寇甄濤,楊 旭,劉 魁,
(1.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院 陜西 西安 710000;2.信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院, 陜西 西安 710001)
近年來,我國西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,在人民生活水平穩(wěn)步提升的同時(shí)也出現(xiàn)了建設(shè)用地資源急劇緊缺的問題。為緩解這一矛盾,以延安為代表的許多城市制定了“上山建城”、“中疏外擴(kuò)”的發(fā)展戰(zhàn)略[1]。在填溝造地過程中,大量自然固結(jié)土體被機(jī)械翻刨、挖掘,然后重夯填至溝底,達(dá)到平衡場(chǎng)地高差,擴(kuò)大用地面積的目的。
挖填后的場(chǎng)地看似平坦,但其力學(xué)性質(zhì)和變形特性卻很難用均質(zhì)地基的研究方法去判斷。關(guān)于黃土高填方的研究,前人已有了豐碩的成果。石博溢等[2]針對(duì)黃土場(chǎng)地的變形問題,通過大量實(shí)驗(yàn)建立了不同厚度(荷載)條件下填方場(chǎng)地的沉降預(yù)測(cè)模型。朱才輝等[3]研究了填土變形的時(shí)效實(shí)驗(yàn),并估算出深厚黃土地基高填方沉降穩(wěn)定需3 a~4 a,建議填挖完成后1.5 a~2 a開展工程建設(shè)。
在黃土填挖場(chǎng)地內(nèi),不均勻沉降是工程建設(shè)面臨的一個(gè)巨大難題。根本原因在于人工填土雖然經(jīng)機(jī)械或者人力瞬間壓實(shí),但其固結(jié)程度遠(yuǎn)不如自然條件下經(jīng)年累月的沉積。人工填土具有孔隙比大、結(jié)構(gòu)松散的特點(diǎn),填土在固結(jié)時(shí),孔隙水消散緩慢,因此固結(jié)穩(wěn)定需要很長的時(shí)間,總沉降量較大[4];而挖方土體原本就是自然沉積形成,人工開挖后露出地表的原狀黃土實(shí)質(zhì)上是超固結(jié)土,該區(qū)內(nèi)土體性質(zhì)好,壓縮性低。填挖區(qū)域的沉降趨勢(shì)差異很大程度上加劇了地基土的不均勻沉降,尤其是當(dāng)建筑物坐落在填挖分界時(shí),這種現(xiàn)象更加明顯。
地基土的不均勻沉降破壞了建筑物與地基原本的共同作用,二者在形成新的平衡作用時(shí)必然會(huì)使樓體結(jié)構(gòu)內(nèi)力重新分布,變形規(guī)律有所變化。部分學(xué)者利用反分析法根據(jù)位移曲線反推上部建筑的應(yīng)力變化[5-6]。也有學(xué)者通過定性定量試驗(yàn)研究了建筑在不均勻沉降下的受力機(jī)理[7]。賈強(qiáng)等[8]依據(jù)模型試驗(yàn)分別探討了框架結(jié)構(gòu)在邊柱沉降和中柱沉降工況下構(gòu)件的變形破壞規(guī)律。綜上,樓體對(duì)于不均勻沉降這一問題所表現(xiàn)出的“癥狀”主要為結(jié)構(gòu)大變形、墻體開裂,甚至倒塌[9]。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[10],墻體在中部沉降較大和兩端沉降較大的工況下墻體裂縫的發(fā)展規(guī)律和延伸方向也有云泥之別。
本文在實(shí)際調(diào)查的基礎(chǔ)上,以填挖方不同的空間組合形態(tài)為原則,將黃土地區(qū)半填半挖場(chǎng)地內(nèi)的建筑地基破壞形式劃分成三種類型,并通過實(shí)際調(diào)查資料對(duì)上述三種類型進(jìn)行說明。在此基礎(chǔ)上,對(duì)半填半挖區(qū)內(nèi)的地基破壞形式進(jìn)行理論分析,并使用FLAC3D軟件進(jìn)行了數(shù)值分析校核。本文立足于實(shí)地調(diào)查,放眼于工程實(shí)際,希望對(duì)黃土半填半挖區(qū)內(nèi)地基變形破壞分析提供理論參考。
