攀枝花民用机场场区高填方边坡稳定性研究.pdf

攀枝 花 民用机 场场 区高 填方边坡 稳定 性研 究 昆明勘察设计研究院余绍维黄经秋 【 摘要】 本文就 高填 方边 坡的 坡面、 坡比、 填 方体的 局部 稳定 和填方体的 总体 稳定 进行丁 试验研究 和 工 程评 价 。 关 键词 填 方边坡稳定 性评价 RES EARCH 0N S TABI LI TY OF HI I 讯F I LL S L0PE 0F PANZHI HUA AI RP0RT Ku n m i n g Pr o s p e c t i n g De s i g n I n s t i t u t e Yu S h a o we l Hu a n g J i n g q i u 【 A B S T R A C T 】T h e s l o p e s u r f a c e a n d p r o p o r t i o n o { h i g h f i Il s l o pe，p a r t s t a b i li t y a n d wh o l e s t a b i l i t y o i fil l b o d y a l e s t u d i e d a n d t e s t e d， a n d t h e e n g i n e e r i n g a p prai s a l i s a l s o g i v e n． KEY W ORDSFi l l S l o pe S t a b i l i t y Ap p rai s a l 引言 攀枝花机场位于攀枝花市东南部金江片 区保安营近南北走向的独立山脊东南例 ，拟 采用半填半挖方式进行建设。高填区包括航 站区和跑道区。跑道 区为主要的高填 区域 ， 一 般填方高度为 2 0 4 0 m，最大高度达 7 7 m 以上。填料拟就地取材 ，以泥页岩、炭质泥 岩及砂岩为主。根据勘察及测量成果初步估 算 ，总挖方量达 2 7 6 7 万 ，其 中硬土 按 公路土、石工程分级 硬塑至坚硬状态粘性 土、碎石类土及呈土状的强风化岩石划分为 硬土类 ；泥页岩、砂岩为软石类占4 0 ． 6 ％ 软石 占 5 9 ． 4 ％，软石中砂 岩 占1 4 ． 2 ％，为 此填料总体为土夹石。机场勘察针对填料 的 建筑性能及高填边坡的稳定性问题进行了多 种试验研究。 1 高填区的工程地质条件概况 1 ． 1 地形地 貌条 件 跑道高填 区地形为 向东倾斜 的缓坡 地 形 ，走向近南北 向，坡度 8 ～1 5 ，最大 1 8 ～ 加’ 。坡面走 向呈波状 起伏 ，陡 坎发育 ， 走向具一定规律性 ，呈 N w 向。地貌属 中 山区构造剥蚀斜坡地貌。 1 ． 2 地 层岩性 高填区表部为第 四系残积粘性土 ，一般 厚度0 ． 5 0 ～5 ． 5 0 m ，呈硬 塑至 坚硬 状态 ，含 有 1 0 ％～2 0 ％块石、碎石及母岩风化残块 ； 其下为侏罗系泥岩、炭质泥岩及砂 岩互层 ， 泥岩呈黄及灰黄色，薄至 中层状构造；炭质 泥岩呈青灰至深灰色 ，主要为中层 状构造 ， 具有失水龟裂现象；砂岩呈灰黄 、灰至灰白 色 ，以钙泥质胶结 为主，呈 中厚层状构造。 综合 强风化 带厚 度 为 5～8 m，局 部 1 0～ 2 0 m。岩层产状 由南至北表现为 倾 向 7 5 ～ 1 1 5 ，倾角缓且较一致 ，为 8 --1 6 。节理一 般不发育 ，可见三组 ，产状分别为 ①6 5 ～ 7 8 8 5～8 7 。 ，② 2 6 4～2 8 0 8 2 ～8 6 。 ，③ 2 9 7 -3 2 5 。 7 7 。 。在跑道区内岩层产状与 自 然坡面产状近一致 ，跑道轴线与岩层走向近 于平行 。 攀杖花民用机场场区高填方边坡稳定性研究余绍维等 邮编 6 5 0 0 5 1 维普资讯 1 3 不 良地 质现象 跑道高填 区将 经过三个 滑体 ，编号 为 1 、3 、6 号 ，经验算 ，三个滑体在 自然状态 下均处于稳定状态。 1 ． 4 水 文地 质 条件 跑道区 内无 长流地表 水流 ．地 下水 量微 弱 ，泥页岩及炭质 泥 岩一般 不含水或 局部含 少量 裂 隙水 ，砂 岩 中含 有一 定 量 的裂 隙水 ， 含量少且不均匀，无统一地下水位。砂岩中 地下水以泉水形式出嚣 ，据勘察期间观测结 果 ，泉水涌水 量 较 小 ，最大仅 达0 5 ～0 8 L ／ s。 由于地 下水 含量 微 弱 ，边 坡稳定 性验 算时可不考虑地下水压力的影响 。 1 ． 5 物理 力学 性质 机场勘察进行了原位载荷 、原位剪切及 岩土的试验等多种试验 ，取得了较全面 的资 料 ，根据试验结果综合分析后得到各岩土的 主要物理力学计算指标。 2 填筑土的物理力学性质及建 筑性能 2 ． 1 填料的击实试验 为取得填筑土的物理力学性质指标 ，采 取 3 0件岩土样进行室 内击实试验 ，取得 了 填筑土的最优含水量、最大干容重及其相应 的力学性质指标。与此 同时考虑 到因气候 雨季施工或其它原 因影响将造成填筑土 达不到最大干容重的情况 ，针对填筑土在达 到 9 0 ％7 d 及 8 0 ％ 条件下的力学性质进行 了模拟试验。 2 ． 2 填土的建筑性能 根据击实试验结果统计表明在最佳干 容重和最优台水量 的情况下 ，击实土的压缩 系数为0 ． 0 2 --0 ． 0 9 MP a 。 。 ，具备低压缩土性 质 ， 其压缩模量为 1 7 ． 7 ～4 6 ． 9 MP a。抗 剪 强度指标较大，快剪试验所得指标为 内聚 力 平均值 为 2 8 5 k P a ，内摩擦角 平均值 为3 9 ． 2 。 ；固结快剪试验指标 为 内聚力 c 平 均 值 为2 8 7 ． 4 k P a，内 摩 擦 角 十 平 均 值 为3 4 ． 4 。 。而残 积 土 的压 缩模 量 为 8 MP a ，c 为 6 3 k P a ，十为 1 2 。 。击实土的力学性质较残 积土提高了 ，说 明击实土的建筑性能比天然 残积土更好 。另外 ，击实土的快剪指标与固 结剪指标差别不大 ，这是因为击实土变形量 小 ，因而指标相近，说明击实土的建筑性能 较稳 定 。 统计结果还表明若填筑土的最大干容 重降低 ，也即压实度降低 ，则填筑土的力学 性质 随之而 降。如 压 实度 为 0 ． 9 0 7 d时 ， 填筑土的压缩系数 比最大干容重条件下增加 2 5 ％， 缩模 量 降低 约 1 0 ％， 内聚 力 下 降 约 4 7 ％， 内摩擦角降低 3 2 ％； 压实度为 0 8 0 时 ，压缩系数 比最大干容重条件下增加 1倍 多，压缩模量降低 约 4 1 ％，内聚 力降低 3 倍 ，内摩 擦角降低 约 3 6 ％。这说 明填筑土 的力学性质随压实度的降低而急剧降低。为 保证填方质量及其建筑性能，填方压实度不 能低 于0 ． 9 0 7 。 需说明一点 ，本次击实试验为轻型击实 试验 ，击实后岩土均呈土状。但 由于填料为 土夹石 ，其中岩石以软质的泥岩及炭质泥岩 为主，炭质泥岩具备失水龟裂性质 ．