某机场飞行区土工格栅加筋高边坡优化设计

廖 鸿，徐 超,2，杨 阳,3

（1.同济大学土木工程学院地下建筑与工程系，上海 200092；2.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092；3.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098）

近年来，随着西部大开发战略的实施以及“一带一路”的建设，西部地区的各类交通设施如机场、高铁、高速公路等基础设施建设兴起，西部地区海拔高，地势陡峭，势必存在大量的高填方边坡工程[1−3]。此外，山区复杂的地质条件以及地形的限制，许多高填方边坡无法进行自然放坡。在这种情况下，土工合成材料加筋土边坡可以发挥其因地制宜、减小坡率、提高边坡整体稳定性等特点，满足复杂地形地质条件下的工程要求，对于提高机场道面质量、节约工程用地、保护生态环境意义重大[4]。若高填方边坡设计不合理会存在边坡失稳问题，边坡的失稳将严重影响机场、道路等基础设施的正常运营，造成极大的经济损失[5]。如成昆铁路昔格达高填方路基工程[6]、贵州茅台机场高填方边坡[7]、四川攀枝花机场高填方边坡[8]等均不同程度地出现了高填方边坡滑动失稳，严重影响交通安全。

目前，加筋土技术的相关研究还主要集中于稳定性分析、筋土界面特性、抗震性能等方面。张玮鹏等[9]采用极限分析上限法和非线性莫尔－库仑屈服准则，研究了破裂面为对数螺旋线的加筋土边坡稳定性问题。徐超等[10]通过振动台缩尺模型试验研究，证明土工合成材料加筋土柔性桥台复合结构具有良好的抗震性能。介玉新等[11]利用离心模型试验和有限元强度折减法对加筋土边坡进行分析，研究加筋边坡平台分级的影响，结果表明合适的边坡分级能够充分发挥筋材的加筋效果。何江飞等[12]利用有限元数值计算和现场监测数据分析了多级有限填土加筋土-框锚组合体系的抗滑作用效果。吴红刚等[13]对高填方边坡桩-锚-加筋土组合结构协同工作性能进行研究，对比分析垫层对控制填土内部塑性协同变形发展及综合支护体系的影响。胡卫东等[14]考虑了岩土材料破坏的非线性特性，采用非线性破坏准则和外切直线法，引入极限分析上限理论，建立了更合理的加筋土坡临界高度的计算方法。Sunkavalli 等[15]介绍了印度坎努尔国际机场跑道末端安全区-87 m 高的多级加筋土高边坡，并通过有限元分析了加筋边坡的稳定性问题。然而，对于加筋高填方边坡优化设计方面的研究还十分缺乏。对加筋高填方边坡进行优化设计，既要考虑复杂的地形条件、工程地质条件和水文地质条件，又要兼顾施工工期、填方量以及挖方量等因素，设计难度巨大。影响加筋土边坡工程造价和稳定性的因素很多，如何在保证工程安全的前提下考虑不同因素的作用，开展加筋土边坡的优化设计，成为高填方工程建设中的关键性技术问题。

本文以某机场合同标段的6#加筋土高边坡为研究对象，根据研究区边坡的地质条件和填方边坡的实际情况，选择典型的边坡剖面，考虑地形、填方、挖方等多种因素，制定不同的设计方案，采用稳定性分析程序对6#边坡典型剖面的不同设计方案在正常、暴雨以及地震等工况下进行稳定性验算，最后利用有限元法分析6#边坡典型剖面的不同设计方案在不同工况下的变形特征及筋材轴力分布规律，并对加筋土高边坡的优化设计作出对比分析。研究成果将对机场高填方边坡建设具有一定的指导意义，为我国山区加筋土高边坡的建设提供借鉴。

1 工程概况

1.1 机场概况

该机场位于某市西南部、水阁工业园区南侧的区域，北接新建的工业园区，紧邻省道公路和高速公路，距市中心直线距离约15 km（图1）。机场飞行区等级为4C，跑道长2 800 m，机场设计标高为159 m。研究区位于跑道西侧的高填方边坡处，填方体最大填方高度约为80 m。

