山區(qū)特殊地質(zhì)條件下巖質(zhì)邊坡地基沉降規(guī)律研究

李自林，張 超

(天津城建大學(xué) a. 土木工程學(xué)院；b. 天津市軟土特性與工程環(huán)境重點實驗室，天津 300384)

地質(zhì)與測繪

山區(qū)特殊地質(zhì)條件下巖質(zhì)邊坡地基沉降規(guī)律研究

李自林a,b，張 超a,b

(天津城建大學(xué) a. 土木工程學(xué)院；b. 天津市軟土特性與工程環(huán)境重點實驗室，天津 300384)

以天津薊縣某工程住宅樓為研究對象，利用ABAQUS建立了巖質(zhì)邊坡地基-箱基-上部結(jié)構(gòu)整體三維實體模型，研究其在不同荷載工況、巖體性質(zhì)下臺階形箱基的沉降規(guī)律．結(jié)果表明：不同荷載工況作用對各階巖質(zhì)邊坡地基的沉降影響很小，可以忽略不計．結(jié)合天津薊縣山區(qū)特殊地質(zhì)條件下的巖層分布情況，經(jīng)過實地勘察分析，得到在不同巖層傾角下的巖質(zhì)邊坡地基沉降規(guī)律，分析結(jié)果與實測數(shù)據(jù)基本吻合．

巖質(zhì)邊坡；沉降；共同作用；數(shù)值模擬

地基不均勻沉降是引發(fā)工程事故的重要原因之一[1]，它不僅影響上部結(jié)構(gòu)的正常使用，而且還會使其產(chǎn)生附加應(yīng)力，從而導(dǎo)致建筑物發(fā)生傾斜，甚至破壞．因此，防止地基不均勻沉降已經(jīng)成為土木工程領(lǐng)域中的熱點問題之一，其中對于巖質(zhì)邊坡地基不均勻沉降的研究更是重中之重．我國幅員遼闊、地勢復(fù)雜，像山城重慶、天津薊縣等多以山地為主，邊坡穩(wěn)定性問題尤為突出．由于邊坡是天然形成的，自然穩(wěn)定，在其上建造建筑物就相當(dāng)于人為地施加坡頂荷載，對邊坡周圍的環(huán)境造成了一定的破壞，結(jié)果導(dǎo)致邊坡地基不均勻沉降等現(xiàn)象時有發(fā)生．

國內(nèi)學(xué)者對于邊坡失穩(wěn)問題的研究屢見不鮮，但大多數(shù)都是建立二維模型，并在邊坡上直接施加等效建筑荷載．這樣做不僅不能真實反映出邊坡場地環(huán)境與地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性，而且忽視了上部結(jié)構(gòu)剛度對地基不均勻沉降的影響[2]．近年來，重慶大學(xué)的顏昌武、鄧安福等[3-4]根據(jù)重慶當(dāng)?shù)氐貏萸闆r，考慮了巖質(zhì)邊坡地基、上部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)的共同作用，利用自編程序?qū)Χ嗯_階巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進行了研究，取得較大進展．本文結(jié)合天津薊縣特殊邊坡地質(zhì)條件，考慮上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-巖質(zhì)邊坡地基的共同作用，利用ABAQUS建立三維實體模型，分別對不同荷載工況、不同黏聚力等情況下的臺階形巖質(zhì)邊坡[5]地基沉降規(guī)律進行深入研究．

1 工程概況與分析

天津薊縣某多層住宅樓為6層框架結(jié)構(gòu)，層高3,m，總高度18,m，長69,m，寬10,m．混凝土強度等級為C30，板厚為100,mm，梁截面尺寸為200 ,mm×400,mm，柱截面尺寸500,mm×500,mm．受薊縣當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件的限制，建筑物建立在多臺階巖質(zhì)邊坡上，基礎(chǔ)采用變高度箱形基礎(chǔ)，混凝土強度等級為C40，上部結(jié)構(gòu)、箱形基礎(chǔ)與邊坡地質(zhì)構(gòu)造如圖1所示，邊坡巖層土體材料參數(shù)見表1．