这样 ， 经碾压后泥岩及炭质泥岩将多呈土状 ，也即 填筑土实 以土质为主 ，则本次击实试验结果 基本能代表填方的质量标准和建筑性能。经 分析，击实土在最大干容重最优含水量条件 下的综合指标可按表 1 采用。 表 1 击实土 综台指标 3 高填边坡 的稳定性 问题 高填边坡 的稳定 性包括三个方 面 的问 题 坡面稳定性问题、填方边坡 自身 自然稳 定性问题及填方体整体稳定性问题。 3 ． 1 高填边坡的坡面稳定性 边坡坡 面稳 定性问题 即为稳 定边坡角 有色矿山--1 9 9 9 ． 5 维普资讯 或坡 比 的确 定 问题 。根据 土力 学 理论 及 公路堤设计的有关经验 ，稳定边坡角与 自然 休止角相关。压实土的自然休止角即为综合 内摩擦角 。根据规范及经验 ，填方边坡的稳 定边坡角应满足下式 t g 卢 ≤ 1 式中口为边坡角 ； 为填筑土综合 内摩擦 角 ；K 为安全系数 ，K 的范围值 为1 ． 0 5 ～ 1 ． 2 5，对于高边坡一般取 K1 ． 2 5。 根据土力学理论 ，综合内摩擦角 可按 下式计算 d t g a t g kc 2 d为 白重压应 力 ， 人整理得 t g t g k 3 c 一 般 取 号 ”， 代 3 式中h为边坡高度 ；7为压实土的综合容 重 ；c 、≠为 压 实 土 的 抗 剪 强 度 指 标 。 7、 c 、 可根据击实试验及相应 的力学试验获 得 。 从式 3 可知 ，综合内摩擦角与填方 边坡高度、填筑土的综合容重及抗剪强度有 关。而填筑土的综合容重及抗剪强度与填筑 土的压实度有关 ，因此可以说综合内摩擦角 与填方边坡高度及填方质量有关系。 根据本次击实土试验结果结合经验分析 后 ，对于压实土在不同干容重条件下的综合 容重 7、内摩力 c及内摩擦角 可按表 2取 值 。 亵 2 、c 、 取值表 注 表 中 为晨大干窖重 根据上表可计算 出在 K1 ． 2 5 条件下 不同高度的稳定边坡角 边坡放坡比 。 根据计算 ，在保证最大干容重 、最优含 水量条件下 ，边坡高度在 3 0 7 0 m之 间的 稳定边坡 比为 1 1 ． 4 6 ～1 1 ． 8 7；在 9 0 ％ 条件下 ，稳 定 边坡 比为 1 1 ． 8 9～1 2． 4 9； 在 8 0 ％7 d 条件下 ，稳定边坡 比为 1 2 ． 9 5 ～ 1 3 ． 5 0。说 明稳定边坡 比随边坡高度 的增 加而降低 ，随填筑土干容重的降低而急剧降 低 ，要保证最优边坡 比，必须保证填筑土压 实度达到要 求 。 以上 考 虑安 全 系数 为 1 ． 2 5，根 据 式 1 ．若降低安全储备 ，即降低安全系数的 取值 ，则可使稳定边坡 比增大，边坡 比增大 可 以缩短放坡长度 ，从而减少填方量。因此 选择合理的安 全系数 。可确 定合理 的边坡 比，使填方量更加合理。从而避免建设投资 的扩大 和浪 费 。 对于机场的高填边坡 ， 只要保证压实度 不低 于 0 ． 9 0 7 d 。 使 内 聚 力 c值 不 低 于 1 3 5 k P a ， 内摩擦角 值不低于 2 6 。 ， 在安全系 数取 1 ． 2 5的条件下 ，边坡 比可采用1 2 ． 0 。 也可按不同高度在 l I 5 ～1 2 ． 0之问选取 ． 使坡面呈内凹折线型或曲线型，这样做既可 满足稳定性要求 ，同时可减少填方量 和投 资。 3 ． 2 高填边坡坡体稳定性 机场跑道为主要高填 区，填方整平宽度 为 2 1 0 m，最大填方高 度为 7 7 m，最小填方 商霞为 2 0 m，一般填方高度 3 0 4 0 m。