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贵州省某机场区高填方体地基稳定性分析
樊东;严明
【期刊名称】《山西建筑》
【年(卷),期】2007(033)033
【摘要】以某机场高填方体地基为依据,在对机场高填方体地基进行地质分析的基础上,结合机场六个剖面的具体情况利用Bishop法等三种二维数值计算方法对剖面逐一进行二维数值计算,由此计算结果分析机场地基的稳定性,得出该机场高填方体地基稳定性的评价和处理意见.
【总页数】2页(P116-117)
【作者】樊东;严明
【作者单位】成都理工大学环境与土木工程学院,四川,成都,610059;成都理工大学环境与土木工程学院,四川,成都,610059
【正文语种】中文
【中图分类】TU441
【相关文献】
1.高填路基稳定性分析及防护措施研究 [J], 陈杰
2.下伏采空区高填路基的稳定性分析 [J], 沈晓平;段高飞
3.公路高填陡坡路堤的稳定性分析与设计要点 [J], 舒广志
4.高速公路高填深挖路基边坡稳定性分析 [J], 姚晋勇
5.V型沟谷高填路基沉降变形特征及稳定性分析 [J], 张庆飞;吕改杰;冯宇凇;席英伟
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高填方多级挡土墙路基沉降规律与稳定性数值模拟研究随着我国西部开发的快速发展,建设向山岭纵丘方向不断深入,引起越来越多的公路稳定问题,为设计、施工和管理带来新的问题。
十漫高速公路位于秦岭山脉南麓,跨越两郧断裂带,沿线存在多处滑坡、崩塌等地质灾害。
本文结合山区高速公路特点,采用现场试验、监测、理论分析和数值模拟等方法,详细研究了山区超高填方多级挡土墙路基的沉降规律,山区超高填方多级挡土墙墙背土压力分布规律和山区超高填方多级挡土墙路基的稳定性。
主要研究内容包括以下几个方面：1、在十漫高速公路深挖路堑边坡和高填路堤问题十分突出的5个标段上进行路基沉降试验、监测：在第四标段填方高度达67m的K32+670断面处,进行分层路基沉降测试试验。
在第三标段填方高度为27.5m的K29+400～500处,采用剖面沉降仪对该高填方路基沉降进行测试试验。
在三个典型路段K36+660-900、K47+500～600和K47+700～900,采用沉降桩进行路基沉降测试试验。
通过对每个试验结果进行详细研究,发现了各个高填方路基的沉降规律,并深入分析了路基沉降机理。
2、在建立高填方路基沉降预测模型的基础上,运用对数拟合法,Asaoca法,泊松曲线法和灰色模型预测法等方法,根据沉降试验的实测资料,对路基填筑的不同阶段及最终的沉降量进行预测,并对每种预测结果对比分析。
3、通过在五级挡土墙墙背埋设土压力计测试墙背水平和竖直土压力,详细研究山区多级挡上墙墙背土压力分布规律,建立了山区多级挡土墙墙背水平土压力双直线计算公式。
4、在五级挡土墙的第1、2第4级墙面上设置变形观测点,定期观测挡土墙墙面位移变化,通过深入研究,发现了多级挡土墙墙面变形、沉降和稳定性规律。
5、对高填方路基应力应变和沉降变形进行数值模拟,运用ANSYS和Marc软件对十漫高速公路的两个高填方路基断面4K32+670断面和K31+625断面的应力应变和位移沉降进行了有限元数值分析。
山区高填方机场土石混合料的强度实验彭俊国;朱彦鹏;马效瑞【摘要】针对影响高填方工程最重要的两方面地基工后沉降和边坡稳定性,分别对原地基及填筑体在不同土石比、不同含水率、不同压实度下的压缩变形、抗剪强度进行实验研究.结果表明:强夯作用使得压实度和压缩模量的有效加固深度并不相同.土石比4∶6时的压缩模量较大,压缩模量随含水率的增大而减小.原地基的抗剪强度随深度增加而降低,而黏聚力c值随深度增加而增大.填筑体c、φ值及抗剪强度由土石比、压实度、含水率共同控制,在最优含水率时土石比影响较压实度影响大;达到塑限含水率时,c、φ值及抗剪强度均较小且压实度和土石比对抗剪强度影响很小,含水率为决定因素.【期刊名称】《兰州理工大学学报》【年(卷),期】2019(045)004【总页数】6页(P120-125)【关键词】机场;高填方;原地基;土石混合料;压缩模量;抗剪强度【作者】彭俊国;朱彦鹏;马效瑞【作者单位】兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州 730050;兰州理工大学甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室,甘肃兰州 730050;兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州 730050;兰州理工大学甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州 730050;兰州理工大学甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室,甘肃兰州 730050【正文语种】中文【中图分类】TU413;TU472随着中国经济的发展,西部山区的机场、公路、铁路等重点设施建设突飞猛进,由此带来的山区深挖高填工程越来越多.