（岩土工程专业论文）康定机场北段高填方边坡稳定性及场道沉降变形研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着我国近几十年来经济的飞速发展和西部大开发的进行，我国加快了中 西部机场建设步伐。但是我国西部多高山峻岭，山区机场地质条件复杂，一般 存在高海拔、高烈度、高填方等问题，工程建设存在很多问题，需要作专门研 究，本文以康定机场为例，主要研究“高填方边坡稳定和场道变形”，对其它机 场建设亦有较大指导意义。主要得出以下结论： ( 1 ) 场区由冰碛土组成的粗巨粒土，分布不均匀、无层理、层位变化大为 典型的不均匀地基，但是其干密度大、密实度高、渗透性好、高承载力特点， 为良好的天然地基，作为填料经处理后可形成良好的地基。 ( 2 ) 通过对场地原地基强夯处理研究表明，原地基块石架空区和受地下水 影响区适合强夯处理，处理后能满足承载力和压实度的要求。针对填筑体单独 强夯则不能满足压实要求。 ( 3 ) 由变形监测成果分析可知，坡面位移较小，坡体稳定性好，位移最大 地方在约束较小地方，及填方最高坡顶交界处；填筑体的沉降大，而且发展快。 ( 4 ) f l a c 3 d 三维数值模拟填筑体沉降和观测值吻合很好，h 方向的差异 沉降3 0 左右，p 方向差异沉降大约2 5 。位置不同工后沉降不同，北段的工 后沉降大概占总沉降的1 5 - - 2 5 。 ( 5 ) 编写了f l a c 3 d 前、后处理的程序，解决了f l a c 3 d 建模困难以及无 法输出等值线图问题。 ( 6 ) 运用三维差分法基于强度折减理论评价康定机场高填方填筑体稳定性， 并且给出了安全系数和破坏模式，使数值计算能够像传统极限平衡法一样直观， 有重大工程意义。 ( 7 ) 提出了新的地震波基线调零的方法，通过f l a c 3 d 动力分析，研究了 边坡动力响应、加速度放大倍数规律和边坡破坏模式。 关键词：机场；高填方；沉降；强度折减法；边坡稳定；动力响应。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w r i t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m ys i n c er e c e n td e c a d e sa n dw e s t e r n d e v e l o p m e n td r i v e ，a i r p o r tc o n s t r u c t i o ni nw e s ta r e ah a sb e e np r o m o t e d h o w e v e r , i t i sm o u n t a i n o u si nw e s to fc h i n a , a n dt h eg e o g r a p h i c a lc o n d i t i o n so fm o u n t a i n o u s a i r p o r ta r ec o m p l i c a t e d ，g e n e r a l l y 、) r i t l lt h ep r o b l e m so fh i g ha l t i t u d e ，h i g l li n t e n s i t y , h i 曲- f i l l ，e t e t h e r ea r es e v e r a li s s u e si np r o j e c tc o n s t r u c t i o n ，w h i c hs h o u l db e s p e c i a l l ys t u d i e d t h i sa s s a yt a k e sk a n g d i n ga i r p o r t a sa ne x a m p l e ，m a i n l yo n “s t a b i l i t y o fh i g h - f i l l s l o p e a n dp a v e m e n td e f o r m a t i o n ，w h i c hw i l lb eg r e a t l y m e a n i n g f u lt oo t h e r 却r t s c o n s t r u c t i o n m a i n l yc o n c l u d e d a s ( 1 ) t h es i t ei so fm o r a i n es o i l ，w h i c hi sa st y p i c a ln o n - u n i f o r mg r o u n db a s e ， w i t hn o n - u n i f o r m i t yd i s t r i b u t i o n , n o n - b e d d i n ga n db i gc h a n g eo fb e d d i n gp o s i t i o n h o w e v e r 、衍廿l1 l i 曲d r yd e n s i t y , h i g hc o m p a c t n e s s ，g o o dp e r m e a b i l i t y , a n dh i 曲 b e a r i n