由于 边坡高度不同，选择填方高度最大部分 的剖 面进行分析。为便于分析比较 ，按坡面稳定 性分析结果 ，选取放坡 比为 l 2 ． 0，按填方 整平要求形成填方坡体横剖面 ，在坡面上选 择距离坡顶的垂直高度分别 为 1 0 、2 0 、3 0 、 加、5 0 、6 0 m 和 7 7 m 7个位置作为假定 的 剪破 E l 进行验算 ，验算结果即可代表不同高 度的填方边坡 自身稳定性。 验算是在 自然状态条件下 ，即安全系数 取1 ． 0 0的情况 ，未考虑安全储备 。若考虑 1 ． 2 5的安全储备 ，即安全系数取 1 ． 2 5时， 攀枝花 民用机塌塌区高填方边城稳定性研究泉缅维等 邮编 6 5 0 0 5 1 维普资讯 最大干容重 1 0 0 ％Y d 及 9 0 ％ 条件 下 边 坡 自身仍 均 处 于稳 定 状 态 ，而在 8 0 ％ 条 件下 ，高 度 大 于 3 5 m 的边 坡 ，稳 定 性 均 不 能满足稳定要求。因此，对于高填边坡 ，填 筑土压实度 不能低 于0． 9 0 。 3 ． 3 填方体整体稳定性 为便 于分析 ，仍选择 填方高度 最大 的剖 面作为代表性剖面进行分析。 填方体的整体稳定性是指填方整体沿基 底坡面 自然坡面的稳定性。由于高填区 原始 地 面沿 坡 向 起 伏 不 大 ，坡 度 相 对 较 一 致 ，且跑道 线与基底坡面走向近一致 ，因 此，可以把填方整体稳定分析按平面课题进 行 。可简化 成 图 1进 行稳定性 分析 。 ． 图 1 填方体剖面图 按图 l 所示 ，将填方体化 简为 A A B C， A C边代表原始坡面，这样就简化为求填方 体 A S C沿AC面抗滑稳定性。图中 为填 方边坡 坡 肩 与 坡 脚 的 高 差 边坡 高 度 ，。 为自然坡角， 为边坡角。填方体综合容重 为 。 LA C士A B 填方体截面 △ AB c的面积为 △ 舳 c 寺加 AC s i n 口 一口 壁 ． 2 s n 口s i n ／ } 单位长度填方体的重量为 Ⅳ 2 si n a n SI 代人稳定性系数计算公式 ， 一．W c o s at g , c L _ “ W s i n口 誉 sln ps in sln a4 tg 口 ’ 一 J 。 在确定 、 ≯值的条件下， 采用施 工手段 尽可能降低 减缓 基底坡度 。值 ， 能够有效 地增加 填方体 的整体稳定性 和安全 度。 由于客观原因不能减缓 。角时， 且存在 ≠ a的情况下 ， 假定填方体处于极 限状态 ， 这时有 K l ， 可将式 4 整理如下 ’ s i n a C O S 6 t g C O S a s i n a c t g t3 5 1 式 中 为无量纲因子式 ， 而且是个变量 。 取 s i n a一∞s t g c 。 8 ds i n a o t g p 6 当 c 、≯ 、 、p值确定时 ， 为一常数 。 根据计算和统计 ，高填区基底坡度一般 为 8 ～1 5 。 ，局 部 为 l 8～2 0 。 ，在 基底 坡 度 n 值小于或等于 1 2 。 时 ，填方体整体均处于稳 定状态。当基底坡度 为 l 2 。 c 。 所以可说高填区填方体整体均处于稳定 状态 。 4结 论 1 为保证填方的质量 ，填筑土压实度 不得低于0 ． 9 0 7 d ，在此条件 下 ，填筑 土具 备低压缩性土性质 ，强度较高 ，建筑性能较 好 ，可作 为基础持 力层使用 。 2 对于高填边坡 ，在填筑土满足压实 度不低于0 ． 