这些工程的显著特点是填方量大、高度高,且常存在软弱地基.由于这些工程对地基变形要求很高,因此对高填方工后沉降的预测与控制及高边坡的稳定性成为该类工程的关键.在中国,高填方工程往往是削山填谷,利用挖方的土石料就地填方.山区机场填筑面积大,应力路径更接近侧限状态,基于固结实验的压缩模量可作为沉降计算的基础.基于剪切试验得出的c、φ值则为计算边坡稳定性的重要参数.曹光栩等[1]利用大型固结仪对不同土石混合比填料的压缩、蠕变、湿化变形等特性进行了研究.赵靖等[2]对强夯法加固山区高填方机场原地基进行了实验研究.本次研究根据现场填料,利用固结仪和直接剪切仪对原地基,夯后地基,及土石比2∶8和4∶6的填料在不同含水率、不同压实度下的力学性质进行探讨,为后续山区削山造地提供参考.土料选用现场的粉质黏土,石料选用破碎后的风化基岩.粗颗粒粒径较大,根据现场填料级配进行缩尺制备,缩尺方法采用混合缩尺法[1].本次实验的基本操作步骤均参照GB/T 50123—1999 《土工试验方法标准》[3]进行；选用仪器为南京土壤仪器厂提供,仪器为WG型三联固结仪及ZJ型应变控制四联直剪仪.1 机场试验段概述拟建机场位于甘肃某中低山丘陵区.机场跑道长度为2 800 m,自西向东降坡,坡度0.3%;跑道中心点标高为1 125.3 m,道面宽度45 m,两侧各设1.5 m宽道肩,总宽48 m.场区挖方最大厚度达38 m,最大填方厚度达42 m.试验段选择在场区西端的一段道槽区及其两侧区域,具有场区大面积施工所遇到的填料配比、深挖高填、挖填交界处理及高边坡稳定等各种工况.在此进行施工方法对比试验及其它现场试验具有代表性.该区域工程地质条件自上而下依次为：① 填土层层厚0.10～2.30 m;黄褐色,土质不均匀,稍湿,稍密.② 粉质黏土层埋深0.10～2.30 m,厚度0.20～29.40 m;黄褐色-红褐色,土质较均匀.③ 强风化基岩层(N2)：埋深0.10～30.20 m,厚度3.00～5.80 m;半成岩,砖红色,岩体基本质量等级为Ⅴ级.④ 中风化基岩层(N2)：埋深4.00～34.00 m,厚度1.20～46.80 m,依地形起伏变化较大;半成岩,砖红色,岩体基本质量等级为Ⅳ级.场区年均降雨量为621 mm,场区冲沟地下水埋深0.4～10.0 m,地下水主要受大气降水补给.2 侧限压缩实验2.1 原地基强夯及压缩实验原地基以道槽强夯区3 000 kN·m为例,夯前夯后参数见表1.强夯处理主要参数：主夯夯点布置形式为方格网布置,夯点间距为4 m,夯击遍数为2遍,满夯夯点间距为1/3,锤印搭接夯击遍数为2遍,收夯标准为最后2夯平均下沉量小于5 cm.对于强夯的加固有效深度，不同的学者定义并不相同,钱家欢等[4]指出，对于黄土以消除湿陷可能性、黏土以消除有害沉降可能性为标准.孔位学等[5]认为强夯有效加固深度是指地基土的控制指标满足设计要求的深度.根据修正Menard公式进行估算：表1 原地基夯前夯后参数Tab.1 Parameters of quondam foundation before and after compaction方向深度/m夯前参数含水率/%ρdρd,max夯后参数夯心含水率/%压实度夯间含水率/%压实度N111.780.9216.990.8317.440.96219.330.8817.450.9718.900.93319.300.8722 .040.9019.650.93421.960.8624.540.9329.690.78520.190.8724.340.8924.990. 86621.010.876m左右见水,无法取样S114.960.88土样损坏17.950.95220.460.8718.220.9519.840.93320.500.8818.330.9820.10.91422.620.8521.880.8928.140.79520.660.8622.980.9124.730.87620.450.876m左右见水,无法取样注：ρd为原状土的干密度;ρd,max为击实试验的最大干密度.(1)式中:h为有效加固深度;W为夯锥重力,kN;H为夯锤落距,m；α为修正系数,对粉土、黏土可取0.35～0.40.通过表1对比可知,3 000 kN·m强夯使原地基压实度有不同程度的提高,对压实度影响深度超过5 m.根据强夯布置形式,夯心略高于夯间.通过压缩模量对比(图1)可以发现,强夯使原地基压缩模量的提高随深度逐渐变小,对压缩模量的有效加固深度约为4 m.强夯对压实度及压缩模量的有效加固深度并不相同,随着含水量的升高修正系数α应相应降低.结合本例,对压实度的有效加固深度α取0.30～0.35为宜.