筆者主要對(duì)以延安為中心的陜北地區(qū)進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查,在延安某小區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)了典型的半填半挖區(qū)地基破壞形式。該小區(qū)內(nèi)均為6層磚混結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)形式為條形基礎(chǔ)。場(chǎng)地原為環(huán)山梁及若干條支溝匯集形成一個(gè)形似倒圓臺(tái)式的地貌,梁、溝高差可達(dá)數(shù)十米。場(chǎng)地開發(fā)時(shí),對(duì)坡頂土體進(jìn)行了刨挖,將刨挖土體碾碎重新壓實(shí),回填至坡底及沖溝地段。典型的半填半挖場(chǎng)地主要集中在原山腰處,而位于此類場(chǎng)地內(nèi)的樓房也成為了本文研究的重點(diǎn)對(duì)象。根據(jù)場(chǎng)地勘察資料及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果,將半填半挖區(qū)內(nèi)地基破壞形式分為填土-黃土破壞、填土-黃土-填土破壞及黃土-填土-黃土破壞。
填土-黃土破壞型式是指樓房地基坐在原沖溝邊緣,一側(cè)地基位于原山梁處,另一側(cè)位于原沖溝區(qū)域,見圖1。由于沖溝內(nèi)由填土壓實(shí)夯填,土體壓縮性高,且部分填土自重固結(jié)尚未完成,因此填土區(qū)內(nèi)沉降量較大,在樓房地基兩端產(chǎn)生明顯的差異沉降。此外,填土多具濕陷性,根據(jù)監(jiān)測(cè)資料,部分沖溝段內(nèi)地下水位呈逐年上升趨勢(shì),因此濕陷變形加劇了挖方區(qū)和填方區(qū)的差異沉降。該破壞類型的顯著特征是地基發(fā)生明顯的不均勻沉降。
圖1填土-黃土地基模型
建筑物的差異沉降超過限值時(shí),上部建筑會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力,在構(gòu)件薄弱處產(chǎn)生應(yīng)力集中,使某些構(gòu)件開裂甚至破壞。填土過大的位移導(dǎo)致建筑物發(fā)生傾斜,樓體應(yīng)力重新分布,當(dāng)重分布應(yīng)力大于混凝土粘結(jié)強(qiáng)度時(shí),會(huì)造成墻體拉裂,沿一定方向擴(kuò)展成裂縫。該類型場(chǎng)地內(nèi)墻體出現(xiàn)單斜裂縫,樓房裂縫見圖2。
圖2填土-黃土場(chǎng)地內(nèi)樓房裂縫
該類型場(chǎng)地內(nèi)樓房不均勻沉降主要體現(xiàn)在填挖交界附近,錯(cuò)動(dòng)明顯。墻面出現(xiàn)多條單斜裂縫。墻體裂縫傾角基本一致,窗戶、檐口等應(yīng)力集中點(diǎn)處裂縫較發(fā)育,單棟樓房主裂縫一般為1~3條,由挖方中心向上延伸,貫通整個(gè)樓房。根據(jù)相關(guān)研究成果[11],當(dāng)樓體單側(cè)發(fā)生不均勻過大沉降時(shí),基礎(chǔ)會(huì)沿填挖交界處錯(cuò)動(dòng),繼而形成細(xì)小裂隙,與此同時(shí),樓體上部由于不均勻沉降發(fā)生拉裂。根據(jù)格里菲斯破壞準(zhǔn)則[12],差異沉降繼續(xù)擴(kuò)大時(shí),裂縫會(huì)沿著應(yīng)力集中處繼續(xù)貫通。因此基礎(chǔ)裂縫與樓體上部裂縫在差異沉降不斷增大的條件下相向貫通,最終形成等寬裂縫,見圖3。
