黃土梁峁區(qū)高填方地基變形規(guī)律研究*

董　琪　李　陽(yáng)　段　旭　?！@

黃土梁峁區(qū)高填方地基變形規(guī)律研究*

董琪①②李陽(yáng)②段旭①常園③

( ①長(zhǎng)安大學(xué)西安710064)

( ②信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院西安710054)

( ③陜西省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院西安710100)

摘要隨著城鎮(zhèn)化步伐加快，陜北黃土高原梁峁區(qū)三四線城市出現(xiàn)越來(lái)越多的高填方工程，陜北大孔隙黃土與特殊地形地貌共同作用下引起建筑物地基發(fā)生嚴(yán)重不均勻沉降，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)開(kāi)裂甚至失穩(wěn)垮塌，危及人身與財(cái)產(chǎn)安全。為了全面分析梁峁區(qū)高填方地基變形規(guī)律，課題組在陜北黃土高原某梁峁區(qū)填方場(chǎng)地選取了西北地區(qū)最大的試驗(yàn)場(chǎng)(直徑超過(guò)90m)，通過(guò)原位監(jiān)測(cè)對(duì)高填方地基地應(yīng)力、含水率以及地基沉降進(jìn)行了研究，分析了黃土填方地基含水率隨季節(jié)變化規(guī)律及其影響深度，并發(fā)現(xiàn)黃土高填方地基中存在“土拱”現(xiàn)象，總結(jié)出沉降與填方高度的關(guān)系。利用三維數(shù)值模擬反演分析推測(cè)出高填方地基的最終沉降量，對(duì)上部結(jié)構(gòu)作用下地基變形規(guī)律進(jìn)行了預(yù)測(cè)，為類(lèi)似黃土地區(qū)高填方工程設(shè)計(jì)及其變形計(jì)算提供參考。

關(guān)鍵詞黃土梁峁區(qū)高填方地基變形數(shù)值模擬

( ①Chang'an University，Xi'an 710064)

( ②Electronic Comprehensive Investigation & Surveying Institute of Ministry of Information Industry，Xi'an 710054)

( ③Shaanxi Nuclear Industry Geological Survey Institute，Xi'an 710100)

0引言

通過(guò)對(duì)陜北黃土梁峁高填方區(qū)建筑物變形分析發(fā)現(xiàn)，眾多填方區(qū)建筑物破壞從基礎(chǔ)開(kāi)始向上部結(jié)構(gòu)逐漸延伸，輕則墻體開(kāi)裂，重則房屋倒塌，直接影響著人民生命財(cái)產(chǎn)安全，因此，有必要對(duì)濕陷性黃土高填方地基的力學(xué)性能和變形規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)全面的研究。徐明等(2009)研究了高填方長(zhǎng)期工后沉降規(guī)律，認(rèn)為蠕變沉降與工后時(shí)間的對(duì)數(shù)大致呈線性關(guān)系，并指出工后沉降機(jī)理與粗粒土的微觀力學(xué)特性密切相關(guān)。李秀珍等(2005)利用FLAC3D軟件分析了九寨黃龍機(jī)場(chǎng)高填方地基沉降，提出最大沉降量往往出現(xiàn)在填方體厚度較大或者原地基軟弱土層厚度較大的部位。謝康和等(2004)研究了沉積作用對(duì)地基自重應(yīng)力與沉降的影響，發(fā)現(xiàn)考慮沉積作用后自重應(yīng)力將沿深度呈非線性變化，沉積作用對(duì)地基沉降的影響隨荷載和土壓縮性以及土層厚度的增大而增大。朱才輝等(2015)基于壓實(shí)黃土的室內(nèi)侵蝕性試驗(yàn)，提出暗穴在擴(kuò)展過(guò)程中道面出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象的時(shí)間節(jié)點(diǎn)的初步預(yù)測(cè)方法。曹光栩等(2011)對(duì)高填方原軟弱地基的沉降變形提出了可以考慮施工加載過(guò)程的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，并提出了計(jì)算粗粒料填方體長(zhǎng)期蠕變變形的簡(jiǎn)化算法。劉宏等(2004)利用壓縮蠕變?cè)囼?yàn)研究了高填方沉降規(guī)律，發(fā)現(xiàn)初始?jí)簩?shí)度決定了砂礫石填料的壓縮變形特性。步艷潔等(2015)以某黃土高填方工程為研究對(duì)象，建立黃土高填方沉降變形的GM(1， 1)預(yù)測(cè)模型。葛苗苗等(2015)運(yùn)用MATLAB編程程序并結(jié)合工程實(shí)際監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，分別對(duì)黃土高填方沉降變形進(jìn)行了短期、中期及長(zhǎng)期預(yù)測(cè)。馬閆等(2015)得到壓實(shí)Q2離石黃土的強(qiáng)度參數(shù)在CTC路徑和RTC路徑下均隨著含水量的增大而減小。水分沿裂縫的入滲使坡體中部產(chǎn)生初始滑面，初始滑面形成后將同時(shí)向上和向下擴(kuò)展，滑面向下擴(kuò)展的過(guò)程屬于加載增濕破壞過(guò)程，向上擴(kuò)展的過(guò)程屬于卸荷增濕破壞過(guò)程，水分浸潤(rùn)使土體軟化加速了滑面的發(fā)展。Labuzetal.(2005)提出了土拱效應(yīng)對(duì)土壓力的影響規(guī)律。Lowetal.(1994)研究了填方拱效應(yīng)問(wèn)題及產(chǎn)生機(jī)制。Sowersetal. (1965)通過(guò)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)取得了一定的成果，認(rèn)為碎石壩的長(zhǎng)期沉降隨著時(shí)間的推移而變緩，但是沉降持續(xù)的時(shí)間非常長(zhǎng)，工后沉降量與時(shí)間的對(duì)數(shù)表現(xiàn)出線性關(guān)系。Brandonetal.(1990)發(fā)現(xiàn)相比蠕變沉降，濕陷沉降導(dǎo)致的工后沉降要大得多。Athanasiuetal.(2005)對(duì)不同填料、不同填筑方式的高填方工程長(zhǎng)期沉降進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)施工階段對(duì)填料充分壓實(shí)能減少高填方的長(zhǎng)期工后沉降。