圖1 上部結(jié)構(gòu)、箱基礎(chǔ)與巖質(zhì)邊坡地質(zhì)構(gòu)造示意

箱形基礎(chǔ)具有剛度大、整體性強等優(yōu)點[6]，常用于上部荷載大、地基軟弱且分布不均的情況，能夠有效地調(diào)整基礎(chǔ)的不均勻沉降．本工程受場地地質(zhì)條件的限制，要保證上部結(jié)構(gòu)首層建立在同一水平±0.000標(biāo)高上，就必須采用這種變高度箱形基礎(chǔ)．由于各階邊坡上的箱形基礎(chǔ)的埋置深度不同，使得在箱形基礎(chǔ)變高度處容易產(chǎn)生不均勻沉降；又由于箱形基礎(chǔ)面積大、受壓層深，在上部荷載作用下，會使地基產(chǎn)生較大變形．因此，研究這種變高度箱形基礎(chǔ)作用下的巖質(zhì)邊坡沉降問題具有重要意義．在基礎(chǔ)作用范圍內(nèi)的各階巖質(zhì)邊坡地基布置沉降觀測點1-14，如圖2所示．

圖2 各階巖質(zhì)邊坡沉降點布置

表1 巖質(zhì)邊坡巖土體材料參數(shù)

根據(jù)巖質(zhì)邊坡巖層材料參數(shù)及上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)的實際情況，利用ABAQUS建立三維有限元模型[7-11]，如圖3所示．

圖3 ABAQUS有限元模型

2 不同荷載工況對巖質(zhì)邊坡地基沉降的影響

對于巖質(zhì)邊坡地基沉降，除了上部結(jié)構(gòu)自重的影響以外，實際上，在上部結(jié)構(gòu)設(shè)計時針對不同的荷載工況也會對地基的沉降造成影響．根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[12]，對上部結(jié)構(gòu)分別在承載能力極限狀態(tài)下和正常使用極限狀態(tài)下進行了八種荷載工況組合，見表2．針對這八種荷載組合工況，利用ABAQUS分別建立三維實體模型，得到在這八種荷載工況下各個沉降點的沉降量，見表3.

由表3可以看出，每個沉降點在不同荷載工況下的沉降最多只差±0.02,mm．其主要原因一方面是由于箱形基礎(chǔ)本身剛度大、整體性強，對上部結(jié)構(gòu)傳遞的荷載有足夠的承載能力；另一方面是由薊縣山區(qū)特殊地質(zhì)條件所決定的，上部建筑建立于巖質(zhì)邊坡地基，基巖中風(fēng)化白云巖與強風(fēng)化白云巖具有足夠的承載能力，受到上部結(jié)構(gòu)和箱基礎(chǔ)的影響較小，穩(wěn)定性較強．此外，將各沉降點分析結(jié)果與實測沉降量相比較，只差1,mm左右，說明該方法的分析結(jié)果與實測結(jié)果吻合較好．因此可以得出，不同荷載工況對巖質(zhì)邊坡地基沉降的影響很小，可以忽略不計．

表2 八種荷載組合工況

表3 不同荷載工況下各沉降點沉降量 mm

3 邊坡巖體性質(zhì)對地基沉降的影響

對山地建筑邊坡工程而言，影響邊坡地基沉降除了上部結(jié)構(gòu)荷載、剛度等外部因素以外，還與邊坡自身性質(zhì)有關(guān)；而影響巖質(zhì)邊坡變形破壞的因素有很多，包括邊坡高度、邊坡巖體力學(xué)參數(shù)等．為了找出不同條件下巖質(zhì)邊坡變形破壞規(guī)律以及影響因素，通過對薊縣現(xiàn)場地質(zhì)條件進行調(diào)研，利用數(shù)值模擬的方法分析泊松比μ、黏聚力c等不同條件下的巖質(zhì)邊坡地基沉降規(guī)律[13]．圖4為現(xiàn)場地質(zhì)條件概況，經(jīng)過實地勘察的巖體性質(zhì)指標(biāo)見表4．各階巖質(zhì)邊坡地基在不同泊松比、不同黏聚力作用下的沉降曲線見圖5-6．

圖4 現(xiàn)場地質(zhì)概況

表4 巖層物理力學(xué)參數(shù)

由圖5、圖6可以得出：隨著泊松比的不斷增大，巖質(zhì)邊坡地基的沉降量逐漸減?。浑S著黏聚力的不斷增大，巖質(zhì)邊坡的沉降量逐漸減小．另外，通過圖5與圖6進行對比可以發(fā)現(xiàn)，隨著泊松比、黏聚力的不斷變化，在不同黏聚力作用下的各階巖質(zhì)邊坡地基沉降量的變化最大，且最為明顯．這表明，在泊松比、黏聚力等諸多因素中，黏聚力對巖質(zhì)邊坡地基變形的影響最大．當(dāng)黏聚力較小時，在第四階巖質(zhì)邊坡地基的最大沉降量達到6.4,mm左右，各階地基沉降差為1,mm左右．隨著黏聚力的增大，各階巖質(zhì)邊坡沉降雖逐漸減小，但是沉降差并未發(fā)生較大改變．因此，黏聚力對邊坡地基的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用．

