西南某山区机场高填方边坡稳定性研究

侯俊伟，唐秋元，李杨秋，马新岩

(1.中煤科工集团重庆设计研究院有限公司，重庆 400042；2.中国民航机场建设集团，北京100101)

西南某山区机场高填方边坡稳定性研究

侯俊伟1，唐秋元1，李杨秋1，马新岩2

(1.中煤科工集团重庆设计研究院有限公司，重庆 400042；2.中国民航机场建设集团，北京100101)

以西南某机场高填方边坡为例，研究顺坡填筑砂泥岩碎块石土高填方边坡工程的稳定性。通过选取试验段场地进行大型直剪试验获得岩土体抗剪强度指标，用有限元强度折减法模拟分析高填方边坡变形失稳机制。结果表明：粉质黏土层作为高填方边坡地基的软弱夹层，若不处理将会显著降低高填方边坡的稳定性；随着砂泥岩碎块石土填料中细粒物质的逐渐下渗，在填筑体下部与稳定基岩之间会形成具有一定厚度的滞水层，其抗剪强度明显低于填筑体；通过基底开挖台阶的方法可以改变滞水层在滑面上的分布，随着开挖台阶高度的增大，边坡潜在滑面通过滞水层的范围减小，边坡稳定性系数增大；选取恰当的坡型可降低边坡整体失稳的可能性。

岩土工程；高填方边坡；稳定性研究；碎块石土；直剪试验；有限元强度折减法；滞水层

0 引 言

随着我国西部大开发战略的实施，西南地区机场建设进入快速发展阶段。这些机场多建设在地形地貌复杂的山区，为满足场地和净空条件，经常需要深挖高填。在土方填筑过程中，常常会遇到顺坡填筑的形式。顺坡填筑边坡和水平填筑边坡相比较稳定性更差，若处理不当易引发工程事故。因此顺坡填筑高填方边坡的稳定性问题成为机场建设工程中亟待解决的技术难题。

高填方边坡稳定分析结果的可靠性常常取决于抗剪强度指标的选择是否合理，以往研究成果中抗剪指标大多来自模型试验或工程经验。冯文凯等[1]对斜坡填筑路堤的变形破坏进行物理模拟，得出边坡填筑体坡脚是最易破坏的薄弱位置。随着下伏基岩坡度增大，填筑体应力集中程度、变形破坏等都明显增强。徐光明等[2]应用离心模型试验对基岩面存在软弱夹层的边坡稳定性和破坏模式进行了详细研究，同时利用极限平衡法对试验结果进行了分析。蒋鑫等[3]基于有限元强度折减法，研究了随着填筑施工的进行，斜坡软弱地基填方工程稳定性的变化情况，比较了水平软弱地基填方工程与斜坡软弱地基填方工程的区别。黄世武等[4]通过对某段高速公路路堤失稳破坏调查，总结出3种路堤填方的破坏模式，采用有限元强度折减法对路堤的破坏模式进行模拟分析，研究了路堤破坏的原因。黄佳昕[5]结合昆明新机场软弱斜坡地基上的填方工程，讨论了不同填筑扩展范围对填筑体坡度的要求，提出顺坡填筑时临界填筑宽度和最大填筑坡度的概念，并对其变化规律进行了分析讨论。

目前对高填方边坡治理中，关于基底造型和坡面坡型优化设计方面的研究较少。笔者以某顺坡填筑高填方边坡为例，基于试验段场地大型直剪试验获得岩土体抗剪强度指标，用有限元强度折减法模拟分析了砂泥岩碎块石土作为填料的高填方边坡变形失稳机制，为高填方边坡的优化设计提供理论依据和指导。

1 工程概况及地质条件

为满足航空客货运物流业务迅猛增长的需要，西南某机场将新建一条飞行跑道，新建跑道长3 800 m，宽60 m。跑道西侧设置两条平行滑行道，平行滑行道与新跑道之间设置6条快滑道。新建跑道将穿越地形地貌复杂的山区，需要挖山填壑来解决工程建设用地问题。

按照设计方案在新建跑道东南侧将形成长约3.2 km的高填方边坡区，填方边坡最大高度约135 m，填方高度之大目前国内外鲜有。拟建高填方边坡场区位于构造剥蚀浅丘冲沟地貌区，地势起伏较大，坡面高低不平，切割发育，局部下切较深，形成冲沟地貌。地面高程在235.70～426.41 m之间，整个场地范围内最大高差190.71 m。场区工程地质平面如图1。

图1 工程地质平面Fig.1 Engineering geological plane

图2 工程地质典型剖面Fig.2 Typical engineering geological profile

2 边坡岩土体参数

准确获取岩土体抗剪强度参数是高填方边坡稳定性分析与治理工程设计的关键[6]，治理前选取试验段场地进行了大量的试验测试工作，试验测试所得岩土体参数将作为高填方边坡设计的依据。