图1 原地基夯前夯后压缩模量与深度的关系Fig.1 Relationship of compression modulus of quondam foundation to its depth before and after compaction 2.2 填筑体土石比2∶8和4∶6时的压缩性质通过室内击实试验得土石比4∶6时最大干密度为2.03 g/cm3,最优含水率为10.4%,塑限含水率为18.1%,液限为23.7%.土石比为2∶8 时最大干密度为2.06g/cm3,最优含水率为11.1%,塑限含水率为18.2%,液限为25.1%.制样方案如下：天然含水率是指根据现场检测统计得到对应压实度下的预估含水率,根据预估含水率配样制备到相应压实度后的实际含水率.最优含水率同理.各配合比下压缩模量的对比见图2、图3.图2 不同土石比含水率下压缩模量与压实度的关系Fig.2 Relationship of compression modulus to degree of compaction under condition of different soil rock ratio and moisture rate图3 土石比4∶6时不同压实度下压缩模量与含水率的关系Fig.3 Relationship of compression modulus to moisture rate under condition of different degree of compaction with soil-to-rock ratio as 4∶6通过图2可发现,在天然含水率和最优含水率情况下,土石比4∶6的压缩模量均大于土石比2∶8的压缩模量,天然含水率下压缩模量随压实度增幅比最优含水率下大.压缩模量的变化是随着土石比的变化,土石之间的接触面变化和传力路径引起的.级配良好的土,随着压实度的提高土石充分接触,外力不仅可以通过粗粒料传递也可以通过细土颗粒传递,此时压缩模量最大.石料压缩性小且性质稳定,所以尽量使用石料.含石量过大使得石块接触部位压力较大,粗石料容易发生棱角破碎以及错动,压缩模量有所降低.土石比相同,最优含水率下的压缩模量均高于天然含水率下的压缩模量,而天然含水率下的压缩模量随压实度的提高增幅较大.结合本例土石比取4∶6为宜. 通过图3可发现,同一压实度下压缩模量在接近最优含水率处达到最大值,偏干时减小量小于偏湿时,并随着含水率的增加急剧减小,在接近塑限含水率时不同压实度的压缩模量接近一致.压实土低于最优含水率时(偏干状态)的强度比偏湿状态时强度高.压实土遇水饱和后会发生较大的湿化变形即湿陷沉降,强度也随之降低,偏干状态的土水稳性很差,而最优含水率下水稳性最好.徐明等[6]提出，碎石在填筑前是否被水饱和浸润过直接影响工后发生湿陷沉降的大小.所以工程上非常重视最优含水率.因此在填筑过程要注意填筑体土石配合比及含水率,含水率较大时可做晾晒处理,含水率较低时要适当洒水,并在施工期及工后做好排水处理.3 原地基及填筑体剪切实验3.1 既有成果概述对于非饱和土的抗剪强度随压实度和含水率的变化,国内外学者已进行过大量实验研究,但由于实验用土的性质区别大,对土的抗剪强度及c、φ值的变化规律并未形成共识.王林浩[7]对压实黄土的实验研究表明,当含水率不变时压实黄土的c、φ值呈现出随压实度的提高增大的趋势,压实度不变时c、φ值随含水率增大而变小.缪林昌[8]通过慢剪实验研究膨胀土的抗剪强度得出,当压实度不变时，c、φ值均随含水率的增大而减小,黏聚力减小幅度大.林鸿州[9]提出在含水率较低时,其黏聚力c 随含水量的增加而增加；当含水率到一定值,黏聚力c随含水量的增加而减小,内摩擦角则随含水率的增加逐渐降低.黄琨[10]提出制样方式不同时导致抗剪强度存在临界含水率的原因,通过烘烤或浸泡不同时间来控制含水率,保持土的干密度不变,并提出压实度固定时随含水率的提高c、φ均减小,抗剪强度也逐渐下降.以上结论既包含原状土也包含重塑土的实验研究.3.2 原地基剪切实验试验原地基选择边坡区,原地基的c、φ值见表2及图4.表2 边坡处原地基剪切强度参数Tab.2 Shear strength parameters of quondam foundation at slope 取样深度/m含水率/%压实度/%黏聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)1.53.05.57.523.3022.6127.1030.8683.785.784.985.120.6037.0741.5254. 0431.4328.2123.9022.58图4 不同深度原状土的剪切强度曲线Fig.4 Shear strength curves of undisturbed soil with different depth由表2和图4可见,原地基的c、φ值是随着深度变化的,内摩擦角φ随深度增加、含水率的增大而减小,抗剪强度随深度和含水率的增加而减小.随深度变化过压实度变化很小,近似认为不变,而黏聚力c随含水率的增大而增大,这与前人得的结论不同. 