圖3樓房單斜裂縫
填土-黃土-填土破壞型式是指建筑物中部坐在原山梁上,而兩側(cè)坐在原山梁兩側(cè)的沖溝區(qū)域內(nèi),見圖4、圖5。由于填方區(qū)域內(nèi)填土壓縮模量小,部分區(qū)域內(nèi)填土自重固結(jié)尚未完成,因此沉降量較大,而挖方段為原狀黃土,沉降量小,因此在建筑場(chǎng)地內(nèi)產(chǎn)生明顯的差異沉降。該破壞類型的顯著特征是地基兩側(cè)明顯沉降過大,樓體上出現(xiàn)反八字裂縫,樓房裂縫形態(tài)見圖6。
圖4 填土-黃土-填土地基模型
圖5填土-黃土-填土場(chǎng)地內(nèi)樓房裂縫
該類型場(chǎng)地內(nèi)不均勻沉降主要趨勢(shì)為兩側(cè)沉降過大,而中部沉降小。場(chǎng)地內(nèi)的擋墻、公路等設(shè)施也可能受不均勻沉降影響,局部發(fā)生失穩(wěn)破壞,見圖7。墻體裂縫關(guān)于挖方區(qū)中軸線對(duì)稱,呈反八字形。單側(cè)墻體裂縫延伸方向基本一致,樓體應(yīng)力集中處裂縫發(fā)育。當(dāng)?shù)鼗鶅蓚?cè)沉降過大時(shí),樓體上部首先發(fā)生拉裂,薄弱處產(chǎn)生細(xì)小裂紋,隨著差異沉降不斷增大,裂紋繼續(xù)向基礎(chǔ)變形較小處發(fā)展。因此,該類型場(chǎng)地內(nèi)的墻體裂縫整體呈上寬下窄狀。
圖6擋墻裂縫圖7樓房反八字裂縫
黃土-填土-黃土破壞型式是指樓基兩端坐在挖方區(qū),而基礎(chǔ)中部坐在沖溝填方區(qū)上。地基模型見圖8。挖方段內(nèi)為原狀黃土,自重固結(jié)沉降早已完成,沉降量小。而中部挖方段內(nèi)填土由于土質(zhì)相對(duì)松散,因此壓縮模量小,沉降量較大。此外,部分填土具濕陷性,若受地下水侵蝕,填挖段差異沉降更趨明顯。該破壞類型的顯著特征是樓基中部沉降量大,兩端沉降量小,墻體由于不均勻沉降而出現(xiàn)明顯的正八字裂縫,見圖9。
圖8 黃土-填土-黃土地基模型
圖9黃土-填土-黃土場(chǎng)地內(nèi)樓房裂縫
該類型場(chǎng)地內(nèi),不均勻沉降趨勢(shì)主要為中部沉降過大,而兩側(cè)沉降小,過大的差異沉降可導(dǎo)致樓體橫梁彎曲,見圖10。墻體裂縫沿挖方區(qū)中軸對(duì)稱分布,呈正八字形分布,當(dāng)基礎(chǔ)中部沉降過大時(shí),該段基礎(chǔ)部位與兩側(cè)基礎(chǔ)具橫向拉裂作用,交界處基礎(chǔ)出現(xiàn)橫向小裂隙。隨著差異沉降繼續(xù)擴(kuò)大,裂隙繼續(xù)發(fā)展,延伸方向由橫向變?yōu)樨Q向,直至沉降完成。因此,該類型場(chǎng)地內(nèi),墻體裂縫整體呈下寬上窄的發(fā)展趨勢(shì)。墻體裂縫見圖11。
圖10橫梁彎曲圖11樓房正八字裂縫
在對(duì)以上調(diào)查結(jié)果分類總結(jié)的基礎(chǔ)上,本節(jié)中將進(jìn)一步分析上述三種地基模型的破壞機(jī)理。由于填土-黃土地基模型可代表典型的半填半挖場(chǎng)地特征,因此本節(jié)內(nèi)以此模型為例深入分析其破壞機(jī)理。
現(xiàn)以延安某小區(qū)內(nèi)一樓房為實(shí)際工程算例。該樓房為6層砌體結(jié)構(gòu),位于典型的半填半挖區(qū),根據(jù)調(diào)查資料,基礎(chǔ)形式為條形基礎(chǔ),基礎(chǔ)寬度1.4 m,橫跨于填挖交界處,在填方區(qū)內(nèi)延伸長度為15 m,基底壓力 220 kPa。該樓由于不均勻沉降嚴(yán)重,樓體上出現(xiàn)圖3所示的單斜裂縫。
