岩溶地基下高填方边坡稳定性及施工优化研究

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我国西部山区地形复杂,地势起伏较大,民航运输在西部综合交通运输体系中体现了其独特的优势,近年来西部地区民用机场项目新建或改扩建工程逐年增多。在复杂的地形条件下,为满足场地平整及机场净空要求,西部山区机场建设势必面临深挖高填问题。同时,我国西南地区岩溶地貌分布广泛,在已有机场建设项目中,由于岩溶地基处理不当导致的高填方边坡失稳问题相当普遍,并造成了严重的社会经济损失。此外,如何通过施工过程优化设计提高高填方边坡稳定性也是工程建设中面临的重要问题。因此,开展岩溶地基下高填方边坡稳定性及施工优化研究对于类似工程中的施工方案设计及工程风险规避具有重要意义。建设中的重庆市武隆机场地处我国西部岩溶山区,作为机场建设中的重点工程之一,机场南端深沟工程属于典型的岩溶地基下的高填方工程,本文以该工程建设项目为研究对象,依托“重庆武隆民用机场工程岩溶区高填方稳定性及施工优化科技项目”,开展了岩溶地基下高填方边坡稳定性及施工优化研究。本文通过基础力学试验,研究了场区溶室充填物、碎石填料及不同养护周期下混凝土的力学性质;基于Rhino-Griddle-FLAC3D建模方法,建立了FLAC3D有限差分数值模型,研究了岩溶地基下高填方边坡稳定性及4种岩溶地基处理技术在本工程中的治理效果;针对混凝土浇筑工程和填料填筑工程的协调施工过程,设计了6种施工方案,采用有限差分数值方法,对工程施工进行了优化控制。主要研究成果如下:(1)通过室内大型剪切试验,研究了级配碎石剪切强度特征;通过混凝土静弹性模量试验,得到了混凝土强度及变形特性随养护时期的变化规律;通过现场大型剪切试验,获取了场区岩溶充填物剪切强度特征。(2)建立了原始状态及4种岩溶地基处理工况下的二维数值分析模型。结果表明,不同岩溶治理措施对于提高岩溶地基及高填方边坡稳定性具有积极作用,岩溶治理后,溶室位移下降显著,坝体位移及填料位移得到了控制;对比不同岩溶治理方案下模型各部分位移特征及塑性区分布特征,结果表明:岩溶地基治理效果以混凝土充填法最优,其次依次为碎石充填、土工格室跨越、盖板跨越治理方法。(3)建立了原始状态及混凝土充填处理后的场地三维沉降数值分析模型,分析了模型填料、坝体和溶室变形分布特征。结果表明:从坡体走向上看,谷底以上的填料变形较大,两侧填料变形较小;在倾向方向,填料变形普遍以坡肩处位移最大;横向上,坝体变形在中部坝轴线拐点附近较大,向两侧递减;纵切面上,坝体最大变形出现在坝顶,且从坝趾一侧向坝踵一侧减小;溶室顶部中心处变形最大,向四周及底部递减,受岩溶处理方式的影响,变形最大值位置向靠近填料一侧偏移。(4)根据位移特征,探讨了原始状态及不同岩溶处理方案下填料、坝体及溶室位移控制因素。结果表明:填料位移主要受填方量及下伏基岩面陡缓程度影响,岩溶治理后位移值变化较小;坝体变形主要受后方填料控制,不同岩溶处理方案对其变形值影响较大;溶室变形主要受上覆结构物控制,变形值受岩溶处理方式影响显著。(5)通过调整施工中填料分层数及填料几何形式,设计了混凝土工程和填方工程穿插协调进行的6种施工方案,并建立了相应FLAC3D二维分析模型,对不同方案下填料及坝体位移特征的分析结果表明,施工方案T3-3下边坡稳定性最佳。由此得出了高填方工程中边坡稳定性的优化方式:填方时通过增加填料分层数,将底层填料尽可能填筑至水平状态,避免大方量填料直接作用于坝体,并将大方量填料施工次序后置,可有效增强边坡整体稳定性。(6)对于不同施工方案下填料、坝体位移特征和最大剪应变增量特征的分析结果表明,填料在基岩面较陡处易发生较大滑移变形,在填方量较大处易发生较大沉降变形,填料分层界面及填料-基岩界面易形成潜在滑移面;坝体在坝趾处变形最大,且上-中层坝体界面可能发生剪切破坏。
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