土的抗剪强度机理及影响因素十分复杂,其表现形式与实际机理往往不一致,不能将c、φ值截然分开.为了对比分析更加明显,形式上将二者分开分析.影响黏聚力的因素也很多,其中黏土颗粒-水-电系统的相互作用是最普遍的.一般而言,原状土比重塑土表现为更强的结构性从而更易形成较高的胶结力.原状土在漫长的沉积过程及随后的各种地质作用下土颗粒的排列趋于紧密,因为这种趋势是随深度增加的,所以黏聚力有所增大.另外，随着深度增大土受到的围压也相应增大,也使得抗剪强度线向σ轴偏转.所以，压实度相同下黏聚力c并非一定随含水量的增大而减小,与取土的位置有关.随着含水率的增大，黏聚力的变化幅度比摩擦角大.3.3 重塑土的剪切试验各配合比下剪切实验含水率见表3.表3 不同压实度下的含水率Tab.3 Moisture rate in case of different degree of compaction %压实度/%土石比2∶8天然含水率/%最优含水率/%塑限含水率/%土石比4∶6天然含水率/%最优含水率/%塑限含水率/%889093959816.5817.4210.9310.806.0911.4610.6811.0910.5510.0218.021 8.0517.8417.1416.7310.419.466.8610.8210.7010.4410.089.8918.1217.8917.6 8最优含水率下土石比4∶6、土石比2∶8的c、φ值及抗剪强度变化曲线见图5～7.图5 最优含水率下黏聚力c与压实度的关系Fig.5 Relationship of cohesion c to degree of compaction under condition of optimal moisture rate图6 最优含水率下内摩擦角φ与压实度的关系Fig.6 Relationship of internal friction angle φ to degree of compaction in case of optimal moisture r ate图7 最优含水率土石比2∶8和4∶6不同压实度时剪切强度Fig.7 Shear strength of rock-soil mixture with soil-to- rock ratio 2∶8 and 4∶6,optimal moisture rate,and different compactness比较图5～7可知,最优含水率下c、φ值随压实度的增大而增大但非线性关系,以压实度93%为界黏聚力c低压实度时增加迅速,高压实度趋于平缓；内摩擦角φ低压实度增加平缓,高压实度时趋于陡峭.不同配合比增加趋势一致.抗剪强度各个压实度下土石比4∶6都比土石比2∶8的抗剪强度大,土石比4∶6压实度88%时比土石比2∶8压实度98%时剪切强度还高,所以最优含水率下配合比的影响比压实度大,选用土石比为4∶6的作为填筑料为宜.黏聚力c主要是黏土颗粒的水-电-颗粒之间的相互作用,其中既有吸力也有排斥力.土石比4∶6黏性颗粒多,故黏聚力高于土石比2∶8.低压实度时随着压实度提高颗粒之间趋于密实,颗粒间的电离子引力及胶结力增加迅速,随着进一步提高压实度土颗粒、分子、电子间的引力增速小而斥力增加迅速,故高压实度时黏聚力趋于平缓. 内摩擦角φ包括滑动摩擦及咬合摩擦,小颗粒的黏性土内摩擦角比粗颗粒小的都多,但各压实度下土石比4∶6的摩擦角均超过了土石比2∶8.土石比4∶6细颗粒填充空隙效果好,颗粒间接触更密实、接触面大,使内摩擦角较土石比2∶8时高.随着压实度提高,粗颗粒破碎量大,颗粒重新排列使土样发生剪胀且需外力做功，均使摩擦角增幅变大.土石比2∶8破碎量大,随着压实度提高内摩擦角与土石比4∶6差距变小.塑限含水率下土石比4∶6、土石比2∶8的c、φ值及抗剪强度变化曲线见图8～10.图8 塑限含水率下黏聚力c随压实度的关系Fig.8 Relationship of cohesion c to compactness in case of plasticity-limit moisture rate图9 塑限含水率下内摩擦角φ随压实度的关系Fig.9 Relationship of internal friction angle φ to compactness in case of plasticity-limit moisture rate图10 塑限含水率下土石比2∶8和4∶6剪切强度曲线Fig.10 Shear strength curves of rock-soil mixture with soil-to-rock ratio 2∶8 and 4∶6 under condition of plasticity-limit moisture rate比较图8～10可知,塑性含水率时c、φ值及整体抗剪强度随压实度及土石比的变化幅度很小,含水率起决定因素.含水率较大时粗颗粒较多时内摩擦角稍大.黏聚力低压实度比高压实度增幅大.由于水的润滑作用使得c、φ值及总体抗剪强度较最优含水率时大幅度减小,内摩擦角主要依靠粗颗粒的咬合摩擦,黏聚力由于颗粒表面的吸附水膜及双电层中扩散层厚度大使得压实度的提高对颗粒间吸力提高影响很小.