以上主要從宏觀和微觀兩個(gè)角度研究了高填方的沉降，具有較高的理論與實(shí)用價(jià)值，但針對(duì)大孔隙黃土高填方的變形研究相對(duì)較少。

高填方地基變形由原狀地基變形和填筑體變形兩部分構(gòu)成。填筑荷載對(duì)原狀地基與填筑體的影響特征有所不同，通常情況下，原狀地基變形曲線隨荷載增加逐漸增大，變化較為舒緩，變形速率在停止加載一段時(shí)間后才逐漸減??； 填筑體隨荷載增加快速產(chǎn)生變形，停止加載后變形迅速減小，加載與停止加載期間變形曲線存在明顯的拐點(diǎn)，從宏觀上看，隨間歇性施工變形曲線呈現(xiàn)臺(tái)階性發(fā)展態(tài)勢(shì)(王成峰， 2008)。

經(jīng)過(guò)對(duì)高填方地基的變形特征分析還發(fā)現(xiàn)，影響高填方地基變形的主要因數(shù)包括原狀地基與填筑體的物理力學(xué)性質(zhì)、荷載形式與大小、施工技術(shù)與工藝、固結(jié)時(shí)間等，另外在黃土地區(qū)還應(yīng)考慮土中含水率對(duì)地基的影響。本文通過(guò)理論分析、原位監(jiān)測(cè)和三維計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬反演等方法，綜合性的對(duì)黃土高填方地基的變形規(guī)律進(jìn)行研究，為黃土高填方地基設(shè)計(jì)與施工提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1研究區(qū)工程地質(zhì)

研究區(qū)位于陜北黃土高原中部，屬于典型的繼承型和繼承、侵蝕混合型的黃土梁峁溝壑區(qū)。黃土梁峁地勢(shì)高，邊坡陡峻，構(gòu)成各級(jí)溝谷之間的分水嶺，梁峁頂面寬度為50～150m，坡度一般小于20°，下部坡度一般為30°～40°，局部近直立，坡高一般為100～150m。填方區(qū)下部基巖地形在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和河流作用下形成不同溝谷類(lèi)型，在風(fēng)積黃土覆蓋后呈現(xiàn)出梁峁與溝谷縱橫交錯(cuò)的地貌類(lèi)型，研究區(qū)地貌總體而言起伏較大，梁峁上部呈現(xiàn)地形坡度較緩(約5°～10°)，下部近基巖段坡度較陡(約25°～35°)，基巖段坡度多為>40°，局部有的可達(dá)62°～72°，填方區(qū)溝谷依據(jù)侵蝕強(qiáng)弱多呈現(xiàn)“V”型和“U”型溝谷，人類(lèi)活動(dòng)多在“U”型溝谷中進(jìn)行。