9 0 Y d 的条件下，有如下结论 ①稳定边 坡 比可按 1 2 0选 用 ，也 可按 不同高度对 应 的边坡 比选用 边坡 高度在 3 0 m以内，边坡 比选用 1 1 ． 5；坡高在 3 0 有色矿 山1 9 9 9 ． 5 维普资讯 ～ 5 O m之间．边坡 比选用 1 1 7 5；坡高大 于 5 0 m，坡 比选用 1 2 ． 0。同时在一 坡上可 按不 同高度 以不同坡 比按折线型 放坡 ，尽量 减少 填方量 ．从 而减少 投资 。 ②边坡 自身处于稳 定状态 。在 已知条件 下 ．稳定系数 与高度呈 双 曲线关 系 。 ③边坡整 体处 于稳 定状态 。整体稳定性 可根 据 内摩擦 角 与 自然坡角 a的关 系进行 1 判断，也可以用兰 与 之问的关系进行分 析判 断。 3 为保证和 有效提高 高填边坡 的稳定 性和安全度，施工应做到以下几点 ①保证填 方 质 量 ，使 压 实 度 不 低 于 0． 9 0 。 ②清除基底松软层 ，尽量保证填方基底 处于硬土条件．使基底 地层 的 c 、 值 处于 较 高的状 态 。 ③尽量利用施工方式减缓基底坡度 ，可 采取台阶式整平的方式进行。 ④对填方体可采用夹筋方式 如加入土 工格同等填筑 ．以增强填土的抗剪强度。 ⑤对基底采取有效措施以防地下水对填 方体的人渗和浸润 ；对地表水应采取有效疏 排措施 ，以防地表水对边坡坡面的冲刷。 4 不同填筑方式的施工措施及技术经 济性对 比 ① 自然 式填 筑即在 做 到 上述 2 、 3 的条件下进行填筑。这种方式施工较为 简单明了，缺点是填筑量大，在填方高度较 大的地段放坡长度较 长，造成 占地面积较 大 ．同时加大了边坡管理和维护的难度。 ②在设计坡前一定位置设置挡土墙 以 重力式挡 土墙为优 后进 行填筑 。这样可有 效地控制放坡长度 ，进而降低填方 总高度 ， 减少填筑 量 ，同时 可增大边坡 的安全 度和稳 定性 ，并 便于边坡 的管理和 维护 。这 种方 法 施工难度相对较大 ，工期相对较长。建设挡 土墙 费用相对较高 ，这可 用减少 的填 方量相 抵 ，但 由于弃土量相应增加 ，为寻找弃土堆 场和运出弃土将会增加机场建设投资。 ③采取在一定高度设置一排 或几排 预应力锚 杆 索加 挡板 的形 式进 行 填 筑 。 方法是当填筑到一定 设计高度时．先在 基底施工锚杆 索锚固段 ．并进行预应力 张拉合格后，将 自由段加长至设计坡 面位 置 ．再 继 续 填 筑 到 某 一 高 度 ， 即 对 锚 杆 索 进 行 张拉 及 挡板加 固。这 样做 的 目的 是将高填边坡沿高度分成两段或数段 ，也就 是降低了边坡的计算高度 ．可有效提高放坡 比，从而降低边坡 总高度 。缩短放坡长度 ， 减少填筑量 。此种方法施工工艺简便 ，锚杆 索施工采 用机 械进行 ，对 于本机 场岩土 ， 施工速度较快 ，同时因填筑量 的减少 ，可极 大地提高施工进度。该方法必须进行严密的 设计计算．以确定锚杆 索的位置。此法 仍存在弃土堆放和运输问题。 上述② 、③ 两种方法 可 以相 结合 进行 设 计施 工。 由于机场 挖填方量基 本平 衡 ，采 用方 法 ①设计施工较节省投资 ；采用方法③在技术 上 比较先进 ．能有效保证填方的质量和安全 度 ，而方法 ②在国 内高 填方设计 施工 中最常 用 。 第一作者简介；杂绍维．男 ，3 5岁，工程师。 攀枝花民用机场场区高填方边坡稳定性研兜一余 绍维等 邮编 6 5 0 0 5 1 维普资讯