泥炭土地基上人工填土三维边坡稳定性分析

史铁勇

（大连长兴岛经济技术开发区管委会，辽宁 大连 116317）

0 引言

边坡工程是工程界最常见的工程类型之一，一般需要面对的边坡类型主要有自然边坡，开挖放坡和堆积边坡。其中自然边坡和开挖放坡都需要面对非常复杂的土层问题，而堆积边坡一般都材料单一，但其结构比较松散，外界扰动对其安全性影响较大。

对于土质边坡分析，设计计算中多采用二维的解析计算公式，如各种极限平衡方法，应用时其受限于滑动方向必须与坡向一致。但是三维数值方法有非常好的适应性，尤其是三维有限元强度折减法已经成功应用于国内外边坡工程分析中[1-2]，其三维分析的优越性已从多个角度论证过[3-4]。孙聪等[5]在三维强度折减法分析边坡稳定时，考虑了土体的软化特性，并从理论上阐述了地质条件复杂时最好采用三维边坡稳定性分析。分析土坡稳定性时，三维强度折减法也被成功应用过多次[6-8]，且可适应铁路[9]、水利[10]、公路[11]等领域的边坡分析，其准确性与理论值也与精确解接近[12-13]。采用三维强度折减法时，其安全系数取值方法主要有3 种：塑性面贯通、位移突变和计算不收敛。本文依托某机场泥炭土地基上填土边坡为研究对象，采用三维有限元强度折减法分析其安全性。

1 工程概况

某机场工程位于热带雨林中，地质条件复杂，大多区域覆盖深厚湖沼相泥炭土层。该机场飞行区目前拥有2 条跑道，主跑道专用于起降国际航班，次跑道用于起降小型飞机。为能满足波音747-400 等大型客机的起降，本次工程计划将新跑道延长1 090 m，其中东北端延伸710 m，西南端延伸840 m，见图1。

图1 某机场扩建工程Fig.1 An airport expansion project

本工程跑道两端安全区地基处理形式为竖向排水通道+堆载预压的处理，具体步骤：

1）清除上部泥炭土。

2）回填砂到+2.5 m。

3）中间区域打设正三角形分布的排水板，间距0.9 m；外部斜坡区采用排水板+10%置换率砂桩处理（砂桩间距2.24 m，4 根砂桩中心打设排水板）。

4）分层堆载中细砂（东北端回填至+18.5 m，西南端回填至+27.0 m）。

本工程跑道西南端5 月份施工情况如下：

1） 2017年5 月16—28 日，西南端从R0-700 沿11 m 平台右侧边缘往安全区端头区域，分3 层回填，回填前平均标高约+9 m，回填后平均标高约+11 m，总计回填量约31 000 m3，日回填量约2 200 m3。 具体回填示意图见图1 中A 区。

2）2017年5 月18 日—6 月1 日，从安全区端头沿11 m 平台边缘往小桩号方向，分3 层回填，回填前平均标高约+8.5～+9.0 m，回填后平均标高约+10.6 m，总计回填量约22 000 m3，日回填量约1 700 m3。具体回填示意图见图1 中B 区。

3）2017年5 月23 日—6 月1 日，从跑道端头区域往小桩号，分3 层回填，回填前平均标高约+9.5～+10.5 m，回填后平均标高约+11.5 m，总计回填量约26 000 m3，日回填量约2 600 m3。具体回填示意图见图1 中C 区。

2017年5 月27 日—6 月1 日机场施工区域出现连续降雨，造成施工区域周边大量积水无法排出，2017年6 月2 日凌晨跑道西南安全区西南角发生大面积滑移。其中跑道西南安全区总面积约79 690 m2，滑移区域面积约27 144 m2，滑移区域占跑道西南安全区总面积的34%。滑移后现场航拍照片见图2。

图2 跑道西南安全区滑移区域航拍图Fig.2 Aerial photo of sliding area in southwest safety zone of runway

2 滑坡现场调查

滑坡是不利因素耦合积累，最终被某种诱发因素激发产生失稳滑动的一种地质灾害现象。

2.1 地质条件

本工程西南端安全区施工时先清除表层泥炭土，然后回填中粗砂进行后续地基处理工程。

泥炭质土是一种不同于淤泥和淤泥质土的特殊土，由于特殊的地质构造条件和气候环境及茂密的水生植被，在长期积水和缺氧情况下，大量分解不充分的植物残体积累并形成的土壤，具有含水量高、强度低、塑性指数高、灵敏度高、压缩性大等特点，而且不同区域的泥炭质土有机质降解程度和成因不同，其物理力学性质均有不同，因此泥炭土具有典型的区域特性[14]。

本工程泥炭质土含水量91.6%，塑性指数42.1，十字板抗剪强度4.3 kPa，固结快剪试验黏聚力c为9.9 kPa，内摩擦角φ 为6.7°。该土层的物理力学性质极为特殊，在国内外工程建设中很少遇到，其中土体塑性指数高达42.1，说明土体内黏粒和胶粒含量极高，导致固结快剪内摩擦角φ 值仅为6.7°。在堆载预压过程中土体抗剪强度增长极为有限，同时高塑性土灵敏度极高，在受扰动的情况下强度易出现降低的现象，对工程建设产生不利的影响。具体土层计算参数见表1。

表1 计算参数取值表Table 1 Calculation parameter value table

2.2 大强度连续降雨

该地每年的5—7 月为雨季，自2017年5 月初现场出现连续强降雨，雨水从现场堆载砂顶部不断渗入，导致地下水位不断上升，滑坡体地基土体内超静孔隙水压力不断上升，造成土体有效抗剪强度不断降低，地基出现软化现象。其中周边监测仪器特别是深层土体侧向位移观测埋设的测斜管周边出现冒水冒砂的现象，2017年5 月24日—6 月1 日几次大雨后尤其明显，2017年6 月2 日凌晨跑道西南延伸区出现滑坡。