gc a p a c i t y , i tc a n b ef o u n d e dt og o o dg r o u n db a s ea sf i l l e ra f t e rt r e a t m e n t ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h es t u d yo fd y n a m i cc o m p a c t i o no fs i t eo r i g i n a lg r o u n db a s e ， i ts h o w st h a tt h es t o n eb l o c ka e r i a lz o n eo fo r i g i n a lg r o u n db a s ea n dt h ez o n e a f f e c t e db yg r o u n d w a t e ri ss u i t a b l ef o rd y n a m i cc o m p a c t i o n , a n dc a nm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fb e a r i n gc a p a c i t ya n dc o m p a c t n e s sa f t e rt r e a t m e n t t h es e p a r a t e d y n a m i cc o m p a c t i o nf o rf i l l i n gw o r k sc a n n o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so f c o m p a c t n e s s ( 3 ) a c c o r d i n gt o t h eo b s e r v a t i o nr e s u l to fd e f o r m a t i o n , i ts h o w st h a t t h e d i s p l a c e m e n to fs l o p el a n di ss m a l l e r , t h es t a b i l i t yo fs l o p ei sg o o d , a n dt h eb i g g e s t d i s p l a c e m e n ti s o nt h ej o i n t e dp o s i t i o nb e t w e e nt h es m a l l e rr e s t r i c t i o na n dt h e h i g h e s ts l o p ea n g l eo ff i l l e r t h es e t t l e m e n to ff i l l i n gw o r k si sb i g ，a n dd e v e l o p s r a p i d l y ( 4 ) t h es e t t l e m e n to ff i l l i n gw o r k ss i m u l a t e db yf l a c 3 - dv a l u em e e t st h e o b s e r v a t i o nv a l u ew e l l f o rhd i r e c t i o n , t h ed i f f e r e n ts e t t l e m e n ti sa b o u t3 0 ，p d i r e c t i o ni s2 5 0 t h es e t t l e m e n ta f t e rw o k i n gi sd i f f e r e n ti nd i f f e r e n tp o s i t i o n t h e s e t t l e m e n to f ab i d s t a g ea f t e rw o r k i n gi s15 2 5 o f t h et o t a l ( 5 ) w r i t et h ep r o g r a mf o rb e f o r ea n da f t e rt r e a t m e n to ff l a c t os o l v et h e d i f f i c u l t yo fc o n s t r u c t i n gf l a c 叫m o d e l a n do u t p u t t i n gt h ec o n t o u rp l o t ( 6 ) a p p l yt h e3 - dd i f f e r e n c em e t h o ds t r e n g t hr e d u c t i o np r i n c i p l et oe v a l u a t et h e ，写南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i i 页 s t a b i l i t yo fh i g h f i l lw i l l i n gw o r k so fk a n g d i n ga i r p o r t ，a n dp u tf o r w a r ds