西南某机场跑道南端差异沉降分析

唐军,孙紫轩

(成都理工大学环境与土木工程学院.成都 610059)

西南某机场跑道南端差异沉降分析

唐军1,孙紫轩2

(成都理工大学环境与土木工程学院.成都 610059)

机场跑道南端位于胡家湾沟口段，跑道呈南北向，与沟向一致，跑道轴线处于沟口左侧半山腰砂岩陡坎之上，轴线左侧为砂岩地基，右侧为陡崖，整平后，右侧为填土地基，因此，跑道轴线两侧地基力学性质差异较大，在机场运行过程中因上覆压力以及自身重力作用下而产生不均匀沉降。本文就差异较大地基在不同的地基处理方式下而产生的不同差异沉降量进行分析计算，并运用Geostudio-slope进行现场模拟分析，最后提出解决此类问题的方法。

差异沉降；稳定性；机场跑道

1 引言

在现代建筑工程中，越来越多工程由于地基处理不当造成地基失稳或开裂，严重影响工程质量，特别是在地基力学性质差异较大情况下，合理有效的处理地基显得尤为重要。

不同地基在长期上部荷载条件下，经过振动压实，孔隙水排出等情况会发生缓慢变形；在相同的外部条件下，物理力学性质差异较小的地基在分界面处产生的差异沉降较小；反之，在物理力学性质相差较大的情况下，在地基分界面易产生较大差异沉降，引发建筑物变形、开裂等失稳迹象。本文就西南某机场南端跑道特殊地基情况进行研究，利用有限元分析软件Geostudio-slope对不同处理方式后的地基进行模拟，在模拟的基础上对跑道稳定性与差异沉降进行分析。

2 工程概况

西南某机场位于四川盆地中部，涪江中游，以丘陵地貌为主，地貌类型单一。地表侵蚀切割强烈，沟谷纵横，地表水系、山脊呈树枝状分布；山体窄陡，发育多级台坎，陡壁上基岩裸露。

整个场区共分为三大区：台丘岭脊区、沟缘斜坡区、沟谷区(图1)。台丘岭脊区主要由海拔相对较高的山体组成，山丘整体呈浑圆状，坡体表面较为柔和、平缓，斜坡坡度11°～32°，平均坡度23°左右，局部斜坡发育陡崖、陡坎而整体坡度较陡，约40°左右；受地层结构及差异风化作用控制，坡体表面台坎、台坪相间分布，呈“台阶”状。地表覆盖层较薄为粉质粘土，局部基岩裸露，下伏岩性主要为泥质粉砂岩与粉砂质泥岩不等厚互层。

沟谷区分布于沟谷底部，分布高程290～320 m，地形相对较平缓，由上游向下游缓倾，平均纵坡降3.8%，主要为农田、鱼塘。沟谷区覆盖层较厚，一般为2.8～8.6 m，最厚可达12.3 m，从上至下，土体塑性状态从软-可塑渐变。

在场区底部，海拔330～345 m之间发育一套近水平砂岩层，厚6～15 m，强-中风化，岩体较完整。由于物理化学风化作用，在场区出露为陡崖(如图1)。而机场南端跑道轴线恰好位于陡崖之上，从图上可以看出，跑道轴线左侧为台丘岭脊区，右侧为沟缘斜坡区。机场整平标高海拔345 m，与砂岩层顶面大致一致，因此在机场整平过程中，跑道左侧地基为原地基，右侧为填方地基，这两种地基物理力学性质差异大。整平后由于地基在上部压力作用下产生沉降变形，特别是填土地基，由于土体被压缩，孔隙水被挤出，变形程度将会远大于原地基，这样形成的差异沉降，使地面产生裂缝，对机场安全运行产生严重影响。此外，由于右侧填方地基为软土地基且处于斜坡之上，处理不当还会对边坡稳定性造成一定影响。

图1 场区地质剖面图Fig.1 The geological section map

3 相关理论

在计算差异沉降时，考虑沉降主要由填方体与软土地基形成，故采用分层总和法来进行计算。

3.1 计算假定

(1) 假定将天然地基耕土、杂填土清除后不经任何地基处理，其物理、力学性质与本阶段勘察所揭露的地层情况基本一致。

(2) 假定填筑体一次性加载，可不考虑填筑期间的时间效应。

(3) 上覆永久荷载包括填方体及道面混凝土、垫层自重荷载。假定其中填方体重度21 kN·m-3；混凝土、垫层重度25 kN·m-3，道面混凝土厚1.0 m，垫层0.5 m，共37.5 kPa。

(4) 中型飞机的重量为70 t左右，飞机着陆时分摊在尺寸为5.0 m×4.5 m的两块混凝土板上的重量各35 t，压强为15.6 kPa。

3.2 计算方法

为评价区内天然地基沉降随时间的变化情况，此次采用下述方来进行评价：

(1) 原地基最终沉降量计算

土中孔隙水排出，孔隙水压力转换成有效应力，土体逐渐压密产生的体积压缩变形。根据《建筑地基基础设计规范》所推荐的沉降计算公式如下：

式中，ψs为沉降计算系数，根据计算深度内压缩模量当量值查表确定；p0为对应于荷载标准值时基础底面处的附加压力(kPa)；Esi为基础底面下土的第i层土的压缩模量，按实际应力范围取值(MPa)；n为地基底面压缩层范围内所划分的土层数；zi，zi-1为分别为基础底面到第i层和i-1层土底面的距离(m)；αi,αi-1为分别为基础底面计算点到第i层和第i-1层底面范围内平均附加应力系数。

