土工格栅加筋碎石土在神农架机场高陡边坡的应用.docx

土工格栅加筋碎石土在 神农架机场高陡边坡的应用邢晓毅，朱长歧，罗红兵，阎钶（中国石油天然气华东勘察设计研究院岩土工程处 ，山 东 青岛 ；中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与 工程国家重点实验室 ，武 汉 ；中机三勘岩土工程有限公司 ，武 汉 ）摘 要：以神农架机场一处边坡工程为例 ，开展边坡的原位 监测 ，获得了格栅加筋高陡边坡体内部的土压力 、坡 体 内部位移 、坡体表面位移及加筋格栅变形的分布规律 。监测结果发现 ，最 大竖向土压力值不是出现在最底部 ，随 着 远离挡墙而向下部迁移 ；坡体内部水平位 移沿高度上呈非线性变化 ，呈 现 多 个 极 值 ，最大值出现在距离坡顶 高度处 ，位 移值仅为 ；而边坡的整体位移规律呈渐进发展的“鼓 胀”式 ，底 部位移最小 ，中 部位移最大 ；坡 体内 部加筋格栅变形的量级为 ，最大变形值发生 在挡 墙 高 度 处 ，变 形 量 ，应 变 仅 为 ，说 明 格 栅 的潜力还未得到充分的发挥。关键词：高陡边坡 ；土 工格栅 ；原 位监测 ；神 农架机场中图分类号 ： 文献标识码 ： 文章编号 ：（）引言加筋土结构是一种在素土中加入高模量土工合 成材料的复合结构。土工合成材料具有较高的抗拉 强度，可以显著限制土体的侧向变形 ，从而提高土体 的强度和稳 定 性。 年 法国 在比利牛斯山的普 拉聂尔斯修建了世界上第一座加筋土挡土墙。 我 国于年 在 云南 田坝矿区建成了第一座 高的加筋土挡墙储煤仓，近 几年在公路建设和水 利、水运建设、边 坡工程中应用得较多 ，据 不完全统 计，我国现在已建成四千 余项加筋土工程 。 在加 筋土挡墙方面，国内外学者均进行了大量探讨 ，取得 了一定的成果。进入 世纪，大 量工程在中西部地区开展 ，由 于受地形制约，大量的高陡边坡涌现出来 ，以神农架 机场的土工格栅加筋碎石土高陡边坡为研究对象， 旨在通过对该工程的监测分析 ，为 日后同类工程提 供一些有益借鉴。工程背景神农架机场平均海拔 ，位于神农架林区 红坪镇大草坪至将军寨之间独立的狭长山脊之上， 区域地势总体西南高东北低 ，河 谷深切，山 坡陡峻。 跑道 由 五 个 高 程 左 右 的 山 包 削 山 填 谷 而 成，地基填料为削 山后松散破碎且风化强烈的灰色 泥质条带灰岩夹鲕状灰岩及白云岩。场区处于裸露型岩溶分布区，区内可溶岩分布 广泛，且以岩溶 较发育的碳酸盐岩为主 ，岩 溶洼地、 岩溶漏斗、落水洞等发育，加筋边坡施工前先对已有 坡体进行了清表，清理掉风化沉积物及松散碎块 ，如 图所示。图 清表后的边坡碎石土高填边坡的稳定性是神农架机场建设成 功的关键。因神农架机场场地狭窄 ，多 为深挖高填 的高陡边坡，依托 工程就是该场区内最高的且坡度 最陡的边坡，其 填方高度 达 ，由 于 原 始 地 形 坡 比约为：，已无法采用坡 率法进行设计和加固，综 合考虑后决定采用多级格宾面板加筋挡墙支护 ，其 整体坡 度 达 。 该 高 陡 填 方 边 坡 为 目 前 国 内 已收稿日期 ：作者简介 ：邢 晓毅（），助 理工程师 ，硕 士 ，研究方向为岩土工程勘察 、地基加固的设计 、监 测及施工。第 期邢晓毅等 ：土工格栅加筋碎石土在神农架机场高陡边坡的应用 建、在建最陡的加 筋土高挡墙 ，其 建设规模、工 程难 度为国内罕见。图 为神农架机场加筋边坡的外观形态 ，坡 高 ，坡度：，采用 台阶式土工格栅加筋碎石 土挡墙，该 边 坡 自 年 月 开 始 施 工，至 年月完工，在 严格的现场监控下 ，实 施了信息化 施工管理，机场现已通航，运行效果良好。图 神农架场加筋土边坡现场 边坡施工土工格栅加筋边坡采用机械与人工协调施工， 自原岩坡 面 至 距 离 坡 顶 高 度 处 的 高 度 范 围 内，每 填筑一层经二次破碎的碎石土填料 ；距 坡顶 高度间采用 格栅层间距；坡顶 高度范围内采用 格栅层间距。 