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山区机场高填方边坡组合支护结构体系的协同工作性能研究

牌立芳  
【摘要】:中国是一个高边坡病害极为频繁的国家。特别是机场、铁路、公路等山区工程项目建设中挖山填沟,因填方坡体变形造成边坡失稳日趋严重。铁路、公路作为传统运营项目,其建设中的高边坡病害治理已开展了大量专项研究,而机场填方因特殊地质结构的复杂性和地域性缘故,先前对其失稳变形触发因素缺乏科学认识,一味增强支挡措施致使结构失效、损失严重。中国民航高填方机场建设在全世界范围内具有典型性和代表性,因传统多种支挡结构联合使用设计缺乏针对性,各结构的受力变形状况未明确,引起不合理受力和结构大变形,进而影响边坡稳定性,尤其是多种支挡结构联合使用的变形协调匹配性问题,已成为必须面对且又亟待解决的技术难题。为满足支线机场建设需求,提升我国民用机场行业技术水平,促进“民航强国”战略的实现。本文以攀枝花机场为工程实例,根据现场调查及监测数据分析,揭示了由于攀枝花机场大型滑坡作用因素的多样性和变形机理的复杂性,现有设计模式存在刚度不匹配影响组合结构的协同工作,并提出设置垫层优化方法。运用BIM技术对组合支护结构进行模型设计优化,达成三维可视化分析,再运用力学理论为基础的物理模型试验数据分析、有限元计算等多元化研究手段,对高填方边坡治理锚索-抗滑桩-加筋土挡墙组合支护结构的协同变形工作机能展开深化研究,并取得以下研究成果。(1)通过攀枝花机场地质勘探资料整理,以攀枝花机场重大高填方工程体典型桩、锚和加筋土复合防治结构为原型,根据现场调查及监测数据分析,揭示了由于攀枝花机场大型滑坡作用因素的多样性和变形机理的复杂性,现有设计高填方边坡锚索-抗滑桩-加筋土挡墙组合支护结构存在刚度不匹配造成的协同变形影响,并提出设置垫层优化方法。(2)将勘察数据等场地基本岩土工程参数和信息概化整合进BIM模型,运用BIM技术对组合支护结构进行模型设计优化,不仅实现地质勘查最可能的接近现场实际,确保地层参数的科学性和准确性,而且有效解决了二维层面很难周全考虑各构件之间的协调,达成了复杂条件下空间碰撞检测的效果。(3)根据现阶段攀枝花机场12~#滑坡变形后排抗滑桩上覆填筑体沉降变形不协同的难题,结合有限元软件分析得出刚度差异造成的影响,在上述BIM优化模型的基础上,通过新增垫层角度分析了抗滑桩与桩顶上部填土因刚度不匹配差异,在不同垫层厚度、锚索竖向间距变化、桩间土换填等多种不同工况下,整个组合支护体系的分布发育规律以及变形破坏过程,得出如下结论:(1)在现有设计模式下,桩-锚组合结构控制坡体整体稳定性问题,筋材控制加筋土内部稳定性问题。随着填方填筑高度的增加,加筋土部分表现外部稳定性问题,非加筋土表现为沉降问题,后排桩的存在加剧了坡体的外部变形可能性,刚度不匹配问题成为焦点。(2)基于攀枝花机场锚索-抗滑桩-加筋土挡墙组合支护体系工作性能深化研究,总结归纳出刚性垫层比柔性垫层作用效果更加显著;锚索竖向间距对体系的影响主要体现在前排抗滑桩的性能发挥上,设计宜采用前排桩锚索小间距,后排桩锚索大间距的原则;桩间土换填对体系的影响主要体现在前排抗滑桩的性能发挥上,设计宜鼓励桩间土换填,强化后排桩剪力设计。(4)以攀枝花机场12~#西北-东南连接线高填方滑坡3-3断面为依托,以后排桩顶部增设垫层作为优化设计研究对象,通过物理模型试验研究垫层作用对控制组合支护体系填方边坡抗滑桩顶位移及坡体位移的协同变形影响,得出如下结论:(1)抗滑桩与填土刚度不匹配,山侧坡体位移大于河侧,导致填土内部存在变形不协调。增设垫层后,填土内部自后排桩顶向坡面延伸的不协调塑性变形发展得到控制,且对控制抗滑桩内力及坡体稳定性的作用效果也很显著。(2)垫层对组合支护体系的影响主要体现在抗滑桩的性能发挥。垫层作用下,抗滑桩的内力和变形得到重新分布,使得前排桩的受力得到改善。相比无垫层情况,前排桩弯矩M由明显大于后排桩,转换为弯矩值相当。前排桩剪力Q由略大于后排桩,转换为明显小于后排桩。同时,前排桩顶最大水平位移值f_i减小一半以上,而后排桩顶位移f_i下降幅度相对较小。(3)随着填土填筑高度的增加,边坡稳定性取决于桩顶以上加筋土挡墙的外部稳定性,其控制性危险滑动面将在桩顶以上的填土内部产生,基本不受垫层的影响。垫层作用下坡体沉降位移表现为垫层侧小于无垫层侧、山侧大于河侧,随边坡级数增加,位移量逐渐减小。桩顶x向水平位移随回填级数增加,桩顶土体被挤密固结,压实度增加,挤压桩顶变形;而垫层增设缓解了后排桩前土体的挤密作用,桩顶位移减小。


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