土石比4∶6抗剪强度变化曲线见图11.由图11可知剪切强度曲线出现区域性的密集区,天然含水率时压实度93%～95%则可达到较大的剪切强度,最优含水率时压实度范围可进一步放宽,压实度88%～90%时剪切强度降幅明显.最大剪切强度在最优含水率压实度98%时出现,塑限含水率压实度88%处出现强度最小值.图11 土石比4∶6各压实度各含水率下的剪切强度曲线Fig.11 Shear strength curves of rock-soil mixture with soil-to-rock ratio 4∶6 and different moisture rate综合上述分析可知,剪切强度有众多因素影响,从工程上可控制的土石比、压实度、含水率三方面进行研究,不同条件下对剪切强度影响相同.针对陇南山区土石料保有量填筑体土石比选用区间应为4∶6～2∶8.边坡、道槽区应选用土石比4∶6填筑体,并需严格控制含水率及压实度.4 结论以山区高填方机场为背景，结合现场施工实际,对原地基、填筑体混合料进行侧限压缩实验及直接剪切实验.初步结论与建议如下.1)对原地基实验结果表明,3 000 kN·m强夯使道槽区压实度及压缩模量明显提高.对压实度的影响深度与对压缩模量的影响深度不同,高含水量地区修正Menard公式中修正系数α应相应降低.2)对填筑体的压缩实验得到,土石比4∶6较土石比2∶8的压缩模量高,最优含水率时的压缩模量大,天然含水率时压缩模量比最优含水率时受压实度影响大.含水率较高时,土石比及压实度对压缩模量影响很小,含水率为决定因素.3)对原地基的剪切实验表明,c 、φ值及抗剪强度随取土深度变化,压实度相同时黏聚力并非随含水量的增大而减小,与取土的位置有关.4)填筑体c、φ值及剪切强度由土石比、压实度、含水率共同控制.在最优含水率时土石比影响较压实度影响大,达到塑限含水率时c、φ值及抗剪强度均较小且压实度和土石比对抗剪强度影响很小,含水率为决定因素.5)陇南山区削山造地时填筑体土石比选用区间应为4∶6～2∶8,边坡、道槽区应选用土石比4∶6填筑体,并需严格控制含水率及压实度.参考文献：【相关文献】[1] 曹光栩,徐明,宋二祥.土石混合料的压缩特性的实验研究 [J].华南理工大学学报(自然科学版),2010,38(11):32-39.[2] 赵靖,许金余,张学军.强夯法加固山区高填方机场原地基的实验研究 [J].西北工业大学学报,2005,23(5):580-584.[3] 中华人民共和国水利部.土工试验方法标准：GB/T 50123—1999 [S].北京:中国计划出版社,1999.[4] 钱家欢,钱学德,赵维炳.动力固结的理论与实践 [J].岩土工程学报,1986,8(6):1-17.[5] 孔位学,陆新,郑颖人.强夯有效加固深度的模糊预估 [J].岩土力学,2002,23(6):807-809.[6] 徐明,宋二祥.高填方长期工后沉降研究综述 [J].清华大学学报(自然科学版),2009,49(6):786-789.[7] 王林浩,白晓红,马俊琴.压实黄土状填土抗剪强度指标的影响因素探讨 [J].岩土工程学报,2010,32(增刊2):132-135.[8] 缪林昌,仲晓晨,殷宗泽.膨胀土的强度与含水率的关系 [J].岩土力学,1999,20(2):71-75.[9] 林鸿州,李广信,于玉贞,等.基质吸力对非饱和土抗剪强度的影响[J].岩土力学,2007,28(9):1931-1936.[10] 黄琨,万军伟,陈刚,等.非饱和土的抗剪强度与含水率关系的试验研究 [J].岩土力学,2012,33(9):2600-2604.。
高填方路基稳定性监测与控制技术的实践与应用解析高填方路基在道路建设中起着至关重要的作用，对于路基的稳定性监测与控制技术的实践与应用是保证道路使用寿命和行车安全的关键。
作为建筑工程行业的教授和专家，我在多年的从业经验中积累了丰富的知识和经验，下面我将就高填方路基稳定性监测与控制技术的实践与应用进行一些解析。
首先，高填方路基的稳定性监测是确保路基工程质量的重要手段之一。
稳定性监测主要包括路基填方过程的监测和填方后的沉降观测。
在填方过程中，应通过现场测量和实时监测来获取填方量、填方速度、土方质量等数据，以便及时调整工艺参数和加强施工控制，确保填方质量和填方速度的平衡。
填方后的沉降观测是为了了解路基在使用过程中的变形情况，可以借助现代测量技术如全站仪、摄影测量等进行沉降观测，以便及时发现和解决路基的变形问题。
其次，高填方路基的稳定性控制是保证路基安全稳定运营的关键环节。
稳定性控制主要包括施工控制和后期维护控制两个方面。
施工控制时要根据不同的土壤类型、填方填筑高度、填方速度等要素进行合理调整，选择适当的施工工艺和材料，以确保填方路基的稳定性。
后期维护控制则需要根据路基的使用状态和变形情况进行适时的加固和处理，以确保路基在长期使用中的安全性和稳定性。