碎石土 填料采用大型振动碾压机压密 ，确 保固体体积率达 到，靠近 格 宾 处 采 用 小型振动碾压机碾 压 ，碾 压完毕后，人工铺设土工格栅 ，相邻两幅格栅搭接长 度不少于 ，采 用 塑 料 扎 带 绑 扎。 格 栅 里 端 与 原坡面间采用 型环锚固于基岩上。 工 程 的 面 板 采用格宾工法，工厂预制，现场拼装。测点布置及监测原则现场监测采用全站仪监测边坡坡面水平位移变 化，运用土压力盒、深部测斜管以及柔性位移计监控 坡体内部土压力以及位移变化 ，综 合内外监测手段 确保边坡的预警监测工作的顺利实现 ，监 测仪器位 置示意图如图。观测原则： 填筑施工期：每 天观测一次，每 层填筑前后需观测一次。 施工间歇期： 观 测一次。 施 工 完 成 后 个 月 内： 天 观 测 一 次。 后期：半个月或 一个月观测一次。 遇到异常情况 随时加密观测，观测至填筑施工完 成后一年。 根据工程施工情况，还应进行不定期的巡视检查 ，发现异 常情况及时记录、分析。图 加筋边坡断面测试仪器设备埋设位置示意图 现场监测结果及分析 坡面水平位移图 为格栅加筋边坡坡面位移沿高度分布图， 截至 年 月，现 场观测位移最大值为 ， 位于边坡中部高度处。边坡的整体位移呈渐进 发展的“鼓胀”式，底部最小，中部位移最大。图 加筋边坡坡面位移图 未加筋边坡坡面位移 为了对加筋效果进行比较，图 给出了场地内 另一未加筋边坡（坡度、坡高）坡面位移 沿高度分布图，结果显示从开始施工到 年月 施工结束，边坡最大 位移为 ，出 现在第一级 马道上，相当于边坡底部的约 高度处，其次是底 部，呈现出沿坡面滑动的趋势 。可见，土 工格栅加筋显著的提高了坡体横向约 束，限制了边坡侧 向变形 ，坡面位移量普遍较小 ，最 大位移值仅为未加筋边坡的三分之一 ，并 且最大位 移趋于边坡中部。土工基础 坡体内部土压力图 为竖向土压力分布图 ，以 最下层土压力盒 的埋设位置为计算起始高度 ，从图中发现如下规律 ：（） 高度处测点， 年 月 日的上覆 填土高度为 ，土压力实测值为 ，明 显 小于按线性土 压 力 公 式 计 算 的 。同时沿 加筋体高度方向竖 向 土 压 力 并 不 是线性分布的，而是呈“”型。（）台阶式格 栅加筋土挡墙内竖向土压力分布 复杂，靠近格宾处的竖向土压力较小 ，远离格宾土压 力增加，直至接近于自重应力 。主要的原因，一是原 状地面为斜坡，下 部空间狭窄不能满足半无限空间 的假定条件；二是台阶型挡墙使得中部荷载减少 ，又 加之格栅与格宾的连接 ，有效的协同工作 ，使应力重 分布，分担了一部分竖向土压力 。 坡体内部水平位移图为边坡内部水平位移分布曲线 ，可以看出：（）填土过程 中加筋边坡内部水平位移速率增 大，填土间歇期 速率减小至稳定。 位移方向一般表 现为先向边坡临空面 （正 方向 ），随后固结稳定速率 降低，甚至出现位移方向指向坡内 。（）边坡填筑过程中 ，填土荷载对坡体上部水平 位移的影响远大于下部。（）坡体内部水平位移沿高度呈非线性变化 ，呈 现多个极值，最 大值出现在距离坡顶 高度处， 位移值仅为 。（）同一场地内未加筋碎石土 边坡 （高 度 ， 坡度）的 监 测 发 现，如 图 （），曲 线 呈 “” 型，累计最大位移值 为 ，与 加筋碎石土边坡 相比，土工格栅加筋后坡体的水平位移远小于前者 ， 证明了格栅加筋的实用性。 加筋格栅的变形图 竖向土压力分布图 （）图为第 层格栅的变形随时间的变形规 律，从中可以看出，填 筑初期，靠近格宾处的格栅上 的柔性位移计读数最大 ，随着填土荷载的增加，远离 格宾的柔性位移计读数增加明显 ，位移峰值逐步向 内侧转移。