a f e t yf a c t o r a n df a i l u r em o d e w h i c hm a k e st h ev a l u ec a l c u l a t i o n 舔i n t u i t i o n i s t i c 弱t r a d i t i o n a l l i m i te q u i l i b r i u mm e t h o d ，a n di sm e a n i n g f u lf o re n g i n e e r i n g ( 7 ) t h r o u g hf l a c 3 dd y n a m i ca n a l y s i s ，p r o p o s e d t h en e wz e r o 。a d j u s t i n g m e t h o df o rb a s e l i n eo fs e i s m i cw a v e ，s t u d i e dt h es i d e s l o p ed y n a m i cr e s p o n s e ，t h e m a g n i f i c a t i o nr e g u l a t i o no fa c c e l e r a t i o na n ds i d e - s l o p ef a i l u r em o d e k e y w o r d ：h i g h f i l l ；s e t t l e m e n t ；s t r e n g t hr e d e t i o n ；s l o p es t a b i l i t y ；d y n m i c a l r e s - p o n s e 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 口保密，在年解密后适用本授权书； 日不保密，适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名鹰群芳 日期：2 曰口g 年争月( 7 日 指导教师签名：巧徽 日期：沙g 年世月】7 e t 西南交通大学四南父遗大罕 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其 它个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个 人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 一躲粥李 日期：蒯年年月7 日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章前言 1 1 课题背景研究的意义 我国西部地区幅员辽阔海拔高，特别是青藏高原东缘地区因青藏高原的快 速抬升及河流的急速下切，形成了高山耸立，河流深切的复杂地形。因地形的 复杂性地面交通尚不发达，与东部经济发达地区的交通条件相比相去甚远。青 藏高原东缘地区丰富的矿产资源、水力资源，特别是极为丰富的旅游资源急待 开发，单一的地面公路交通严重地制约着该地区的资源开发和经济发展。民航 机场建设以其周期短、投资相对较少，航线设置灵活性大、节省土地及运输时 间短的特点，相对于公路、铁路等交通运输方式而言具有不可代替的优势。根 据我国西部大开发战略的要求，我国西部地区机场的建设，尤其是高原机场建 设任重而道远。根据国家中、长期交通规划，今后5 年内将在西部地区新建、 迁建2 8 个支线机场，改扩建2 7 个干线、支线机场，到2 0 2 0 年西部地区机场数 将达到1 0 0 个。其中，规划建设或扩建的四川康定机场、稻城机场、亚丁机场、 马尔康机场，西藏林芝机场、拉萨机场、阿里机场、日喀则机场、邦达机场， 青海玉树机场、巴塘机场和茫崖机场等1 0 余个机场，均位于青藏高原边缘地带 的高原或高山地区，海拔高程多在3 0 0 0 m 5 0 0 0 m 之间，建设好这些机场还有 许多工作要做。 我国青藏高原及其东缘地区修建机场，有的因海拔高，气候多变，施工条 件恶劣及施工难度大，采用常规的方法施工其质量或工期难以得到保障；有的 因场地高差悬殊地形复杂，高填方边坡及开挖高边坡稳定问题和高填方场道工 后变形量等问题突出；有的因地基岩土体成因多样、结构及工程特性复杂，利 用通常的施工方法和检测方法难以达到预期的效果；有的因大气降水丰富，地 表水和水文地质条件特殊，地表及地下水对场道和高填方稳定性及变形的作用 复杂、影响问题突出；有的因地形地质条件限制，机场供水工程浩大或困难； 有的因昼夜温差和季节性温差大造成的冻融，加剧了高填方地基土的不均匀沉 降变形。此外，我国高原机场多数位于青藏高原东缘高地震烈度区，使上述工 程问题更加突出。因此，高原机场的建设有大量技术问题需要解决。 高原机场建设投资巨大，其中大部分投资用在土石方工程上，若填筑体失 稳，就会造成巨大的经济损失并可能危及人们的生命安全。所以，以典型高原 机场建设为例，开展与高原机场高填方边坡稳定性和填筑体沉降变形相关问题 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的研究是非常必要的。 拟建的康定机场是四川省“十一”五发展规划中的交通工程类第一批实施项 目，位于四川省甘孜州折多山西侧，与康定城直线距离约为2 4 k m ，机场设计等 级为4 c 。