强降雨可以在短时间内造成地下水位的大幅变化，改变土体的静水压力、动水压力和浮托力，进而可以对坡体产生力学效应而失稳。强降雨产生的地表水持续沿堆载体顶面下渗，使得泥炭质土层超静孔隙水压力不断增长，受到动水压力的作用，高塑性的泥炭质土颗粒间距增大而使分子吸引力的强度不断衰减，从而导致泥炭质土层黏聚力和内摩擦角明显降低，同时由于水的浮托作用，地基有效应力减小，引起土体的抗剪强度减小，最终使得坡体抗滑稳定系数减小，诱发跑道西南端边坡发生局部滑动。

由图2 航拍照片可以看出，滑坡体在跑道西南端下部外侧形成主滑动面，在主滑动面形成过程中再次形成后续牵引滑动面，本次西南端滑坡主滑动面滑动面积和后续牵引滑动面基本相当。

综上所述，本次跑道西南端滑坡由工程的不良地质条件和大强度连续降雨引起，其中大强度连续降雨是诱发滑坡的重要因素。

3 有限元分析

3.1 有限元模型

原始场地尺寸长宽高分别取400 m、500 m、80 m，原始场地土体分为4 层，从上往下厚度依次为5 m，12 m，2.4 m 和60.6 m；顶部填土分为5 层，填土从底至顶高度分别为2.28 m，2.0 m，5.0 m，5.0 m 和10.86 m。每层填土都形成一个边坡，并且每层填土都有台阶，填土的地表两侧有一定的坡度，有限元模型如图3 所示。

64 979个单元，C3D8，六面体8 节点单元，尽管这种线性单元不如二阶单元精确，但对于本工程，其精度也可满足要求，并降低计算量。为研究边坡不同位置的变形特点，取边坡中部侧向断面中的坡脚、坡中、坡顶和坡内A、B、C 和D作为观察点，其中D 点位于塑性区与坡面之间，如图3 所示。

图3 有限元模型示意图Fig.3 Schematic diagram of finite element model

3.2 计算参数及边界

模型采用摩尔库伦准则，不考虑地下水位变化的影响，计算参数取值如表1 所示。

模型底面为固定约束，四周土体采用法向约束。计算包含7个步骤，分别如下：

1）原始场地地应力平衡；

2）填第1 层土，高度2.28 m；

3）填第2 层土，高度2.0 m；

4）填第3 层土，高度5.0 m；

5）填第4 层土，高度5.0 m；

6）填第5 层土，高度10.86 m；

7）进行强度折减计算，直至计算到不收敛停止计算。

4 计算结果及分析

模型计算结果如图4 所示。

图4 边坡位移云图Fig.4 Nephogram of slope displacement

由图4 可知，边坡失稳时地表处在第5 级填土向坡底位移逐渐减小。位于特征点A 处（A 点位置见图3）的累计位移较大，是因为在边坡内部靠近泥炭质土和淤泥层处发生较大的滑移。对比现场滑坡范围（见图2）和模拟结果（见图4）可知，滑坡最大位置和滑坡范围基本一致，主滑方向也基本一致。

图5 为边坡滑移时特征点所在断面塑性应变云图，由图5 中的塑性区的位置和范围可知，在填土后，填土边坡底部的原始泥炭质土和淤泥层首先发生了塑性破坏，其原因是顶部填土荷载较大，地基土受剪切；随后塑性区开始扩大，向坡顶和坡底扩展。故本边坡的破坏区域应分为3 段：抗滑段，主滑段和牵引段。抗滑段约52 m，主滑段约60 m，牵引段约67 m。

图5 边坡滑移时特征点所在断面塑性应变云图Fig.5 Plastic strain nephogram of the section where characteristic points are located during slope slipping

图6 为特征点A、B、C、D 边坡安全系数关系曲线。在相同的安全系数下，位于边坡内部靠近原始的泥炭质土层处的D 点位移最大，其次是边坡表层中部的B 点，这两点的数据说明最先破坏的是位于边坡内部靠近原始的泥炭质土层处的D 点，然后是边坡表层中部的B 点；位于坡脚的A 点和坡顶的C 点二者位移较小，进一步验证了本边坡的滑移范围分3 段的特点。坡顶为牵引段，中部为主滑段，底部为抗滑段。

图6 边坡安全系数与位移曲线Fig.6 Slope Safety Factor and Displacement Curve

5 结语

本文通过对某机场扩建的三维边坡进行实际资料分析，确定了该工程边坡的破坏原因为施工和降雨导致原地层的泥炭质土和淤泥强度降低。通过数值计算分析，首先确定了滑坡体的范围，地表范围与实际基本吻合，且边坡的破坏区域分为3 段：抗滑段，主滑段和牵引段，其中主滑段约60 m，抗滑段和牵引段分别约为52 m 和67 m。边坡滑移首先破坏位于边坡中部的泥炭质土和淤泥层，随后塑性区向坡顶和坡底扩展。按照单位步长位移倍率突变判据得到边坡的安全系数为1.6，但是各点的位移差别较大在0.3～1.95 m 之间。从安全系数角度来说，该工程的安全系数推荐值为1.45，对应位移值为0.55 m；从工程角度来说，位移0.55 m 时，已经影响工程应用，为不影响工程应用，可能其安全系数会继续降低。