这是由于填筑初期 ，边坡外侧靠近临空 面处，水平位移最 大，随着填土的增高 ，边 坡逐渐向 内侧收坡，最大垂向荷载向内侧转移 ，内侧滑移趋势 增强，故格栅的位移峰值向边坡内测转移 。图 坡体内部水平位移分布 第 期邢晓毅等 ：土工格栅加筋碎石土在神农架机场高陡边坡的应用 图 第二层格栅的变形规律 （）选择每 层位格栅位移读数最大的点作为潜 在滑动点，所有的 滑动点的连线即可作为潜在滑动 面，根据实 测 结 果 绘 制 的 潜 在 滑 动 面 如 图 所 示。 图中同时给出了规范法确定的滑动面的位置。可以 看出两者还是存在较大的差距的 ，规范法滑动面为 折线，滑动面更靠近临空面 ，而实际观测结果却显示 滑动面更向坡体内部平移 ，滑动面为圆弧状 ，这主要 是由于土工 格 栅 的 水 平 拉 力 增 加了坡体的横向约 束，有效地提高了边坡稳定性 。（）图中给出了年月日至年 月日 土 工 格 栅 变 形 观 测 值。 变 形 量 级 均 为 毫 米，最大变 形 值 出 现 在 第 六 层 格 栅 中 距 格 宾 处，变形为 ，相应的应变为，其 他各 层应变值均较小，说明格栅的潜力 还未得到充分的 发挥，尚有优化的空间。图 实测与规范法确定的加筋边坡潜在滑动面的比较 结论（）土工格栅 加筋显著地限制了边坡的侧向变 形，边坡坡面的整体位移呈渐进发展的“鼓胀”式，底 部位移最小，中部位移最大，同现场未加筋碎石土边 坡相比，最大位移仅为后者的 。（）沿加筋体 高度方向竖向土压力并不是线性 分布的，而 是 呈 “”型。 最大竖向土压力值 不 是 出 现在最底部，而是随着远离格宾而向下部迁移 。 同 一高度处靠近格宾的竖向土压力最小 ，远 离格宾土 压力增大，直至接近于自重压力 。（）边坡填筑过程中 ，填土荷载对坡体内部水平 位移的影响在上部远大于下部。坡体内部水平位移 沿高度为非线性分布 ，呈现出多个极值，最大值出现 在坡顶下高度处，位移值仅为 。（）随着填土高度的增加 ，格栅变形呈非线性增 加。填土时，格栅变形增大，填土间歇期变形减小并 趋于稳定。 最大变形值发生在挡墙 高度处，变 形值只有 ，应 变 为 ，其 他 各 层 应 变 值均较小，说明格栅的潜力还未得到充分的发挥 ，尚 有优化的空间。（）规 范 法 滑 动 面 为 折 线，滑 动 面 更 靠 近 临 空 面，而实际观测结 果却显示潜在滑动面更向坡体内 部平移，滑动面为圆弧状 ，这主要是由于土工格栅的 水平拉力增加了坡体的横向约束 ，有效地提高了边 坡稳定性。可见，台 阶式格栅加筋碎石土高陡边坡的作用 机制同传统碎石土边坡存在较大的差异 ，土 工格栅 加筋实现了应力重分布 ，显著限制了边坡的侧向位 移，提高了边坡的整体强度 ，在处理高陡边坡上具有 显著优势。参考文献 张苇 土工带加筋碎石垫层的试验研究 与 有 限元 分析 硕 士学位论文太 原理工大学 ， 吴景海 土 工合成材料加筋的试验研究和有限 元 分 析 天 津大学 ， 何光 春 加 筋 土 技 术 的 应 用 及 进 展 重庆建筑大学学报 ，（） ，： 蒲春平 ，汪 承 志 ，周 世 良 台阶式格栅加筋挡墙现场试验研究 重庆交通大学学报 ：自 然科学版 ，（） ， 何廷全 超高单级加筋图挡 墙室内 试 验 、原型观测及计算分析 硕 士学位论文四 川 ，四 川大学 ， 邢 晓 毅 台阶式格栅加筋碎石土高陡边坡的作用机制研究 硕 士学位论文中 国科学院 ，（下转第页）第 期俞 轩等 ：考虑应力渗流耦合作用下含结构面边坡稳定分析 力耦合模型岩石力学与工程学报 ，（）： 田东方 ，刘 德富 ，王 世梅 ，等 土 质边坡非饱和渗流场与应力场 耦合数值分析岩 土力学 ，（）： 张晓勇 ，戴 自航 应 用 程序进行渗流作用下边坡稳 定分析岩石力学与工程学报 ，（）： 邓华锋 ，李 建林 ，王 乐华 ，等 基 于强度折减法的库岸滑坡三维 有限元分析岩 土力学 ，（）： 粱庆国 ，李 德 武 对 岩 土 工 程有限元强度折减法的几点