康定机场是国内第二高海拔机场，海拔高程4 2 4 2 米左右，仅次于4 3 0 0 m 的西藏邦达机场( 该机场不存在高填方问题) ，最大填方高度超过4 0 m ，最大填 方边坡高度约8 5 m ，挖填土石方工程量总计达4 0 0 0 万方，地基和填筑料为含大 量块石的特殊冰碛土，结构复杂，级配差，力学特性差异大，局部架空或松散 土体普遍。场地地质环境条件复杂，位于川西“y ，型活动构造断裂带节点附近的 度高地震烈度区；场地水文地质条件特殊，地下水位高i l l 4 1 。规划建设的四 川省稻城、亚丁机场、马尔康机场，青海省有玉树机场、巴塘机场和茫崖机场 等位于青藏高原或其东缘高山峡谷地区的机场场址位于高海拔的冰水堆积体上， 建设中均存在上述技术问题，无论是气候及地形条件还是水文及环境工程地质 条件，康定机场都具有代表性，依托该机场工程建设研究高原机场高填方边坡 稳定性、沉降变形及其相关理论，其成果不仅能解决康定机场建设中所面临的 技术难题，而且对解决青藏高原或其东缘地区其它机场或公路、铁路等基础设 施建设中可能遇到的类似技术难题具有理论和实际意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 填料研究 ( 1 ) 粗粒土研究现状 粗粒土通常是指块石、碎石、( 粒卵石) 、石屑、石粉及砂砾石等粗颗粒组成 的无粘性混合料，或者粘性土中含有大量粗颗粒的混合土。粗粒土具体定义各 国不同，我国把粒径o 1 m m - - 6 0 m m 土颗粒称为粗粒，d = o 1 m m - - 6 0 m m 质量 大于5 0 土石混合料称为粗粒土。粗粒土一般为单粒结构，粗粒土粒径大小相 差很大，小的颗粒填补了大颗粒间的孔隙，级配良好的粗粒土比级配均匀的粗 粒土密度更高。粗粒土压实性好、透水性强、填筑密度大、抗剪强度高、沉降 变形小、承载力大等，是良好的填方材料。在山区或重丘区修建高等级公路、 山区机场高填方体，利用粗粒土填筑，可以就地取材，少占田地和减少环境污 染，其社会经济效益相当显著。 粗粒土作为填筑料最早应用于堆石坝工程中，早在1 9 世纪中叶堆石坝工程 是将填筑的石料由一定的高度抛下( 即抛填法) 进行填筑，几乎见不到像现在这样 的用压实机械对堆石料碾压的情况。此后，相当长一段时间，对填石料工程主 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 要是凭经验。2 0 世纪4 0 年代开始对填石料的工程性质系统研究，经数十年的研 究积累，成果丰硕，但这些成果中室内试验研究的比重占大多数，现场的研究 则显得不足。1 9 7 3 年，日本土质工学会成立了“粗状体的力学特性研究委员会”， 就粗状材料开展了调查、研究，其研究成果反映在1 9 8 2 年1 0 月正式出版的堆 石料的试验和设计强度一书中。成立于1 9 8 1 年的“关于粗粒料试验的研究委 员会”，其研究内容是查明粗粒料的强度、变形试验值离散的状态和原因。但在 如何提高粗粒料的研究时未能密切结合现场的实际情况，针对这一点，1 9 8 6 年 8 月成立了“关于粗粒料现场压实评价的研究委员会”，其研究课题是探讨粗粒料 实验室密度和现场密度及其关系，为达到系统评价粗粒料现场压实这一目的， 收集、分析大量数据，进行了精心尽力的调查和研究。1 9 9 0 年l o 月，日本的岩 片透先生及松井家孝先生在总结本国和世界其他国家在粗粒料方面研究成果的 基础上，出版了粗粒料的现场压实一书【5 】。在我国，粗粒土在工程中的应 用以后来居上的姿态，近年来得到突飞猛进的发展【6 j 【1 5 j 。由包承纲、郭庆国、 杨荫华等水电系统专家与学者，对土石坝工程性质进行了系统研究，并于1 9 9 8 年8 月，郭庆国先生编著的粗粒土的工程特性及应用一书问世，这标志着 我国在粗粒土工程中的研究取得了显著成果 1 6 1 ，但是，关于粗粒土在路基工程 中的应用及如何对其压实质量评价，是国内外学者十分关心而又未获得解决的 问题。在现行公路粗粒土路基工程的施工中，许多专家学者在己有研究成果的 基础上结合公路、机场高填方地基等自身的特点，对公路、高填方体等粗粒土 工程的施工方法和质量控制进行了大量的研究，并取得了大量成果，在理论研 究及工程实践中具有较强的指导意义。典型的代表成果有：秦尚林【1 7 1 ( 2 0 0 7 ) 在其 博士论文巨粒土高路堤压实控制与力学性状研究对粗巨粒土的压实控制与 力学性状进行了系统研究。谢春庆【1 8 】( 2 0 0 4 ) 在“粗巨粒土填筑地基”一书中结 合众多机场、公路和铁路等方面的资料较系统的研究了粗巨粒土填筑体地基工 程特性。 ( 2 ) 冰碛土研究现状 随着国外对高土石坝修建防渗材料限制的放宽，目前的趋向是尽量利用低 廉的近处粗粒材料，如砾石土、宽级配的冰碛土及风化料修筑心墙，并且对这 类材料的特性在实验研究中已取得了不少进展；我国对冰碛土的研究也取得了 不少成果。自1 9 8 5 年以来，许多专家学者从宏观、微观角度围绕冰碛土结构特 征及工程特性作了大量的研究，无论是在理论上或是实际工程实践中，均取得 了丰硕成果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 最具代表性是屈智炯等研究小组结合瀑白沟工程的冰碛土，从1 9 8 5 - 1 9 9 0 年系统的研究了冰碛土微观特性、结构特征、力学特性。