2.1 填筑体参数

边坡填筑体材料就近选择挖方区砂泥岩碎块石土。对少量超粒径的石料，采取破碎锤进行破碎，粒径满足要求后将砂泥岩碎块石按一定比例分层碾压(或强夯)回填。为了获取填筑体抗剪强度参数，选取前期试验段场地5组经分层碾压(或强夯)后的砂泥岩碎块石土填筑体进行大面积直剪试验，其中2组为天然含水状态，3组为饱和状态。每组试验试件的数量为5个，部分现场作业照见图3。

图3 现场填筑体直剪试验Fig.3 Direct shear strength test of filling body on site

直剪试验的试件加工成立方体，边长及高度为50 cm。试件间距不小于试件边长的1.5倍，所有试件制备时试件间距未产生不良应力影响，每组试验最大法向应力采用600 kPa，分别按120，240，360，480，600 kPa施加，每级荷载分4～6次等量施加。每加一次法向荷载间隔5 min测读一次法向变形，当连续两次法向变形读数差不超过0.01 mm时，开始施加剪切荷载。剪切荷载按预估最大剪切荷载的8%(或10%)分级匀速施加，控制法向应力保持不变，根据剪切变形增加速度测读剪切位移及剪切荷载，直至试件剪断为止。测读剪切荷载峰值及剪切位移，然后将剪切荷载分2～3级卸荷至0。

根据试验结果绘制各法向应力下的法向应力-剪应力关系曲线及剪应力-剪切位移关系曲线，按库伦-奈维表达式确定相应的强度参数见表1。根据统计结果，得到砂泥岩碎块石土填筑体天然抗剪强度指标：c=8.6 kPa，φ=29.88°；饱和状态抗剪强度指标：c=5.93 kPa，φ=23.49°。

表1 填筑体直剪试验成果表

Table 1 Direct shear strength test results of filling body

试点编号试件数量n含水状态c/kPaφ/(°)DJ15天然8.3029.53DJ25天然8.9030.22DJ35饱和6.3025.32DJ45饱和5.5023.27DJ55饱和6.0021.88

2.2 粉质黏土参数

选取场地内24件坡残积层粉质黏土进行了室内土常规试验、饱和剪切试验。得到粉质黏土天然抗剪强度指标：c=21.87 kPa，φ=11.90°；饱和抗剪强度指标：c=13.93 kPa，φ=7.84°。

2.3 岩体参数

场地内强风化砂质泥岩和砂岩网状风化裂隙发育，岩体呈散体结构，勘察钻探岩芯多呈碎块状～块状，岩质较软，岩体较破碎。强风化岩石的强度参数也是影响高填方边坡稳定性的重要因素，因此在试验段原始斜坡地貌区选取裂隙相对较发育的5组强风化砂质泥岩进行大面积剪切试验。直剪试验部分现场作业照如图4。得到试验成果见表2。根据统计结果，得到场地内强风化砂质泥岩饱和状态抗剪强度指标：c=31.48 kPa，φ=28.80°。

图4 现场强风化岩石直剪试验Fig.4 Direct shear strength test of strongly-weathered rock on site

试点编号试件数量n含水状态c/kPaφ/(°)DJ65饱和31.9030.28DJ75饱和28.5029.45DJ85饱和32.5025.77DJ95饱和39.3030.93DJ105饱和25.2027.59

3 数值计算模型

MIDAS/GTS是由MIDAS IT结构软件公司开发的岩土与隧道结构专业的有限元分析计算软件，能够模拟复杂的工程地质条件，有较强的适用性。本工程以MIDAS/GTS数值分析软件为基础，建立有限元计算模型，通过有限元强度折减法(SRM)分析高填方边坡的变形和稳定性问题[7-9]，为高填方边坡的优化设计提供理论依据和指导。

计算模型简化为平面应变问题[10]。经约束后两侧水平位移为0，底部竖向位移为0。岩土体采用Mohr-Coulomb准则，初始按自重应力场考虑，建立的有限元分析模型见图5。

图5 数值计算模型Fig.5 Numerical calculation model

数值计算模型中未区分不同岩性。从安全角度考虑强、中风化岩石物理力学参数取砂质泥岩参数。数值计算工况为饱和工况。坡顶新建跑道平整区地面按照均布荷载10 kPa计算。边坡物理力学参数及材料特性取值见表3。

表3 边坡计算物理力学参数

4 治理方案比选

4.1 方案1

方案1为不清除原始斜坡地貌粉质黏土层。砂泥岩碎块石土填筑完成后，按照强度折减有限元法计算得到的稳定性系数为0.56。图6(a)为极限状态时高填方边坡位移云图，图6(b)为极限状态时最大剪切应变云图。