图1 研究点卫星地图示意图Fig.1 Satellite map of the research site

1.2 研究区地形地质条件

机场场址区位于白垩纪断陷盆地边缘，地貌为低山丘陵与山麓沟谷，地形起伏变化较大，总体地势呈南高北低、西高东低状。根据机场详细勘察报告，高填方边坡区域的主要地层从上至下依次为：①强风化粉砂岩层，厚0.8～2 m，碎石土状，遇水易软化，岩体节理裂隙发育，呈碎裂结构，结构面呈不规则状，岩石强度普遍较低；②中风化粉砂岩层，粉砂状结构，钙质、泥灰质胶结，局部含角砾，中厚—厚层状构造，节理较发育，属较完整—较破碎岩体，岩质较硬，工程性能好。

2 高填方边坡加固方案分析

2.1 高填方边坡典型剖面

选取研究区的6#高填方边坡作为研究对象（图2）。填方边坡坡脚紧邻省道公路，坡顶到坡脚水平距离160～210 m，坡顶到坡脚最大高度约80 m，该段边坡原始坡面较陡，地形坡度30°～45°，如边坡按坡率1∶2.5 自然放坡，坡脚线将跨过省道公路，故需对该边坡进行收坡处理，将坡率调整为1∶1.5 后可以满足地形红线要求。选取该6#边坡的K0+060 典型断面作为计算剖面（图3）。坡率为1∶1.5 的填方边坡经稳定性分析验算发现稳定系数只有0.90，不满足民用机场设计规范的要求，必须对边坡进行加固以提高其稳定性。

图2 6#填方边坡示意图Fig.2 Satellite map of the NO.6 filled slope

图3 高填方边坡K0+060 断面图Fig.3 K0+060 section of the high filled slope

2.2 岩土体及加筋材料物理力学性质

根据机场详细勘察资料，该填方边坡的基岩有强风化粉砂岩层和中风化粉砂岩层，其中强风化层厚小，强度低，中风化层埋深厚度大，岩体稳定性好，建议在填方边坡施工建设时将强风化层挖除，保证填方边坡的稳定性。因此模型计算时将基岩简化为中风化粉砂岩，填筑体为碎石土，根据详勘报告得到各土层的岩土参数取值见表1。加筋材料选用2 种单向土工格栅，极限抗拉强度分别不小于137 kN/m（下文称“C 型格栅”）和200 kN/m（下文称“D 型格栅”）。

表1 岩土体物理力学参数取值Table 1 Calculation parameters of the slope soil layer

2.3 加筋土边坡加固方案

为了充分研究该机场加筋土高边坡的优化设计，根据边坡地形情况设计了3 种不同坡率的加筋土边坡加固方案（图4）。方案一为加筋土缓坡，边坡高度78 m，每级坡率为1∶1.5，上方50 m 的边坡采用C 型格栅，其余各级边坡采用D 型格栅，主筋的加筋间距为2 m，加筋长度20～50 m，在主筋之间布置长度为10 m 的次筋进一步保护边坡坡面。坡顶为机场巡场道路，故坡顶5 层筋材长度设计为30 m，减小坡顶的不均匀沉降。方案二为加筋土陡坡，每级坡率为1∶1.0，可以利用原地形地势条件，减小放坡距离，这样边坡最大坡高减小为50 m，填方量减少，加筋边坡的筋材选用D 型格栅，加筋间距1 m，筋材长度30 m。方案三为加筋土挡墙，每级坡率为1∶0.25，该方案可以将边坡坡高减小为40 m，填方量极大地减少，但是由于筋材铺设长度受限，需要对原边坡进行部分开挖处理。加筋土挡墙的筋材选用D 型格栅，加筋间距0.5 m，筋材长度10～20 m。

图4 设计方案示意图Fig.4 Schematic diagram of the design schemes

3 计算工况及稳定性分析

3.1 计算工况

根据《民用机场岩土工程设计规范》[16]，边坡稳定性分析需验算在天然工况、暴雨工况和地震工况下的稳定系数。根据该地区气象站测得数据推算，研究区域年平均降水量1 432.6 mm，月平均雨日高于15 d 的为3—6月，3—6月平均总雨量占全年平均降水量的49.7%。由于降水量大，需要考虑边坡的地表水入渗问题。根据刘杰等[17]的研究成果，在暴雨工况下边坡的降雨入渗深度为3 m。在地震工况下，抗震设防烈度为Ⅵ度，考虑机场工程的重要性，宜提高1 度设计，按Ⅶ度考虑。设计基本地震加速度值为0.10g，地震特征周期为0.35 s。此外，研究区内地下水埋深较大，地下水补给来源为大气降水。由于边坡区填方料为碎石土，透水性较好，降水对地下水的影响较小，故暂不考虑地下水抬升对加筋土边坡稳定性的影响。由于本文所涉分析区域基岩为中风化粉砂岩，岩体工程性能好，且填方体与基岩的刚度差别较大，参考已有相近工况的研究[3,5,13]，不考虑基岩的层理与节理构造对填方边坡的影响。