該區(qū)內(nèi)填方厚度依據(jù)原有地形填筑，填筑厚度10～52m不等，原始地形坡度對(duì)填筑后填筑體工期及工后沉降變形將產(chǎn)生一定影響，故以此典型區(qū)域作為試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)，開(kāi)展對(duì)黃土沖溝高填方地基變形規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)分析。

2高填方地基原位監(jiān)測(cè)分析

2.1測(cè)點(diǎn)布設(shè)

為了全面分析填方地基變形規(guī)律，并綜合考慮場(chǎng)地內(nèi)外地形、地貌及其地質(zhì)狀況，分別在沿溝谷走向和垂直溝體邊坡方向3個(gè)斷面典型位置布置監(jiān)測(cè)井，觀測(cè)井中分層安裝土壓力盒、土壤水分計(jì)和分層沉降儀，并安設(shè)了淺層沉降標(biāo)來(lái)對(duì)地表沉降進(jìn)行觀測(cè)，其布置形式(圖1)。

圖1　試驗(yàn)場(chǎng)傳感器布設(shè)Fig. 1　Test field sensor layouta. 場(chǎng)區(qū)地形及監(jiān)測(cè)設(shè)備布設(shè)斷面； b. 典型監(jiān)測(cè)斷面圖； c. 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝過(guò)程

施工期間平均每3d監(jiān)測(cè)一次，工后開(kāi)始每3d監(jiān)測(cè)一次，隨著填方區(qū)地基逐漸穩(wěn)定，每10個(gè)月監(jiān)測(cè)一次，雨后適當(dāng)增加監(jiān)測(cè)頻次。

2.2原位監(jiān)測(cè)結(jié)果分析2.2.1體積含水率

黃土梁峁區(qū)大面積填方后，地表水和地下水的蒸發(fā)和滲流途徑發(fā)生變化，隨著時(shí)間的推移，不同深度填土體的含水量也會(huì)發(fā)生變化。降雨和地表排水除部分蒸發(fā)和水平徑流外，還有部分水分子不斷向下滲流，當(dāng)下部填筑體非飽和黃土含水量增大時(shí)，壓縮性隨之增大，因此研究填筑體含水率變化具有重要意義。圖2 為工后各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同填筑深度(10～50m)測(cè)點(diǎn)含水率時(shí)程變化曲線，曲線圖第10～12月和第22～24月為雨季。從圖中可以看出，處于填方后地面下0～20m土層含水量受降雨、季節(jié)變化等影響，在短期內(nèi)有較大幅度的增減，含水率先大幅增長(zhǎng)，而后又急速回落，說(shuō)明降雨入滲對(duì)填方體的影響較大； 處于填方體以下30m土層含水率在監(jiān)測(cè)的24個(gè)月內(nèi)逐漸增大，表明水分子下滲并聚集到該層土體內(nèi)，當(dāng)毛細(xì)壓力與水分子重力平衡，含水率將不再增大； 處于填方體以下40～50m土層水分下滲量減少，各層監(jiān)測(cè)點(diǎn)含水率基本不再變化。

圖2　填方地基體積含水率曲線圖Fig. 2　Curve of embankment moisture map

圖3　土壓力監(jiān)測(cè)曲線圖Fig. 3　Curve of soil pressure monitoring

2.2.2土壓力

圖3為工后不同監(jiān)測(cè)位置土壓力隨填方高度的變化曲線，從圖中能夠看出，土壓力隨填方高度的增加近似呈線性增大。4個(gè)監(jiān)測(cè)位置在填方高度0～18m，土壓力增長(zhǎng)斜率基本一致； 填方高度18m以后，土壓力增長(zhǎng)斜率不再相同，最大填方處土壓力的斜率明顯小于監(jiān)測(cè)斷面1、2、3的斜率，填方高度36m時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面1、2、3的土壓力分別是最大填方處的1.54、1.16、1.85倍，這與填方體、原狀溝體、填方與溝體交界面土體的力學(xué)性質(zhì)、梁峁地形地貌有關(guān)。

2.2.3沉降量

沉降觀測(cè)是研究地基變形的核心內(nèi)容，為了確保高填方地基沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，將分層沉降疊加后與地表沉降對(duì)比，修正后得到圖4 地表總沉降等值曲線。