在实践中，监测与控制技术的应用已经得到了广泛的推广和应用。
例如，现代化的仪器设备和技术手段，如全站仪、GPS等，大大提高了监测的精度和效率。
同时，计算机技术和模拟仿真技术的应用，可以实现对填方路基的稳定性进行预测和分析，以便对施工和维护过程进行合理规划和调整。
总之，高填方路基稳定性监测与控制技术的实践与应用是建设安全、稳定的道路网络的必要步骤。
通过对填方过程和填方后的沉降进行监测，可以及时调整控制参数，确保填方质量和填方速度的平衡；通过施工控制和后期维护控制，可以保证填方路基的安全稳定运营。
在实践中，应广泛应用现代化的监测与控制技术，以提高工程质量和效率，为人民群众提供更加安全、便捷的道路交通条件。
辽宁工业大学硕士学位论文湿陷性黄土高填方边坡稳定性研究工程领域: 建筑与土木工程研究生: 张旭校内指导教师: 刘红艳教授校外指导教师: 林立高级工程师辽宁工业大学土木建筑工程学院二〇一六年三月Master ThesisStability Study on High Filled Slope of Collapsible LoessSpeciality: Architectural and Civil EngineeringCandidate: ZHANG XuSupervisors: Professor LIU Hong-yanSenior Engineer LIN LiLiaoning University of TechnologyJinzhou, 121001, ChinaMarch 2016摘要本文以某机场高填方工程为背景，对湿陷性黄土高填方边坡的稳定性进行了系统研究。
首先，根据湿陷性黄土高填方边坡的变形破坏特征，对其变形破坏机理进行了全面探讨和深入分析。
其次，运用有限差分软件FLAC3D对工程实例中的高填方边坡的施工过程进行了数值模拟计算，得到了湿陷性黄土高填方边坡工程水平和竖向的变形规律。
将模拟结果与实例工程的监测数据的分析结果进行对比分析，验证模拟模型的适用性。
最后，选用了两种不同方法:强度折减法、毕肖普法，计算出同一实例工程边坡的安全系数，通过对两种方法的计算结果进行对比，分析其对湿陷性黄土高填方边坡稳定性评价的适应性。
主要内容如下：（1）对黄土湿陷性的变化规律进行了系统梳理，明确了湿陷性黄土的变形机理。
湿陷性黄土高填方边坡的变形破坏过程由三个阶段构成，分别是原地基不均匀沉降变形、填筑体被拉裂变形以及高填方边坡的变形破坏，为实例工程的模拟建模提供了理论依据。
（2）选取某机场高填方为模拟实例，建立模型，运用有限差分软件FLAC3D对其填方施工过程进行了模拟计算。
结果表明：随着填筑高度的增加，原地基以及填筑体的竖向位移和水平位移均不断地增大，最后达到稳定状态；同一填筑层不同位置的高填方边坡的竖向位移以及水平位移不同，边坡的变形与工程的地势以及填筑体的厚度有相当大的关系。
机场综合交通枢纽填方体变形控制关键技术机场，这个大家都不陌生的地方，每天都承载着成千上万的旅客。
你想象一下，一个地方，不仅要容纳数不胜数的飞机起降，跑道还要和停车场、公交站、地铁口……啥都凑在一块，混在一起。
这就需要一个能把所有交通都有效连接起来的“枢纽”。
然而，要想把这么一个复杂的交通体系搭建好，可不只是简单的“填土盖高楼”那么容易。
填方体变形控制，就是其中的一个技术难题，听起来有点拗口？其实说白了，就是让你在填土的时候，土层不会因为各种原因变形，尤其是在机场这种重载的地方，变形一旦发生，后果可就不太好收场了。
咱们先来想象一下，机场这个大工程像一个超级巨型拼图，拼图里的每一块，都是土堆。
你往土堆里加材料，原本可能是一块平整的地，结果你加了一堆土，地面就不平了，甚至可能把底下的地基撑坏了。
这种情况就是“变形”。
说白了，想让一个庞大的机场在使用时稳稳当当，不出任何问题，填土变形控制这道工艺就至关重要。
要说这技术要难在哪儿呢？就是我们填的不是普通的土，而是机场这种大规模、负荷超重的地方。
地基的压力大，土层的沉降就更不简单，轻轻一不注意，可能就有问题。
机场的交通枢纽设计不光是为了方便大家上天，地面上的交通和空中的飞行都得考虑进来。
你看，跑道、滑行道、停车区，这些地方都得保持平稳，不能让机场的设施因地基沉降而发生倾斜。
要让这些地方平整，不让飞机、车辆在上面跑得摇摇晃晃，填土的过程得小心翼翼。
每一层土都得精心控制，确保填土的过程不会把地基撑坏。
你可别小看这每一层土，稍有不慎，机场跑道可能就会像走了几步颠簸的路，哪怕是微小的变化，飞机一飞起来，乘客也得瑟瑟发抖。
这时候，你可能会想，怎么才能避免这种变形呢？关键就在于科学的施工方法和精确的监控技术。
就像做一道精细的菜，得把握好每个火候，填土也是一样。
可以通过合理安排填土的顺序，控制填土的速度，甚至考虑一下天气的因素。
比如在湿气大的季节，土的压实程度就会大打折扣，这时候就得加点额外的工序，保证土的密实度。
第19卷 增刊2004 年6月地球科学进展 ADVANCE IN EARTH SCIENCES Vol.19 Suppl.