根據(jù)該區(qū)域勘察資料,該建筑場(chǎng)地內(nèi)地層結(jié)構(gòu)與參數(shù)如圖12中所示。
圖12某樓房地層結(jié)構(gòu)示意圖
監(jiān)測(cè)從樓房施工開始,至完工后4 a。共在樓房周圍埋設(shè)了8個(gè)沉降觀測(cè)標(biāo),具體布設(shè)位置見圖13。將各點(diǎn)最終沉降匯總至圖14、表1中。
表1 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)最終位移統(tǒng)計(jì)表
根據(jù)圖14,各觀測(cè)點(diǎn)沉降已趨于穩(wěn)定?,F(xiàn)將1~4號(hào)點(diǎn)線上各點(diǎn)沉降及5~8號(hào)點(diǎn)線上各點(diǎn)沉降統(tǒng)計(jì)見圖15、圖16。
圖13 樓房各監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面位置圖
圖14 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降統(tǒng)計(jì)圖
圖15 1~4號(hào)點(diǎn)沉降量
圖16 5~8號(hào)點(diǎn)沉降量
根據(jù)上述監(jiān)測(cè)結(jié)果,填方區(qū)域沉降量明顯大于挖方區(qū),且荷載中心處沉降大于荷載邊緣處沉降量。填方中心與挖方中心差異沉降最大可達(dá)4 cm。
填挖方不均勻沉降的主要影響因素有:(1) 二者模量差異;(2) 填土的自重固結(jié);(3) 局部原溝谷地區(qū)內(nèi)填土的濕陷變形。其中,前兩個(gè)因素占主導(dǎo)地位。本節(jié)將針對(duì)前兩個(gè)因素對(duì)半填半挖區(qū)的沉降進(jìn)行計(jì)算。
填土與原狀黃土模量的差異將直接影響上覆荷載作用下二者的層內(nèi)壓縮量,層內(nèi)壓縮量的計(jì)算采用規(guī)范[13]中給出的分層總和法 。仍以上節(jié)中6層建筑場(chǎng)地模型為例,分別計(jì)算填土區(qū)和原狀黃土區(qū)內(nèi)荷載中心下的最大沉降。參數(shù)選取見表2,計(jì)算結(jié)果見表3,各計(jì)算點(diǎn)沉降趨勢(shì)見圖17。
表2 參數(shù)選取
表3 最終沉降量
荷載范圍內(nèi)各計(jì)算點(diǎn)處沉降取值如圖。
圖17荷載范圍內(nèi)沉降趨勢(shì)線(分層總和法)
由上表可知,上覆荷載作用下,一維固結(jié)計(jì)算理論得到的差異沉降僅為0.9 cm,此差異沉降完全符合規(guī)范中給定的差異限值。因此,單純的土體壓縮并不能產(chǎn)生上節(jié)中所述的地基破壞,除壓縮變形外,欠固結(jié)土體可在自重作用下繼續(xù)固結(jié),有效應(yīng)力增大。若按正常固結(jié)土層計(jì)算,計(jì)算結(jié)果將遠(yuǎn)小于實(shí)測(cè)沉降量[14]。進(jìn)一步說明了計(jì)算填土自重固結(jié)的必要性。
一些學(xué)者通過大量實(shí)驗(yàn)擬合出填土自重固結(jié)的經(jīng)驗(yàn)流變方程[15]:
(1)
式中:γ為上覆填土的重度;H為填土厚度;t為固結(jié)時(shí)間;α、β、e、f為與壓實(shí)度和含水率有關(guān)的參數(shù)。
仍以該小區(qū)場(chǎng)地為例,該場(chǎng)地內(nèi)填土含水率為13.5%,平均壓實(shí)度為0.8,則對(duì)應(yīng)的參數(shù)選取見表4。
表4 流變方程參數(shù)取值