圖5 不同泊松比下各階巖質(zhì)邊坡沉降曲線

圖6 不同黏聚力作用下各階巖質(zhì)邊坡沉降曲線

4 邊坡巖體分布對地基沉降的影響

山地建筑建立于巖質(zhì)邊坡地基上，對于層狀巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性及破壞方式，與邊坡走向和巖層傾角有密切關(guān)系．隨著巖層傾角的變化，巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性受層面控制的程度也隨之發(fā)生改變．因此在上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)共同作用下，巖質(zhì)邊坡地基的穩(wěn)定性問題更為突出．對此，通過實地勘察，分析在實測巖層傾角分別為5.0°、6.8°、8.1°、10.0°下的地基沉降情況，如圖7所示．

圖7 不同巖層傾角下各階巖質(zhì)邊坡沉降曲線

由圖7可以看出：隨著巖層傾角的不斷增大，各階巖質(zhì)邊坡地基的沉降也逐漸增加，且并未出現(xiàn)層間滑移等失穩(wěn)現(xiàn)象．這主要是由實際場地地質(zhì)條件所決定的．本工程以巖質(zhì)邊坡作為天然地基，該巖質(zhì)邊坡為厚層順層巖質(zhì)邊坡，從巖層成分來看，第一層為強風(fēng)化白云巖，第二層為中風(fēng)化白云巖，均為硬質(zhì)巖，且?guī)r性單一，巖層結(jié)合較為良好，并未出現(xiàn)厚層硬質(zhì)巖層置于軟巖層之上的現(xiàn)象，穩(wěn)定性較強．此外，隨著巖層傾角的不斷增大，在箱基礎(chǔ)的作用范圍內(nèi)，下部強風(fēng)化白云巖的巖層厚度也逐漸增加．由于上層強風(fēng)化白云巖與下層中風(fēng)化白云巖相比較軟，而一般沉陷運動又是受較硬巖層的控制，因此在上層的強風(fēng)化白云巖厚度增加的同時，下層的中風(fēng)化白云巖的巖層厚度逐漸減小，對上層巖層的支托作用也逐漸減弱，致使在上部結(jié)構(gòu)與箱基的共同作用下，各階巖質(zhì)邊坡地基的沉降量逐漸增加．

5 結(jié) 論

(1)在不同荷載工況作用下，各階巖質(zhì)邊坡沉降差最多在±0.02,mm左右，對邊坡地基的影響很小，可以忽略不計．

(2)隨著泊松比的不斷增大，各階巖質(zhì)邊坡地基的沉降逐漸減?。浑S著黏聚力的不斷增大，各階巖質(zhì)邊坡地基的沉降逐漸減小，并且黏聚力對于這種建筑巖質(zhì)邊坡地基沉降以及變形破壞的影響最大．

(3)隨著巖層傾角的不斷增大，各階巖質(zhì)邊坡地基的沉降也逐漸增加，且并未出現(xiàn)層間滑移等失穩(wěn)現(xiàn)象．

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The Research on Settlements of Rock Slope Foundation Under Special Geological Conditions of Mountain

LI Zi-lina,b，ZHANG Chaoa,b
(a. School of Civil Engineering；b. Tianjin Key Laboratory of Soft Soil Characteristics and Engineering Environment，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China)

Based on a residential building project in Jixian county of Tianjin,a 3D entity model of the rock slope foundation-box foundation-superstructure and infinite element boundary are established by using ABAQUS. This study explores its settlement rules under different load cases and rock properties. The result shows that the different load conditions make a little influence on the settlement of multi-step slope. Combined with the special geological conditions of rock distribution in Jixian county,field survey and FEM analysis identify the rock slope subgrade settlement rule under the different strata dip angle. The analysis result is consistent with the empirical data.

rock slope；settlement；interaction；numerical simulation

TU433

A

2095-719X(2015)02-0103-06

2014-07-04；

2014-11-10

天津市自然科學(xué)基金(13JCYBJC19600)；天津市市政公路管理局科技項目(2013-04)

李自林（1953—），男，河北成安人，天津城建大學(xué)教授，碩士．