圖4　地表總沉降等值線圖(單位：cm)Fig. 4　Total settlement contour of surface

分析圖4 可知，監(jiān)測(cè)期間高填方地基地表沉降量與填方高度基本一致，地基最大總沉降發(fā)生在溝谷中部位置，最大達(dá)到了63cm。由此可知，填方體沉降是影響地基沉降的主要因素，原狀土體對(duì)地基沉降的影響相對(duì)較小。

3基于原位試驗(yàn)的數(shù)值模擬反演分析

3.1建立數(shù)值模擬模型

原位觀測(cè)后期，地表沉降速率為0.02mm·d-1，根據(jù)《建筑變形測(cè)量規(guī)范》(JGJ8-2007)地基沉降標(biāo)準(zhǔn)(最后100d的沉降速率小于0.01～0.04mm·d-1時(shí)可認(rèn)為已進(jìn)入穩(wěn)定階段)可判斷，原位地表沉降已進(jìn)入穩(wěn)定階段。此時(shí)的沉降量真實(shí)反映了實(shí)際情況下地基變形情況。為了進(jìn)一步優(yōu)化原位監(jiān)測(cè)不具備表征地基任意位置的缺陷，本文將Midas/GTS有限單元軟件數(shù)值模擬與原位監(jiān)測(cè)相結(jié)合，利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬反演分析法進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)合試驗(yàn)區(qū)實(shí)際情況，應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系采用摩爾庫(kù)侖準(zhǔn)則。填方分為10級(jí)，每級(jí)填土厚度4～5m，模型長(zhǎng)×寬×高=160m×125m×80m。網(wǎng)格采用實(shí)體單元，從填方到基巖逐漸發(fā)散，模型邊界條件為地面約束形式(圖5)。

圖5　高填方地基有限單元模型Fig. 5　Finite element mesh model of loess high-filla. 填方體模型； b. 原狀黃土梁峁地基模型； c. 填方后地基模型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況作一下基本假設(shè)：

(1)假設(shè)原始地層與填方體為各向同性的連續(xù)介質(zhì)，都是理想彈塑性材料。

(2)假設(shè)地基承受的上部結(jié)構(gòu)壓力為豎向均布荷載。

原地基土以Q2黃土為主，其下為砂巖基巖，按實(shí)測(cè)體積含水率分層添加到每層填筑體中，反演分析參數(shù)如表1所示。

表1　填方地基地層物理力學(xué)參數(shù)

3.2填土地基受力、變形與原位監(jiān)測(cè)對(duì)比

圖6反映了填方體最終固結(jié)穩(wěn)定后的豎向變形云圖，由圖6中可以出，最大豎向位移76.7cm，與原位地表總沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果63cm較為接近，僅大了13.7cm，由此說(shuō)明24個(gè)月后試驗(yàn)區(qū)地基沉降并未結(jié)束，僅完成了最終沉降的82.1%，還有進(jìn)一步沉降趨勢(shì)。

圖6　填方體豎向變形云圖Fig. 6　Vertical deformation of filling

分析圖7 可知，填方體的豎向應(yīng)力基本隨填方高度的增加而增大。最大填方高度處的豎向應(yīng)力為0.696MPa，與實(shí)測(cè)的0.685MPa極為接近，由此也進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。從圖中能夠直觀的看到，由于地基表面不受約束，在填方體變形過(guò)程中地表土體出現(xiàn)小范圍拉應(yīng)力，約占填方體的7%左右，這種拉應(yīng)力來(lái)由下位填筑土體擠壓作用形成，從上到下這種擠壓作用逐漸加強(qiáng)，最下邊幾層填方體明顯呈現(xiàn)出“土拱”現(xiàn)象，在同一填方高度上靠近交界面的土壓力大于填方中部土體的土壓力，與試驗(yàn)實(shí)測(cè)受力特點(diǎn)一致。

圖7　填方體豎向應(yīng)力云圖Fig. 7　The vertical stress of filling

綜上所述，數(shù)值模擬與原位監(jiān)測(cè)填方體受力與變形數(shù)據(jù)較為接近，說(shuō)明數(shù)值模擬結(jié)果可靠，可利用數(shù)值模擬進(jìn)一步分析填方地基在上部結(jié)構(gòu)荷載作用下的變形規(guī)律，為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)施工提供有效參考。

3.3上部結(jié)構(gòu)下作用下的地基變形

為了便于分析地基變形規(guī)律，將基地壓力簡(jiǎn)化為施加在地基表面的均布面荷載，基底壓力按60kPa取值。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得到填方體的豎向變形云圖(圖8)。

