数采用室内试验指标。

瑞典条分法稳定安全系数计算公式如下:

式中:Fs——稳定安全系数;

ci——第i计算条块滑动面上岩土体的粘聚力，kPa;

φi——第i计算条块滑动面上岩土体的摩擦角，(°);

li——第i计算条块滑动面长度，m;

θi——第 i计算条块地面倾角，(°);

Gi——第i计算条块单位宽度岩土体自重，kN/m;

Ni——第i计算条块滑块在滑动面法线上的反力，kN/m;

Ti——第i计算条块滑块在滑动面切线上的反力，kN/m;

Ri——第i计算条块滑块在滑动面上的抗滑力，kN/m。

简化Bishop法稳定安全系数计算公式如下:

式中:Wi——第i土条重力;

ai——第i土条底滑面的倾角;

Qi——第i土条垂直方向外力;

Ki——系数，根据土条滑弧所在位置选择以下公式计算。

当土条i滑弧位于地基中时:

式中:Wdi——第i土条地基部分的重力;

Wti——第i土条填土部分的重力;

bi——第 i土条宽度;

U——地基平均固结度，计算时取1;

cdi——第i土条滑弧所在地基土层的粘聚力;

φdi——第i土条滑弧所在地基土层的内摩擦角;

mai——系数。

由下式计算:

其中，φi为第i土条滑弧所在土层的内摩擦角，滑弧位于地基中时取地基土的内摩擦角，位于填土中时取填土的内摩擦角。

当土条i滑弧位于填土中时:

不平衡推力法稳定安全系数计算公式如下:

式中:WQi——第i土条的重力与外加竖向荷载之和;

ai-1，ai——第 i土条底滑面的倾角，(°);

ci——第i土条底的粘聚力，kPa;

φi——第 i土条底的内摩擦角，(°);

li——第i土条底滑面的长度，m;

Ei-1——第i-1土条传递给第i土条的下滑力;

Fs——稳定安全系数。

3 自然边坡稳定性分析评价

机场自然边坡均为近南北走向，以机场跑道中心为界分为东西边坡。根据钻探揭露的地层资料及地质调查结果，坡体地层主要为马兰黄土、离石黄土及第三系粘性土，土质较纯，岩性主要为粉土和粉质粘土，属于土质边坡。场地黄土冲沟发育，切割较深，沟谷两侧边坡较为陡峭，自然坡面表层分布的草甸层、季节性冻土层较为松散，孔隙较大，雨水易入渗，降雨时表层土体饱和后抗剪强度降低，加上冲沟边坡较为陡峭，造成冲沟两侧边坡表层普遍存在塌滑现象，边坡坡面稳定性较差。自然边坡表层的塌滑体一般较薄，大都小于2．0 m，容易处理，对机场边坡稳定性的影响不大。

本地区抗震设防烈度为6度，考虑到工程的重要性，稳定性计算时从不考虑地震力的影响和考虑地震力影响两个方面考虑，考虑地震力影响时，地震烈度提高1度按7度考虑，地震的水平地震系数KH=0．1，地震作用综合性系数取0．25，地震作用重要性系数取1．1。由于场地地处黄土地貌单元，边坡马兰黄土、离石黄土遇水后强度降低，因此，边坡稳定性计算时，边坡土体按天然含水量和饱和含水量两种状态考虑(见表1)。

表1 自然边坡稳定性计算参数表

采用不平衡推力法验算人工填土沿斜坡地基滑动的稳定性时，人工填土与斜坡地基接触面的抗剪强度采用人工填土与天然地基土抗剪强度之间的较小值。

根据计算结果可知，计算的自然边坡天然状态下均处于稳定状态，边坡土体处于饱水状态时多处于不稳定状态，一般的降雨不会造成整个边坡土体饱水，现有的科研资料表明，强降雨48 h，黄土边坡坡面入渗深度一般不会超过2．0 m，表层土体饱水后抗剪强度降低，加上动水压力的作用，容易发生滑塌，这与场地边坡表层普遍存在塌滑现象，而少见边坡整体失稳是吻合的(如图1所示)。

图1 代表性边坡饱水工况下最危险滑面形态

4 挖填方边坡稳定性评价

4．1 挖方边坡稳定性评价

按机场目前拟定的轴线和道面高程，机场挖方产生的人工边坡主要为位于机场跑道V160北侧，开挖地层主要为马兰黄土及离石黄土，开挖后的坡体以马兰黄土及离石黄土为主，为土质边坡，按设计单位提供的机场土方图挖方边坡坡度为1∶6．7(约8．5°)，很显然挖方边坡为稳定边坡。但由于黄土易受降水冲刷并产生滑塌，建议对挖方产生的人工边坡采用浆砌片石进行坡面防护，并做好截排水措施。

4．2 高填方边坡稳定性评价

场地经过挖填方后，地形地貌将发生较大的变化，现选择代表性高填方边坡进行整体稳定性分析和评价。稳定性计算时对压实填土采用了0．90，0．93，0．95三个不同压实度下分别对应的天然、饱和两种不同含水量条件下的抗剪强度指标。

边坡工程的稳定性的定量评价，必须有一个稳定安全标准，这个标准因工程规模和重要性不同而有所差别。根据GB 50330-2002建筑边坡工程技术规范第5．3．1条，所设计的边坡，对工程安全等级为一级的边坡工程(选择计算的边坡坡高均大于30 m，均为一级边坡)，圆弧滑动法(瑞典条分法)计算的稳定安全系数Fs应不小于1．30，根据 JTG D30-2004公路路基设计规范第3．6．8条，采用简化Bishop法计算的填土和地基的整体稳定安全系数Fs应不小于1．40，采用不平衡推力法计算的填土沿斜坡地基滑动的稳定安全系数Fs应不小于1．30。根据JTG D30-2004公路路基设计规范第3．7．4条，边坡在各种可能的不利因素(饱水状态下考虑地震力作用)影响下的稳定安全系数(简化Bishop法计算)应不小于 1．05。

通过对16个剖面高填方边坡的稳定性计算所得的稳定安全系数Fs值，在天然含水量状态下(计算方法为瑞典条分法、不考虑地震力)得出的 Fs为1．29，小于1．30，不能满足稳定要求;在天然含水量状态下(计算方法为简化Bishop法、不考虑地震力)得出的 Fs分别为 1．38，1．39 及 1．35，小于 1．40，不能满足稳定要求;在饱和含水量条件下(不考虑地震力)得出的填土沿斜坡地基滑动的稳定安全系数Fs介于1．21～1．24之间，小于1．30，不满足稳定要求。除上述不满足稳定要求的工况以外，其余工况均能满足稳定性要求。

就7度地震和边坡土体饱和这两个不利因素分别影响的程度而言，土体饱和影响程度较大，可降低稳定系数20%～30%;考虑地震力作用时间，可降低稳定系数7%左右。所以设置完善的防排水设施是必须的。