J un.，2004
文章编号：1001-8166 （2004 ）增-0324-05
山区机场高填方地基变形与稳定性系统研究
刘 宏1，2，李攀峰2，张倬元2，韩文喜2（1．贵州工业大学喀斯特环境与地质灾害防治重点实验室，贵州 贵阳 550003
2．成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家专业实验室，四川 成都 610059 ）
摘 要：以四川九寨黄龙机场104 m 高填方地基为例，阐述了山区机场高填方地基变形与稳定性系统研究方法和步骤。认为高填方地基工程研究、设计与施工必须紧密结合，研究工作可分为5个阶段：第一，开展高填方地基基础地质条件研究和环境工程地质评价；第二，结合工程情况进行高填方地基变形与稳定性试验研究并提出软弱地基处理方法；第三，进行软弱地基处理试验和填料碾压夯实试验；第四，结合工程实践进行高填方地基变形与稳定性原位监测，并结合监测研究成果对前期试验研究进行反馈分析；第五，综合各阶段研究成果，对高填方地基将来的变形与稳定进行预测，并以此为依据进行场道工程设计。关 键 词：机场；高填方；变形；稳定；系统中图分类号： P642 文献标识码：A
随着我国西部大开发战略实施，多山的西南地区机场建设进入迅猛发展阶段。据不完全统计，目前西南地区在建和拟建的机场有攀枝花机场、九寨黄龙机场、南充高坪机场、万州五桥机场、黎平机场、兴义机场、康定机场、林芝机场、阿里机场、日喀则机场、荔波机场、龙洞堡机场、六盘水机场、新舟机场、毕节机场、昆明第二机场、红河机场、文山机场、黔江机场，扩建机场有达州河市机场、重庆江北机场、贡嘎机场、邦达机场等30多个［1］。这些机场的特点是高填方、高地震烈度、场区地质条件复杂、常分布有软弱土层，且机场建设周期短。因而妥善解决机场高填方地基的稳定与变形（沉降与差异沉降）是该地区机场建设的核心问题和首要问题。但国内外对机场高填方地基变形与稳定性系统研究仍不多见，甚至连“高填方”的标准也无统一定论。因而，山区机场高填方地基变形与稳定性系统研究是我国西南地区乃至全国山区机场建设过程中迫切需要解决的课题。九寨黄龙机场位于四川省阿坝州松潘县漳腊盆地东部谷坡上，机场场区地形条件复杂，处于高海拔（海拔3430 m）、高地震烈度（地震基本烈度为8.1
度）地区，场道工程具有高土石方量（挖方3093 万m3，填方2763 万m3）、高填方（最大填方高度104 m）和快速加载（主体工程加载期仅有14个月）的特点且高填方体底部分布有厚度大于10 m的软弱土层。因而，九寨黄龙机场是西南地区乃至全国机场建设史上最为复杂的和最具挑战性的机场。课题组基于前人的初勘、详勘等基础地质资料和环境工程地质评价，开展了高填方地基处理检测试验、砂砾石填料压缩蠕变试验、高填方地基变形与稳定性离心模型试验和数值模拟研究，以及长达2年的高填方地基变形原位监测，形成了九寨黄龙机场高填方地基变形与稳定性系统研究体系。
1 高填方地基变形与稳定性系统研究西南地区山高谷深，机场场区地形地貌复杂，机场建设势必进行深挖高填，且场区地层岩性变化大，地基土性状极不均匀，在沟谷高填方地段，各种基岩强风化层、残坡积层、冲洪积层和风成黄土在地表水和地下水长期浸泡下往往形成软弱土层。使机场高
收稿日期：2004-04-10． 作者简介：刘宏（1976-），男，博士，主要从事区域稳定与岩体稳定，地质灾害与防治研究. E- mail ： liuhsohu 1234＠ sohu. com 填方地基具典型的二元结构（图1）。因此，山区机场高填方地基是特指由下部包括软弱土层在内的原地基土体和上部人工填筑体两部分共同组成的特殊地质体，高填方地基变形则是指由包括软弱土层在内原地基土体所发生的变形和由人工填筑体压缩引起的变形两部分构成。山区机场高填方地基变形与稳定性系统研究如图2所示。从中可看出，山区机场高填方地基变形与稳定性系统研究是以大量的试验和观测资料为基础，把高填方地基设计、施工融合一体的高度信息化的生产管理方式，系统分5个阶段实施。
图1 九寨黄龙机场高填方地基横断面结构示意图 Fig.1 Theschem aticstructuralsection ofth ehigh em bankmentofJ iuzhai- Huanglong airport ， Sichuan China
（1）开展高填方地基基础地质条件研究和环境工程地质评价。主要研究内容包括机场场区的地形地貌、地层岩性、地质构造与地震、气象条件、水文地质条件、土石力学性质和不良地质现象等，工作应在初勘和详勘阶段完成。如通过对九寨黄龙机场场区地形地貌和地层岩性研究，认为元山子沟高填方区位于跑道中部，由南北两条次级支沟构成，填方区前缘沟谷坡度5～6°，后缘坡度14 ～15°，沟口部位为锁口地形，利于填筑体稳定，但高填方体底部分布有厚度大于10 m的软弱土层，它对高填方地基稳定性和地基沉降与不均匀沉降起着决定性作用。对气象条件和水文地质条件研究，认为元山子填方区地下水储量小，仅分布于浅表层范围之内，为就地补给、就地排泄类型的上层滞水，形成了高填方地基变形与稳定性“概化模型”。对不良地质现象研究，认为场区处于滑坡、泥石流、崩塌落石等地质灾害低发区，且场区出现高强度暴雨机率低，因而发生大规模泥石流的可能性较小，但由于降雨主要以地表洪水形式排泄，因而水土流失较为严重，高填方体必须采取有效的防护措施。（2）结合工程情况进行高填方地基变形与稳定性试验研究并提出软弱地基处理方法。针对九寨黄龙机场高填方地基具有高填方、高地震烈度、底部软弱土层厚度大等特点，采取多种试验研究手段相结