其试验表明冰碛土所 具有的一些特殊的力学性质是难以从宏观的角度得出正确的解释。从微观的角 度出发，研究冰碛土颗粒排列和定向性、孔隙大小及其分布，以及颗粒本身的 棱角、破碎等问题，从本质上对各种力学性质进行探索【1 9 1 【2 。 谢春庆【2 2 1 1 2 3 1 针对西部某机场冰碛土工程特性从土层组成、密度、固体体积 率、力学特性等方面此地冰碛土工程特性做了较为详细的研究。 针对冰碛土工程特性研究，在土石坝工程应用较多，在高填路基中研究则 不多，特别是压实特性方面。 1 2 2 机场地基处理 高填方地基处理方法很多，强夯、碾压、碎石桩等，针对不同场地特征可 采用不同加固方式 2 4 1 【3 1 1 ，山区机场地基处理应用最广的主要是强夯和碾压。康 定机场地基处理用的是强夯和碾压。 强夯法地基处理是2 0 世纪6 0 年代末由法国m e n a r d 技术公司首创，我国于 1 9 7 8 年开始在工程中试用，由于强夯技术经济易行、效果显著、设备简单、施 工方便、质量容易控制、适用范围广、节省材料、施工周期短，2 0 世纪9 0 年代 以来，强夯法在机场软基处理中被广泛采用，并且取得了不错的效果。甘厚义 和周虎鑫等在大理机场、龙洞堡机场把强夯用于软基加固处理外，还把强夯用 于填筑料的夯实加密，并取得了显著的经济效益。周虎鑫 3 2 1 等通过对兴义机场 对红粘土的击实试验、单点夯试验和地基检测试验( 动力触探、压实度、土工试 验及荷载试验) ，经分析计算得出采用置换强夯法进行地基处理是行之有效的。 赵靖等【3 3 】通过对某机场地基强夯试验研究，认为强夯后地基承载力一般都能满 足设计要求，但是填料影响因素比较大，可能会不满足沉降量的要求。蒋建良 通过对杭州新机场强夯和碎石桩地基处理试验后，认为强夯加固该机场更经济 有效【3 4 1 。周平等研究了强夯最佳夯击次数问题，通过实际工程资料中孔隙水压 力随夯击次数发展的时空分析，发现其时空规律，根据此规律即可确定最佳夯 击次数【3 5 1 。 大理机场、龙洞堡机场等软基强夯加固处理，这些软基处理的根本目的是 提高地基土强度，增加高填方体稳定性，但对于大多数由较多大块石与粉土或 粉质粘土或碎石土组成的高原机场地基土，利用强夯及碾压的效果尚需研究和 工程验证。此外，高填方体变形控制的目的是通过各种变形控制处理，提高高 填方体变形沉降速率，减小工后剩余沉降变形量，在较短的沉降期内达到道面 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 变形控制要求。因此，有必要对各种加固方式方法对高填方边坡稳定性影响作 进一步的研究。 1 2 3 变形监测 变形监测广泛应用于边坡工程、基础工程、港口工程等涵盖了整个土木工 程行业 3 6 1 4 0 l 。变形监测使用的仪器精度越来越高，由最初的厘米级误差发展到 毫米，甚至更高，操作越来越简单智能功能越来越多，种类越来越齐全。本次 变形监测主要应用的仪器全站仪、分层沉降仪、测斜仪以及水准仪等。 1 2 4 地基变形与预测 地基沉降的预测方法较多，有回归分析、时间序列分析、灰色理论预测、 人工神网络模型预测、数值模拟等，这些方法各有优缺点。 回归分析法是一种经验方法，在长期观测资料基础上有重要的实际意义。 石宜生、姚成焕【4 1 1 1 4 2 等人应用回归分析法在三峡机场1 7 7 m 高填方地基沉降预 测中取得了较好结果。 数值模拟预测变形力学概念清楚，理论上不需变形监测成果，当然如果有 变形监测成果对比，数值模拟结果更有说服力，李秀珍，许强，孔纪名，丁秀 美【4 3 】，用f l a c 3 d 对九寨黄龙机场高填方体边坡进行了模拟，取得的变形值与 观测结果比较吻合。但是康定机场地质条件、填料特性以及施工方法不同于黄 龙机场，有必要在对康定机场进行变形预测。 1 2 5 填土边坡稳定性分析 边坡静力稳定性方法主要有极限平衡法和数值方法，还有可靠性理论、模 糊数学、灰色理论等不确定方法，但是不确定方法由于各种原因尚未大规模应 用。 ( 一) 极限平衡法 2 0 世纪初，人们对边坡稳定性的分析评价几乎完全限于土力学的研究范围， 计算分析建立在极限平衡理论的基础上或是从边坡所处的地质条件及滑坡现象 上对滑坡发生的环境及机制进行分析。1 9 1 6 年，彼得森( k e p e t t c r s o n ) 和胡 尔顿( s h u l i t n ) 根据大量观测论证了某些土体( 特别是有粘结力的土体) 在发 生滑动失稳破坏时，其滑动面是与圆柱面接近的曲面，在此基础上k e p e t t o n s o n 提出了圆弧滑面分析法，仍只计算土的内摩擦力，并且不考虑土体内部条间的 相互作用力，这就是最初的瑞典圆弧法。 2 0 世纪3 0 - - - 4 0 年代是瑞典圆弧法逐渐完善的时期，瑞典学者费兰纽斯 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ( w f e l l e n i u s ，1 9 2 7 ) 将最初的圆弧法推广到兼有摩擦力和粘结力的土坡稳定 计算中去，并初步探索了最危险滑弧位置的变化规律。