图6 极限状态时的位移及最大剪切应变(方案1)

从图6可见，在极限状态下边坡主要沿原始地貌粉质黏土层产生滑移破坏，边坡在中部临空面处位移最大。根据极限平衡法计算得到稳定性系数为0.58，比强度折减法结果略大。两种计算结果均不能满足一级填方边坡稳定安全系数的要求。粉质黏土层作为软弱滑面，成为控制高填方边坡稳定性的关键因素。由于场地粉质黏土层厚度不大，应开挖处理。

4.2 方案2

填方边坡潜在滑移面往往是原始斜坡地面，因此可重点对原始斜坡地面进行预处理，以提高边坡稳定性。方案2为清除原始地面粉质黏土层，料源挖方区砂泥岩碎块石土作为填料直接填筑到强风化岩层上。

据区域工程地质经验，场地内泥岩透水性较差，且与砂岩呈互层分布，砂岩透水性相对于填筑体差，所以在填筑完成后，地表水经填筑体下渗遇到基岩会受阻，在填筑体基底面形成具有一定厚度的饱和土层，即滞水层[11]。滞水层内的泥岩在水的长期浸润下容易软化、风化，使填筑体抗剪强度降低。同时由于砂泥岩碎块石土内部有架空现象，在长期地表水渗流过程中会使细粒物质下渗，沉积到滞水层形成细颗粒土层，细粒土层会进一步降低填筑体抗剪强度。所以计算时必须考虑滞水层对高填方边坡稳定性的不利影响。

在数值计算时，将滞水层按照具有一定厚度平面应变单元进行计算，滞水层厚度一般与填筑体、基底透水性质及基底坡度、水源补给、边坡的常年地下水水位等有关。根据填筑体中砂泥岩碎块石土特性并结合工程地质经验，本工程滞水层厚度取0.5 m。滞水层抗剪参数目前无专门的研究成果，考虑到滞水层强度参数低于填筑体强度参数，假设滞水层内土体性质是均匀的，将直剪试验所得填筑体抗剪强度参数进行折减，折减后结果作为滞水层抗剪强度指标，参数见表4。

表4 滞水层计算物理力学参数

考虑滞水层的影响，经有限元强度折减法计算得到边坡的稳定性系数为1.01，较未清除粉质黏土层时稳定性得到显著提高。图7(a)为清表后极限状态时高填方边坡位移云图，图7(b)为清表后极限状态时最大剪切应变云图。

图7 极限状态时的位移及最大剪切应变(方案2)

从图7可以看出，在极限状态下边坡沿滞水层产生滑移破坏，边坡在中上部临空面处位移最大，较未清表时最大位移分布有所上移。清表后仍不能满足边坡稳定安全系数的要求，需要进一步进行优化设计。

4.3 方案3

方案3为清除地表粉质黏土后对原始斜坡地面开挖台阶，分别计算台阶高度为0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 m时边坡稳定性系数。图8为开挖台阶时滞水层分布示意。

图8 滞水层分布示意Fig.8 Sketch of aquitard distribution

图8中t为滞水层厚度，根据区域工程地质经验取0.5 m；L1为一个台阶高度范围内潜在滑移面穿越滞水层长度，L2为一个台阶高度范围内潜在滑移面穿越填筑体长度。滞水层在台阶上的分布厚度实际是不均匀的，台阶顶部水头差较大，滞水在上一台阶顶部消散较快，对应的滞水层厚度相对较小。从工程安全角度考虑，采用有限元强度折减法计算时滞水层按照均匀厚度计算。有限元强度折减法计算结果如图9。

图9 稳定性系数随台阶高度的关系Fig.9 Relationship between stability coefficient and step’s height

由图9可知，随着开挖台阶高度的增大，边坡稳定性安全系数随之增大，增大到一定程度后慢慢趋于稳定。图10为开挖不同台阶高度时极限状态最大剪切应变云图。

图10 不同台阶高度时极限状态最大剪切应变云图(方案3)

从图7、图10对比分析可以看出，当未开挖台阶时，边坡潜在滑动面完全通过滞水层，反应到一个台阶高度范围内即L2=0，边坡稳定性系数较低；随着开挖台阶高度的增大，边坡潜在滑动面通过滞水层的范围减小，穿越填筑体的范围增大，即L1减小，L2增大，因填筑体抗剪强度指标高于滞水层，所以随着随着台阶高度的增大边坡稳定性系数变大。可见台阶高度不应过小，但也不宜过大。因为随着台阶高度增大，会增加挖方工程量，此时边坡稳定性系数增大不明显。综合考虑现场地形、施工机械的作业空间等各方面因素，开挖台阶高度取2.0 m。