图2 九寨黄龙机场高填方地基变形与稳定性系统研究 Fig.2 Thesystem aticresearch on thedeform a tion and stabilityofhigh em bankmentofJ iuzhai- Huan glong airport ， Sichuan China
合的方法研究高填方地基的变形与稳定性。九寨黄龙机场高填方地基所采取的常规方法有岩土体的常规物理力学指标测定，底部软弱地基土进行高压压缩试验，上部人工砂砾石填料进行压缩蠕变试验等。通过常规试验研究，全面认识了解九寨黄龙机场高填方地基岩土体的工程地质特性和高填方地基变形发展规律及其稳定状况。发现高填方地基底部的软弱土是由力学性质较差的土层在地下水长期浸泡下形成，其力学性质较一般土层差，但却高于软土，不是真正意义上的软土，但软弱土层的压缩量在地基总沉降量中所占的比例达37％ ～55％［2］。软弱土对九寨黄龙机场高填方地基稳定
523 增刊 刘 宏等：山区机场高填方地基变形与稳定性系统研究 性和地基沉降与不均匀沉降起着决定性作用。为保证高填方地基稳定和控制地基沉降量，必须对其采取特殊工程措施进行处理。数值分析法中采取了日本软脑公司的3 D －σ和美国 ITASCA 公司的3 D － FLAC 分析软件，进行了正常工况下的静力分析和地震工况下的动力分析，发现高填方地基的填筑体与原地基接触面和道槽区（压实度98区）与土面区（压实度95区）接触面为2个薄弱介面（潜在滑面），且在50年发震超越概率为20％（地震烈度为7.7 ）条件下，高填方体稳定性系数小于1.0 ，必需进行工程加固处理。并开展了以碎石桩、块碎石强夯为主的软弱地基处理方案研究［3］。物理模型试验中采取土工离心模型试验研究高填方地基变形与稳定性随工程施工的动态发展过程。研究结果表明，高填方地基的沉降特征为“沉降大、压实快”，沉降主要发生于土方工程的施工期，最大沉降值为4.144 m，土方工程结束后的最大沉降值为0.442 m，占总沉降量的9.6％［4］。为下一阶段研究工作奠定了坚实的理论基础。（3）进行软弱地基处理试验和填料碾压试验。试验的目的是为实现设计提出的技术要求，按照预先拟订并已通过审查的施工方案，采用一定施工工艺和方法，通过—定量的具有代表性和针对性的试验性工作，从多个施工方案中比较、总结出能实现设计要求的科学、合理、经济、便于应用的施工工艺和方法，并通过评估，最终成为设计的依据，指导具体施工。中国民航机场建设总公司对九寨黄龙机场软弱地基处理制定了详细的试验方案（表1）。地基处理检测结果表明，软弱地基按试验方案处理后，高填方地基稳定系数可提高12.3％ ～17.3％，达到工程设计要求。同时，为减小高填方地基不均匀沉降和缩短沉降固结时间，软弱土最厚的A区采取换填措施。砂砾石填料碾压试验结果表明，粗粒含量、含水量和碾压方法是影响砂砾石料压实效果的最主要因素，其中粗粒含量直接影响着砂砾石料的最大干密度和最佳含水量。砂砾石料在碾压过程中存在最佳碾压遍数，试验中碾压机械为全液压牵引式振动压路机，轮径1.5 m，宽2.0 m，自重22 t，激振力89 t，碾压速率为2～3 km / h，填料松铺厚度为60 cm ，其最佳碾压遍数为6～8 遍［5］。
表1软弱地基处理试验方案 Table 1 Treatmentsoftheweak soil
试验段分区A区B区C区D区E区相对软弱土层厚度H（m）H≥10 7≤ H＜10 5≤ H＜7 3≤ H＜5 H＜3
处理方案挖土＋碎石桩挖土＋3000 k N・m强夯3000 k N・m强夯3000 k N・m强夯（少击数）挖土＋碾压 注：据中国民航机场建设总公司“四川九寨黄龙机场高填方地基处理方案及施工技术要求”
（4）结合工程实践进行高填方地基变形与稳定性原位监测，并结合监测研究成果对前期试验研究进行反馈分析。土和岩土工程的复杂性决定了原位监测试验的重要性，工程知识和经验的积累在相当程度上来自对监测资料系统分析，它也是验证一切理论和计算成果的重要手段。原位观测试验一般由“内观”和“外观”两部分组成，“外观”主要观测高填方地基的外形和相关部位的水平位移、垂直位移和倾斜位移等。水平位移观测主要有监测网法、导线法、交会法、激光准直和摄影测量等方法，如葛洲坝坝面水平位移观测采用直伸边角网和激光准直法，丹江口大坝采用导线法，陆水枢纽工程采用前方交会法。垂直位移观测主要有几何水准法、电磁波测距三角高程法、弦矢导线法、激光交会法和应用沉降仪、垂直位移计等方法。倾斜位移采用测斜仪观测。“内观”主要观测高填方地基的土压力和孔隙水压力等，一般用专门仪器观测。目前，国内的原位监测试验正处于以常规的大地测量为主，其它方法为辅，并逐步向自动化过渡的阶段，如凤滩、万安、葛洲坝、富春江等工程都已实现了原位监测的自动化。国外原位监测正向多媒体可视化的监测网络技术发展，它具有遥测、遥控、遥信、遥警和遥视（5 Rem ote ）一体化功能。针对九寨黄龙机场高填方地基变形与稳定问题，高填方地基原位监测试验主要目的有：①通过道面及填筑体内部的沉降监测，研究不同深度填筑土体压缩过程和原地基土体固结过程，为分析高填方地基工后沉降与差异沉降提供依据；②通过坡面及填筑体内部的水平位移监测，实时了解和掌握高填方体稳定状况；③通过长期监测资料掌握高填方地基沉降变形规律，预测高填方地基工后沉降；④开展原位监测，及时将监测结果反馈到高填方地基工程