4 0 年代后，不少学者致 力于改进瑞典圆弧法，主要研究两个方面：一方面，不少学者致力于探索最危 险滑弧的位置，制作数表、曲线以减少计算工作。如泰勒( d w t a y l o r ) 、毕肖 普( a w b i s h o p ) 、拉姆里和包洛斯等；另一方面，有不少人研究滑裂面的形状， 如太沙基( k t e r z a g h i ) 等。 2 0 世纪5 0 年代，美国学者k t e r z a g h i ( 1 9 5 0 ) 发表了滑坡机理的论文， 系统的阐述了滑坡产生的原因、过程、稳定性评价方法以及在某些工程中的表 现。1 9 5 4 年9 月在瑞典的斯德哥儿摩召开全欧第一届土力学会议，主题就是滑 坡稳定性问题。1 9 5 8 年美国公路局的滑坡委员会编写了世界上第一本全面论述 滑坡防治的专著一滑坡与工程实践。这一段时间的研究仍停留在定性分析水 平上，期间稳定性分析方法出现了j a n b u 法】、b i s h o p 法( 1 9 5 5 ) 【4 5 1 。但苏联 学者叶密雅洛娃等( 1 9 5 6 ) 却开创了将地质分析与力学分析结合起来的分析思 路，提出自然地质历史分析法，通过分析滑坡崩塌等边坡破坏的形成与发展过 程，判断引起这一地质过程的原因和因素，并在此分析评价的基础上，应用土 力学计算方法作出稳定性评价。而国内的研究工作侧重于滑坡历史资料的分析 及滑坡形态分类，探讨不同类型边坡的稳定性分析方法及相关的变形破坏机制。 在此期间，边坡稳定性分析多用土力学理论，而很少考虑岩体的结构特性及岩 体中的地质结构面，特别是软弱结构面对边坡岩体稳定性的研究。 2 0 世纪6 0 , - - - 7 0 年代，是边坡稳定性研究的重要发展阶段。人们通过削夺边 坡失稳事例的深入调查、分析、研究，认识到边坡的演变是一个累进性变形破 坏过程，有着明显的时间效应，对边坡的研究必须将地质分析与力学机制分析 两者紧密结合起来。发展了岩质斜坡稳定性分析方法，强调和重视边坡工程地 质条件，边坡稳定性研究进入力学机制和内部作用研究阶段。在这一阶段，边 坡稳定性极限平衡法得到了长足的发展，出现了m o r g e n s t e m p r i c e 法( 1 9 6 5 ) 1 4 6 j 、 s p e n c e r ( 19 6 7 ) a t l 、s a r m a r 法( 19 7 3 ) 【4 8 】和不平衡推力传递系数法等。这些方法 实质还是条分法。 潘家铮( 1 9 7 8 ) 提出了滑坡极限分析的两条基本原理即极大值原理和极小值 原理，他指出滑坡发生时，其内力会自动调整以发挥最大的抗滑力，同时真实 的滑裂面是提供最小抗滑力那个。孙君实( 1 9 8 4 ) 应用模糊数学理论，对解的 合理问题提出了模糊约束条件，并对潘家铮的论点做了证明。 自2 0 世纪8 0 年代以来，边坡稳定性研究的理论、方法及实践都得到了深 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 入的发展和完善，边坡稳定性研究仍然是工程地质界、岩石力学界的研究热点。 分析方法分析手段得到长足发展，极限平衡分析法得到不断完善。如王复来 ( 1 9 7 9 ) m 对j a n b u 法的改进，陈祖煜( 1 9 8 3 ) 5 0 1 对m o r g e n s t e m p r i c e 法的改 进；孙君实( 1 9 8 1 ) 【5 l 】在前人工作基础上，在土坡稳定分析的理论和方法方面 进行了全面的研究，较好的解决了长期以来人们在计算中尚无法合理处理的滑 动土条内土条间相互作用力的大小、方向、和作用点位置的问题，在滑面形态 的构成和寻求最危险滑面方法方面提出了行之有效的数值计算方法，深刻地揭 示了突破稳定性问题的力学原理，推动了土坡理论的深入发展。 陈祖煜( 2 0 0 1 ) 【5 2 】介绍了对边坡稳定分析三维极限平衡方法的一个新解法， 它是二维s p e n c e r 法在三维条件下的扩展。该法保证了滑坡体三个方向的静力 平衡，同时，还增加了一个整体力矩平衡条件，行界面的条间力不再假定为水 平，条底的剪力方向也不假定为平行于主滑平面，没有对滑裂面的形状和边坡 的几何、物理特性作任何假定。但是由于忽略了条间力的一些分量，计算结果 仍是近似解，可能偏小，属上限解。 蒋斌松等【5 3 】( 2 0 0 4 ) 建立了边坡滑体平面滑动时临界滑裂面及最小安全系 数的准确解析算式，不用通过条块，而是通过积分求和建立了边坡滑体作圆弧 滑动时安全系数精确算式。 张均锋( 2 0 0 4 ) 5 4 1 对简化j a n b u 法进行了扩展，考虑到三维的边界效应， 对离散化后的每一行列进行分析，同时考虑了各行列间的水平推力，拓展了传 统的极限平衡法分析边坡体稳定性时只给出一个整体安全系数思路。可对坡体 局部稳定性和潜在滑动方向进行判定。 朱大勇，李焯芬，黄茂松，钱七虎( 2 0 0 5 ) 5 5 】对著名边坡稳定性计算方法； m o r g e n s t e m - - p r i c e 法，严格的j a n b u 法，与s a r m a 法进行了实质性的改进，基 于这些方法的基本假设，重新推导了更为简介的安全系数计算公式。 王国体【5 6 】考虑了土的初始应力状态，应用土的抗剪的基本理论，给出了平 面土坡强度安全储备和坡体安全系数计算公式，可以与传统的条分法的计算结 果作对比。