(2) 填筑体沉降计算方法

根据工程经验，以及以往工程监测数据的拟合发现，填筑体压密沉降占填土高度的0.7%～0.8%，且完成时间较快(工后一年可完成90%)(图2)。

图2 沉降累计拟合曲线

Fig.2 The cumulative curve of settlement

4 地质模型及计算

根据场地地形，选取其中一条典型的坡面作为计算剖面，模型共分两种：一种是直接进行回填，进行差异沉降与稳定性计算，另一种是对岩质边坡进行放坡处理再进行差异沉降与稳定性计算，放坡坡角的大小根据稳定最优坡角与经济最优坡角来进行选取，应选取55°～60°放坡为最宜。本文选取60°作为放坡角度，其中每一级放坡高度为1 m，共分13级放坡；填方边坡按1∶2放坡。以下为模型参数取值与计算(表1)。

表1 模型中岩土体参数取值

4.1 差异沉降分析

根据第三节相关理论以及区域内岩土工程勘察数据，以图1跑道左侧点为起点，每隔5 m设置一个计算点，垂直跑道轴线对跑道部分进行差异沉降计算，根据计算结果，得知处理前与后，地基沉降在跑道中轴线区域附近差异明显，处理前跑道中轴线附近差异沉降量相差近24 cm，处理后差异沉降量相差14 cm，从图3中可以看出，地基处理区域在处理前与后差异沉降曲线曲率变化明显，未经处理区域曲线呈陡升趋势，处理后曲线较为平滑。经过计算分析，在地基处理区域，差异沉降主要由填筑体自沉降形成，在地基处理区域之外，差异沉降主要来自于下覆粉质粘土层沉降，上部填筑体自沉降占一小部分。详细参数见表2。

表2 地基处理前后差异沉降量(沉降时间为1年)

①为地基处理前沉降量，②为地基处理后沉降量

图3 地基处理差异沉降曲线Fig.3 The foundation differential settlement curve

4.2 边坡稳定性分析

本人采用Geostudio-slope软件对边坡进行模拟计算，从图4与表3可知，处理前后边坡稳定性系数相差很少，并且从图3看出，边坡最易产生的滑面还未涉及到地基处理区域，从这两方面可以看出在地基处理前后对边坡稳定性影响不大，详细参数见表3。

5 结论

根据本文以上计算以及模型模拟分析，初步说明了在地基岩土力学参数相差较大的情况下，在岩性分界区域差异沉降明显，如不进行一定处理对工程质量造成严重影响，此外在一定程度上增加施工难度，本文通过初步模拟计算，得出以下结论：

表3 处理前后边坡稳定性计算

图4 地基处理后Geostudio-slope模拟计算Fig.4 Simulation calculation of Geostudio-slope after foundation treatment

(1) 本工程中，跑道中轴线附近岩土体力学参数相差大，地基差异明显，因此差异沉降量在地基处理前与后变化较为明显，处理后差异沉降曲线在跑道中轴线附近较为平缓，地基未处理之前呈陡降趋势，易产生拉裂缝。

(2) 根据模型计算表明，跑道中轴线右侧地基差异沉降量最主要来自下部粉质粘土地基在上覆压力作用下产生的沉降，其中上覆填筑体自重沉降只占其中小部分，总沉降量较大，跑道轴线左侧沉降量由填筑体自重沉降形成，沉降量小。

(3) 本文根据Geostudio-slope对填方边坡稳定性计算数据表明，在本工程中，地基处理前与后，填方边坡稳定性基本不变，地基处理未对填方边坡造成影响。

[1] 张天友. 论岩质顺层边坡的稳定性与放坡坡率的关系[J].地下空间与工程学报，2008,4(6)：1016-1018.

[2] 胡启军,谢强,王春雷.红层泥岩填筑体路堤本体沉降特性研究[J].水文地质工程地质，2006,33(5)：34-37.

[3] 冯德乾,刘祖德.高速公路路堑岩质高边坡放坡坡角的优化设计[J].工业安全与环保，2005,31(1):46-48.

[4] 蒋鑫,邱延峻,凌建明.半填半挖式路基静动力稳定性分析[J].重庆交通大学学报，2007,26(6):87-91.

[5] 肖亚辉.深切高填及挖填交接、半填半挖路基施工.湖南交通科技，2002，28(2)：26-29．

ANALYSIS OF THE DIFFERENTIAL SETTLEMENT AT SOUTHERN TIP OF AN AIRPORT RUNWAY

TANG Jun,SUN Zi-xuan

(College of Environment and Civil Engineering, Chengdu University of Techenology,Chengdu 610059,China)

The southern end of the airport runway located at the entrance Hujiawan ditch. It is a north-south direction airport runway, consistent with Hujiawan ditch.The runway axis is above the left side of Mizoguchi `s sandstone scarp on the hillside. The left side of axis is sandstone foundation, the right side is a cliff, after leveling, the right side will become filling foundation. Therefore, the foundations on the two sides of the runway axis` mechanical properties are quite different. During operation of the airport, it is very likely produce uneven settlement due to overburden pressure and gravity itself. This paper analyzed and calculated the different settlement arising from different foundations in different treaments, and use the Geostudio-slopes to simulate and analyze, finally proposes a method to solve such problems.

Differential settlement；stability；airport runway

1006-4362(2014)01-0098-04

2013-11-08 改回日期： 2014-01-04

P642；P642.26

A

唐军(1983- )，男，成都理工大学环境与土木工程学院，地质工程专业研究生，主要从事地质灾害防治工作。