圖8　上部結(jié)構(gòu)作用下填方體豎向應(yīng)力云圖Fig. 8　The vertical stress of filling for superstructure effect

圖9　原始地基豎向變形云圖Fig. 9　Vertical deformation of original foundation

將圖8 與圖6 對(duì)比可知，在上部結(jié)構(gòu)作用下，填方地基不均勻沉降范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，豎向位移也明顯增大，最大豎向位移由原來(lái)的76.7cm增加到121.0cm，差值達(dá)到了44.3cm，比原來(lái)大了57.8%，由此說(shuō)明，上部結(jié)構(gòu)荷載對(duì)填方地基沉降影響較大，在上部結(jié)構(gòu)施工前對(duì)原始高填方地基二次處理顯得尤為重要，處理不當(dāng)引起的地基不均勻沉降將會(huì)給上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成安全隱患。

圖9為原始地基豎向變形云圖，該圖更為直觀的反映了上部結(jié)構(gòu)作用下深層原始地基不同位置的豎向變形情況。

對(duì)比圖6、圖9 可以看出，高填方地基變形主要由填方體決定，原狀地基的變形相對(duì)較小，僅占到整個(gè)地基變形的14.1%左右。由此可以說(shuō)明，黃土梁峁區(qū)高填方地基處理的核心是對(duì)填筑體的處理。

4結(jié)論

(1)通過(guò)原位監(jiān)測(cè)分析得出黃土梁峁區(qū)高填方體地基體積含水率的分布規(guī)律以及季節(jié)降水對(duì)地基的影響范圍； 并發(fā)現(xiàn)同一填方高度下填方體比原狀地基交界面土壓力大，隨著填方高度的增加，這種現(xiàn)象越明顯。

(2)通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)在填方體變形過(guò)程中地表土體出現(xiàn)小范圍拉應(yīng)力，這種拉應(yīng)力來(lái)由下位填筑土體擠壓作用形成，從上到下這種擠壓作用逐漸加強(qiáng)，最下邊幾層填方體明顯呈現(xiàn)出“土拱”現(xiàn)象。利用數(shù)值模擬反演分析預(yù)測(cè)了上部荷載作用下地基的變形規(guī)律，提出了地基二次處理的控制指標(biāo)。

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IN-SITUTESTSONDEFORMATIONLAWSOFHIGHFOUNDATIONINLOESSPLATEAUAREA

DONGQi①②LIYang②DUANXu①CHANGYuan③

AbstractWith the accelerating pace of urbanization, more and more building foundations appear in hilly areas of loess plateau. Building foundations can have serious uneven subsidences because of large pore loess and special landform, which can lead to crack, or even collapse of buildings. The crustal stress, water content and foundation sedimentation of loess hilly-gully high-stacked foundation are studied via in-situ monitoring. The changing law of filled foundation’s water content with season and the affected depth are analyzed. It is found that there exists a soil arch in high-stacked foundation. The relation between sedimentation and filling depth is concluded. The final sedimentation volume is analyzed and conjectured by the use of three-dimension numerical simulation inversion. The foundation deformation law under the effect of upper construction is predicted which provides reference for similar loess high-stacked engineering design and its deformation calculation．

Key wordsLoess hilly-gully region， High foundation， Foundation deformation， Numerical simulation

DOI:10.13544/j.cnki.jeg.2016.02.018

* 收稿日期：2015-10-07; 收到修改稿日期： 2015-12-30.

基金項(xiàng)目：2013年國(guó)家十二五科技攻關(guān)項(xiàng)目“黃土丘陵溝壑區(qū)(延安新區(qū))工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(編號(hào)： 2013BAJ06B04，2013BAJ06B03)，2012年陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程“延安黃土丘陵溝壑區(qū)工程建設(shè)重大地質(zhì)與巖土工程問(wèn)題研究”(編號(hào)： 2012KTZD-03)，陜西省重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新鏈-社會(huì)發(fā)展領(lǐng)域“填方區(qū)建筑物基礎(chǔ)破壞模式及機(jī)理研究”(編號(hào)： 2015KTZDSF03-02)資助.

第一作者簡(jiǎn)介：董琪(1984-)，男，博士生，工程師，主要研究方向?yàn)橥僚c結(jié)構(gòu)物相互作用. Email: 38641855@qq.com

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A