4.4 方案4

选取各种坡面坡型利用有限元强度折减法试算，确定设计最优方案为：从坡顶开始0～30 m坡高范围内按坡比1∶2.0放坡，单级坡高10.0 m； 30～60 m坡高范围内按坡比1∶2.5放坡，单级坡高10.0 m；60～119 m坡高范围内按坡比1∶3.0放坡，单级坡高10.0 m；同时每间隔30 m高设置10.0 m宽大马道，其余为3.0 m宽小马道。填料压实度不小于93%，填筑体级配要求满足行业规范要求，砂泥岩碎块石土粒径不大于40 cm。图11为填土填筑完成后边坡位移云图，从图11中可以看出，最大位移为1.04 m，发生在边坡上部临空面附近。

图11 填筑完成后位移云图(方案4)

考虑滞水层影响按照强度折减法计算得到方案4的边坡稳定性系数为1.41，满足边坡稳定性安全系数要求。图12为极限状态时边坡最大剪切应变云图。

图12 极限状态时位移云图(方案4)

从图12中可以看出，采用坡比越来越小的放坡形式并在边坡中间设置大马道可使高填方边坡坡脚应力明显减小，边坡产生整体失稳的可能性大大降低，边坡的破坏模式为边坡坡面区域剪切滑移破坏。

为了确保边坡填筑体抗剪强度指标满足设计要求，保证边坡坡面区域填筑体稳定性，在进行土石方回填时应超过每个工作面对临时边坡坡顶线进行强夯处理，然后进行反挖，如图13。

图13 边坡填筑处理示意Fig.13 Sketch of slope filling treatment

高填方边坡治理必须考虑水对边坡的不利影响，为了便于地下水排出填筑体和原地基，在填筑体对应马道高度设置一层0.6 m厚的中等风化砂岩透水层。透水层缓坡外倾，坡度为1%～3%。

5 结 论

1)准确获取岩土体抗剪强度指标是高填方边坡稳定性分析与治理工程设计的关键。前期选取试验段场地进行大型直剪试验，测试所得岩土体参数作为高填方边坡设计的重要依据。

2)利用有限元强度折减法可较准确的模拟顺坡填筑高填方边坡变形破坏机理，为边坡治理优化设计提供理论依据和指导。

3)粉质黏土层作为软弱滑面，成为控制高填方边坡稳定性的关键因素。将粉质黏土层清除后边坡稳定性得到显著提高，所以当粉质黏土层厚度不大时，建议将其清除。

4)滞水层的存在对高填方边坡稳定性会产生不利影响。未开挖台阶时，边坡潜在滑动面完全通过滞水层，此时边坡稳定性系数较低；随着开挖台阶高度的增大，边坡潜在滑动面通过滞水层的范围减小，穿越填土的范围增大，潜在滑面的抗剪强度提高，边坡稳定性系数变大。

5)为了确保边坡坡面区域填筑体的稳定性，应进行超填强夯处理。考虑水对边坡的不利影响，间隔设置砂岩碎石透水层以便于地下水排出填筑体和原地基。

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Stability of High Fill Slope of an Airport in Southwest Mountainous Area

HOU Junwei1, TANG Qiuyuan1, LI Yangqiu1, MA Xinyan2

(1. China Coal Technology & Engineering Group Chongqing Engineering Co., Ltd., Chongqing 400042, P.R.China;2. China Airport Construction Group Corporation, Beijing 100101, P.R.China)

The stability of high fill slope which filled with sand-shale gravelly soil was studied based on a practical case of an airport high fill slope in southwest China. Rock and soil mass shear strength indexes were obtained through large direct shear strength tests in the field of the test section. At the same time, the deformation instability mechanism was simulated by strength reduction FEM. The result indicates that the silty clay layer is the weak interlayer of high fill slope foundation, and it will significantly reduce the stability of the high fill slope without treatment. Along with the fine grain material of sand-shale gravelly soil infiltration, the aquitard is formed with certain thickness between filling-up soil and stable basement, and the shear strength of this layer is obviously lower than the filling-up soil. The distribution of the aquitard on slippery surface can be changed by setting steps in basement excavation. The range of slope slippery surface through the aquitard decreases with the increase of steps height, and the slope stability coefficient increases. Possibility of slope global instability can be reduced by selecting appropriate slope shape.

geotechnical engineering; high fill slope; stability study; gravelly soil; direct shear strength test; strength reduction FEM; aquitard

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.03.18

2015-05-11；

2015-07-21

侯俊伟(1983—),男，山东淄博人，工程师，国家注册土木工程师(岩土)，主要从事岩土工程勘察与设计方面的研究。E-mail:116338270@qq.com。

TU 431；U416.1+4

A

1674-0696(2016)03-082-07