3.2 稳定性计算结果

利用ReSSA3.0 和Geo-Studio 软件，分别采用简化Bishop 法、Spencer 楔形体法和Morgenstern-Price 法对加筋土边坡进行稳定性分析。简化Bishop 法是目前工程中应用最广泛的一种非严格条分法，简化Bishop法没有考虑条块间竖向剪力的作用，且忽略了每一条块的力矩平衡条件，因此大大简化了求解计算量，Spencer楔形体法和Morgenstern-Price 法（简称M-P 法）均需严格满足力和力矩的平衡条件，这两种方法可搜索出更加符合实际情况的边坡非圆弧最危险滑动面，计算结果更具合理性[18]。加筋土高边坡稳定性计算结果参考值见表2。

表2 稳定性系数计算结果值Table 2 Calculation results of the stability factor

根据《民用机场岩土工程设计规范》[16]，边坡安全系数在天然工况下取1.30、暴雨工况下取1.20 和地震工况下取1.10。由表2 的稳定性系数计算结果可知，3 种设计方案均符合安全系数要求。其中加筋土陡坡的稳定系数计算值略大于加筋土缓坡的稳定系数，加筋土挡墙的稳定系数计算值最小，而且地震对边坡稳定性的影响远大于暴雨的影响。另外，采用M-P 法计算的稳定系数均大于简化Bishop 法和Spencer 楔形体法。

4 变形特征及轴力分布有限元分析

4.1 模型概况

采用PLAXIS2D软件对边坡进行变形特征分析，各滑体及基岩材料均视为弹塑性材料，服从莫尔－库仑屈服准则，岩土体采用莫尔－库仑本构模型，岩土体物理力学参数如表1所示。土工格栅采用软件内置的土工格栅单元进行模拟，筋土界面采用接触面进行模拟，强度折减系数Rinter取0.8，挡墙柔性面板采用板结构单元进行模拟。坡顶离临空面5 m 处有1 条机场巡场道路，路面宽3.5 m，模型中采用板单元模拟沥青路面，施加20 kPa 均布荷载等效为交通荷载。各结构单元材料具体参数见表3。

表3 各结构单元材料的模型参数表Table 3 Structural parameters of each element

模型示意图如图5，为了减小边界条件对土体内部应力的影响，取边坡两侧伸展各50 m 作为横向边界，下方基岩中风化粉砂岩强度较填筑体大，潜在滑面不会出现在基岩内部，且变形较小，故取向下伸展20 m 作为底边界。对该模型的底部设置完全固定边界条件，左边界和右边界施加水平约束。采用自由网络划分法进行划分，其中网格类型为四边形或三角形，对边坡中易出现应力集中的坡脚进行局部细化，剖面共划分2 436 个单元及19 923 个节点。

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

4.2 计算结果分析

基于有限元分析，通过对K0+060 断面3 种不同坡率的加固设计方案进行了工作性能研究，进而对3 种方案的边坡体位移变形、稳定性、筋材轴力以及工程量等方面分别做出分析和评价。

4.2.1 不同加固设计方案的边坡变形情况

通过有限元计算得到的边坡位移情况如图6所示，通过对比3 种加固设计方案的X 方向和Y 方向的总位移图发现，加筋土缓坡、加筋土陡坡和加筋土挡墙的最大水平位移和最大竖向沉降均发生在坡顶的临空面位置，最大水平位移分别为153，223，192 mm，最大竖向沉降分别为208，301，257 mm。加筋能够对填方体起到加固作用，控制了填土的侧向变形和竖向沉降。