但是计算工作量大大减少。 ( 二) 数值方法 在数值分析方面，工程应用越来越广【5 7 】【6 5 1 ，出现了新的数值分析方法，如 c u n d a l l 6 6 j 提出的离散元法，用于岩体的有石根华与g o o d m a n ( 1 9 8 9 ) 提出的块体 不连续变形分析( d d a ) ；石根华通过研究d d a 与有限元的数学基础，于1 9 9 5 年提出的d d a 与有限元法的统一形式数值流形法( n n m ) 等以及改进的有 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 限元法( 刚体有限元法、c o s s e r a t 介质有限元法、断裂力学有限元法) 等。具体 方法主要有； ( 1 ) 有限元圆弧搜索法 通过有限元分析得到每个节点的应力张量，假定一个滑动面，即可用有限 元计算出滑面上一点法向应力和剪应力，根据莫尔一库仑准则求得该点的抗滑 力。由此即能求得滑面上每个节点的抗滑力与下滑力，对滑面上的抗滑力与下 滑力进行积分，就可求得稳定系数f s 。假设滑面为圆弧型，并不断变换圆心与 半径进行搜索，就可得到最小安全系数，即斜坡的稳定系数。此法需要假定滑 裂面，而且是圆弧形，不适于任何形状的滑裂面。 ( 2 ) 有限元强度折减法 有限元中，通过强度折减，直至计算到不收敛为止，其折减系数即为稳定 性系数。这种方法在国外8 0 年代就采用，但是由于力学概念上的不十分明确， 而且受到计算程度及精度影响，这种方法在国内至今没有流行。郑颖人等( 2 0 0 1 ) 6 7 1 删通过实例计算发现，只要严格控制计算精度，并采用莫尔一库仑准则，其 计算结果与传统方法十分接近，并且有如下优点； a ，能够对结构、地貌复杂斜坡进行计算； b ，考虑了岩土体本构关系，及其变形对应力的影响； c ，能够模拟斜坡变形过程及其滑移面形状，滑移面大致在水平位移突变及 塑性变形发展严重的部位； d ，能够模拟斜坡的支护； e ，求解稳定性系数，不需要假定滑移面的形状，也无需进行条分。 ( 3 ) 数值流方法( d d a ) 石根华与g o o d m a n ( 1 9 8 9 ) 提出的块体不连续变形分析( d d a ) ，很好的解决 了不连续介质在空间上稳定性分析。 ( 4 ) 拉格朗日差分法( f l a c ) 从1 9 9 9 年在美国m i n e a p o l i s 召开的第一届f l a c 数值模拟方法在地质力学 中的应用的国际学术讨论会( i n t e m a t i o n a lf l a cs y m p o s i u mo nn u m e r i c a l m o l d e l i n gi ng e o m e e h a n i e s ( 1 9 9 9 ：m i n n e a p o l i s ) ) 所列举的大量计算实例表明， f l a c 在岩土体稳定性分析方面有着非常强大的功能。用f l a c 不但可以较为 准确地通过最大剪应变增量和剪应变速率自动地搜索出滑坡潜在滑动面或剪切 错动面，还可以通过对系统非平衡力的跟踪和主要部位变形演变过程的分析， 判断岩土体的稳定性状况。有人将利用f l a c 计算和搜索出来的滑面位置以及 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 岩土体的稳定性状况与用一般极限平衡法的结果相比较发现，f l a c 所判断出 来的岩土体稳定性状况与一般极限平衡法所得结论具有较好的可比性和一致性。 这就说明直接利用f l a c 进行岩土体稳定性分析是可行的。但我们知道，极限 平衡法的滑动面是人为假定的，而f l a c 所圈定出来的潜在剪切破坏面则是根 据岩土体的应力和变形情况自动“搜索”出来的。因此，用f l a c 进行岩土体的 稳定性分析有着一般极限平衡方法所不能替代的功能和优点 6 9 1 【7 4 】。 综上所述，边坡稳定性分析理论已经有很长历史了，而且日趋完善。现在 本课题关键是正确选择边坡稳定性的分析理论，而这问题关键在于对填方土体 工程特性把握，以及施工工艺质量的正确了解，还有工程地质条件深入了解等 因素，综合分析上述因素选取正确的试验参数，建立高填方体数值分析模型是 难点。目前像康定机场这样的高原高填方边坡模型，特别是高原冰碛土工程特 性不甚明了，复杂地质水文条件下的模型就更少，几乎没有。虽然九黄机场用 数值分析和现场观测的经验，分析地基稳定性取得了不错的效果，但是九黄机 场情况和康定机场并不一样。仍需进一步的研究分析。 1 3 研究目标及内容 1 3 1 研究目标 本文以康定机场土石方工程高填方边坡变形监测和冰碛土特性研究和高原 机场土石方工程质量检测技术方法研究为依托，来展开研究的，研究目标是通 过康定机场高填方冰碛土特性研究，对高填方高边坡稳定性影响因素，变形机 理及影响因素，与填方土体之间关系，用有限元建立有限元模型模拟边坡变形 量，最后达到本文目的即正确合理对康定机场高填方边坡稳定性作出评价以及 预测场道沉降，并反馈到施工现场，保证工程顺利进行。 1 3 2 研究内容 本课题的研究内容是； ( 1 ) 场地的工程地质条件，水文地质条件，对边坡稳定性的影响因素。 ( 2 ) 冰碛土工程特性，包括碛土压缩特性、压实特性、动力特性，特别是 填料中块石之间的压实特性的研究。 ( 3 ) 原地基处理试验研究和填筑体试验研究。 ( 4 ) 现场边坡位移监测数据分析研究。 ( 5 ) 基于变形监测成果，通过数值方法预测填筑体变形。 ( 6 ) 研究填筑体边坡静力和动力稳定性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 1 4 研究思路及技术路线与方法 本课题的研究方法是按“现场调研与资料收集室内和现场试验研究 理论分析研究成果检验”的总体研究思路进行。 图i = i 技术路线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第2 章工程区环境地质概况 2 1 场区自然地理及地形地貌特征 2 1 1 场区自然地理 甘孜州境内山高谷深，目前难以修建铁路；河流水急滩险，不能通航。甘 孜州目前对外唯一的通道是川藏公路( 国道3 1 8 线) ，交通是牵制全州经济发展 的命脉。康定机场场址位于康定城西北直线距离约2 4 k m ( 公路距离约5 0 k m ) ， 西距新都桥直线距离2 6 k m 。3 1 8 国道线从南侧约9 k m 处通过，交通较为方便， 详见交通位置图( 图2 1 ) 图2 1 康定机场交通图 康定机场场区属高原高寒气候，其主要的特点是冷季漫长严寒，暖季短暂 且温凉，长冬无夏，春秋相连，热量水平低，日照充足( 据康定民用机场预 可行研究报告) 。 常年风向以东南风为主，其次为西南风，静风占4 5 ；最大风速约1 8 r n s ， 一般为西南风或西北风；大风主要出现在午后至傍晚。各月平均气温在一7 6 0 c 8 6 0 c 。最热月( 7 月) 平均为8 6 0 c ，日最高气温的月平均值1 5 7 0 c ；最冷月( 1 月) 平均气温7 6 0 c ；极端最高气温为2 2 8 0 c ，极端最低气温为3 6 4 0 ( 2 。场区降 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 水主要集中在五月f 旬至九月末，占年降水量的9 0 5 ：多年平均年降水量 9 2 3 5 m m ，年最大降水量1 2 0 7 2 m m ，年最小降水量7 0 1 o m m ，曰最大降水量 5 9 5 m m 。目前，康定机场设有专门的气象站，设计所需详细气象资料可由其提 供。 2 1 2 场区地形地貌 场区位于青藏高原的东南缘，受区域构造和第四纪冰期、间冰期冰川作用 的影响，形成独特、复杂的地形地貌。场区东侧为折多山山脉，由燕山期黑云 母花岗岩( 丫b 5 3 ) 岩基裸露构成，属侵蚀中高山地。地势陡峻，风化剥蚀强烈。 山顶高程一般4 3 0 0 m - - 4 9 0 0 m ；西侧多为古夷平面，沟谷纵横其间，水系发育。 山体呈平缓浑圆状，绵延起伏。区内山峰总体走向多呈北西南东向展布。 场区地处折多山的西麓，总体地势东高西低，北缓南陡。南段地形起伏大， 东西向坡度最大，平均1 4 0 ，最大5 3 0 ；北段较为平缓开阔，南北向平均坡度2 4 0 ， 东西向平均坡度5 3 0 ，最大坡度4 2 0 。全场区最低标高4 1 6 5 m ，最高处标高4 2 8 1 m ， 相对高差达1 1 6 m 。 跑道南端跑道嘻，鄣 鲍遂北端 图2 - 2场区地形地貌( 在折多山上拍摄) ( 大湖为斯丁措，小湖为小海子) 第四系冰川堆积作用形成的地貌，具有类型复杂，分布不规则，微地貌单 元较多的特点，由于冰川地质作用的多样性和复杂性，构成了该区典型的冰j i i 地貌。场区内主要分布有冰碛垄岗、融溶凹地、冰碛台地、阶地陡坎、冰碛湖、 刨蚀沟等微地貌。 冰碛垄岗：多见于海螺沟早期冰川前缘，主要为终碛形成，呈浑圆小丘状 沿前缘断续分布，规模不等。一般平行冰川体运动方向长5 m 1 l o m ，垂直冰 川运动方向( 长轴方向) 长为1 5 m - 1 6 5 m 。物质组成主要为碎石、角砾及砾砂等， 其母岩成分均为黑云母花岗岩。 融溶凹地：主要分布于海螺沟冰期冰川堆积层上，系冰川消融后，在冰川 体间固体物质较少的部位形成凹地，表现在地表为形态极不规则，大小和深度 爨一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 差异较大。据调查统计结果，仅在场区范围有7 3 个，多呈椭圆形、纺锤形，长 轴一般为1 0 m - 1 0 0 m ，最大达2 7 0 m ，个别呈圆形，直径2 5 m - - 3 0 m 。深度一般 2 m - - 5 m ，个别达7 m 。 冰碛台地：在各冰期和间冰期堆积物上均有分布，形成相对平坦开阔的台 地，场地内分布有7 4 个，最小面积约4 1 6 m 2 ，最大可达3 4 0 0 0 0 m 2 。在台面上广 泛分布约7 1 8 - - 1 9 0 8 的块石，密度极不均匀。 阶地陡坎：常出现在间冰期冰川作用的前缘，陡坎高度一般3 m - - - 4 0 m ，长 度从数十米至数百米。场区可见9 个明显完整的陡坎，平均坡度5 7 0 - - - 3 8 0 。 冰碛湖：沿各冰期冰川前部常出现串珠状的湖泊，系冰川消融后，由融溶 凹坑、凹地滞留地表水、地下水形成。场地内有斯丁错、小海子等典型的冰碛 湖，在其周围还分布有数个大小不等的冰碛湖与场道最近的斯丁措呈纺锤形， 面积约0 0 7 k m 2 ，目前湖水最大