图6 不同加固设计方案的边坡变形情况Fig.6 Deformation of slope in different design schemes

4.2.2 不同加固设计方案的边坡稳定性分析

图7 为不同加固设计方案的边坡偏应变增量云图，从图7 可知，加筋土缓坡和加筋土陡坡的剪切带大致位于填土区与原地形的界面处，可能发生软弱界面滑移的风险；而加筋土挡墙在原坡面开挖台阶，没有明显的剪切带，说明在原坡面开挖台阶能降低填方体和基岩潜在软弱面的影响，有效地控制边坡剪切带的发展。图8 为不同加固方案的坡顶道面沉降情况，加筋土缓坡的道面沉降最小，平均为210 mm，加筋土挡墙的道面沉降量为225 mm，加筋土陡坡的道面沉降最大，达到275 mm，采用加筋土缓坡和挡墙的方案均能有效减小运营过程中道面的沉降。

图7 不同加固设计方案的偏应变增量分布情况Fig.7 Distribution of the strain deviation increment in different design schemes

图8 不同加固设计方案的道路路面沉降情况Fig.8 Road surface settlement of different design schemes

4.2.3 不同加固设计方案的筋材轴力分布情况

不同加固设计方案中各层筋材轴力的分布规律如图9所示。从筋材轴力的空间分布图发现，加筋土缓坡的最大筋材轴力基本分布在靠近填土-基岩交界面一侧，和图7（a）中的潜在剪切带相一致，进一步说明加筋土缓坡的设计方案存在填方体沿着填土-基岩交界面滑移的安全风险；加筋土陡坡的最大筋材轴力在边坡坡脚附近分布在靠近临空面一侧，而在边坡中上部分布在填土-基岩交界面一侧，两者近似于圆弧滑动面的形态；加筋土挡墙的最大筋材轴力空间上分布近似为圆弧形滑动面形态，经过坡脚和台阶的转角处。

图9 不同加固设计方案中各层筋材轴力分布情况Fig.9 Distribution of the axial force of reinforcement in different design schemes

将各层最大筋材轴力沿垂直方向上建立最大筋材轴力垂直分布图。可以看出，贴坡填筑的多级加筋土边坡的各层最大筋材轴力沿着垂直方向呈现先增大再减小的锯齿形变化趋势，最大轴力主要分布在1/3 坡高附近，且最大筋材轴力在两级边坡相邻的位置发生突变增大。但加筋土缓坡的原坡面地形复杂，该边坡上部分近似于一个多级加筋土边坡，从最大筋材轴力的垂直方向分布上看，基本满足先增大再减小的锯齿形变化趋势。

4.2.4 不同加固设计方案的工程量对比

通过CAD 软件统计3 种加固方案的填方量、挖方量、筋材使用量以及坡面防护面积等数据，结果如表4所示。与加筋土缓坡的设计方案相比，采用加筋土挡墙设计方案，坡高可以减少48.7%，边坡体填方量减少73.7%，原始边坡的挖方量减少62.7%，坡面防护面积减少69.1%，筋材使用量减少20.7%。结合实际工程经验可知，采用加筋土挡墙设计方案，工程的总造价是最少的，而且工程量小，施工周期短，也能进一步降低劳动力成本。

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

5 结论

（1）采用土工格栅加筋土技术，根据地形条件设计的加筋土缓坡、加筋土陡坡和加筋土挡墙的设计方案在天然、暴雨以及地震工况下均能满足边坡稳定性要求。

（2）3 种设计方案均呈现向临空面滑移的变形模式，其中加筋土挡墙的设计方案对原地形进行开挖台阶，利用良好的基岩持力层分担上部填土荷载，能够较好地控制填方体的变形。

（3）贴坡填筑的分级加筋土高边坡的筋材受力特点与传统的单级边坡不同。分级加筋土高边坡的最大筋材轴力沿着竖向分布呈现先增大再减小的锯齿形变化趋势，最大筋材轴力在边坡分级处发生突变，因此在山区复杂地形下贴坡填筑分级加筋土高边坡的设计方法需要进一步改善优化。

（4）综合考虑多种因素，采用加筋土挡墙设计方案能够极大减小填筑体高度、填方量、挖方量以及坡面防护面积，并缩短施工工期，降低工程造价，因此在该机场6#高填方边坡类似工况下，采用加筋土挡墙设计方案比贴坡分级加筋土高边坡更合理。