根據(jù)相關(guān)調(diào)查資料,該小區(qū)場(chǎng)地內(nèi)填土平均厚度為20 m,工后自重固結(jié)時(shí)間區(qū)間1.2 a~4.3 a,將以上參數(shù)代入式(1)中,計(jì)算得工后填土自重固結(jié)量為3.3 cm。如前所述,樓體總差異沉降為自重固結(jié)量與填挖方壓縮量差異值之和,總差異沉降為4.2 cm,沉降趨勢(shì)見圖18。此差異沉降遠(yuǎn)大于規(guī)范限值,足可產(chǎn)生上節(jié)所述的地基破壞。
圖18荷載范圍內(nèi)沉降趨勢(shì)線(考慮填土自重變形)
理論分析中所得的沉降曲線與各計(jì)算點(diǎn)的監(jiān)測(cè)曲線趨勢(shì)基本一致。理論計(jì)算得沉降量較監(jiān)測(cè)結(jié)果而言整體偏大,但差異沉降一致,均為4 cm左右。因此,可認(rèn)為產(chǎn)生填挖方差異沉降的主要原因在于填方區(qū)域沉降量包括了自重固結(jié)的變形值。
FLAC3D是一款顯示的有限差分程序,采用命令流輸入方式,可較準(zhǔn)確的模擬材料的屈服、塑性流動(dòng)、軟化直至大變形,是現(xiàn)在國內(nèi)外巖土領(lǐng)域的通用軟件[16]。為了更深入的探討半填半挖區(qū)地基破壞機(jī)理,本節(jié)將采用該軟件對(duì)半填半挖地基破壞形式進(jìn)行數(shù)值模擬。
為與實(shí)際情況吻合,破壞模型擬采用二維模型,模型尺寸長100 m,寬40 m?;A(chǔ)形式為條形,荷載范圍內(nèi)設(shè)計(jì)了1.5 m厚的灰土墊層。具體參數(shù)選取見表1。由于填土-黃土型場(chǎng)地可代表典型填挖場(chǎng)地特征,因此對(duì)另外兩種破壞形式不予過多分析。場(chǎng)地模型見圖19。
圖19填土-黃土型場(chǎng)地模型
基本參數(shù)選取同上節(jié)理論分析,需要說明,在加荷計(jì)算階段,考慮了時(shí)間效應(yīng)影響下填土的自重固結(jié)變形。沉降位移云圖見圖20。
圖20填土-黃土型破壞模型Y方向位移云圖
根據(jù)上述數(shù)值分析結(jié)果,填方區(qū)平均沉降在9 cm~11 cm之間,而挖方區(qū)沉降集中在5 cm~7 cm之間,差異沉降為6 cm~8 cm。填方區(qū)與挖方區(qū)在各自區(qū)域內(nèi)的沉降趨勢(shì)符合一般均質(zhì)土層中的正鍋底狀,由于兩個(gè)區(qū)域內(nèi)荷載影響半徑不同,因此在填挖交界處出現(xiàn)了位移突變。為更直觀的分析場(chǎng)地內(nèi)沉降趨勢(shì),現(xiàn)于荷載范圍內(nèi)每隔5 m采取一次地表位移值,得到圖21的沉降趨勢(shì)線。
圖21數(shù)值分析結(jié)果沉降趨勢(shì)線
根據(jù)圖17,數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相比各區(qū)域沉降計(jì)算值偏大,但沉降規(guī)律明顯。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,場(chǎng)地內(nèi)沉降趨勢(shì)于填挖交界處發(fā)生突變,且荷載中心沉降大于荷載邊緣沉降。且根據(jù)沉降趨勢(shì)線,數(shù)值模擬結(jié)果中的最終沉降量與差異沉降量為監(jiān)測(cè)結(jié)果的1.8倍~2.2倍??蛇M(jìn)一步佐證理論計(jì)算中對(duì)填挖區(qū)差異沉降原因的分析結(jié)論。
FLAC3D軟件在計(jì)算時(shí)考慮的荷載影響范圍達(dá)35 m,而在理論計(jì)算中,規(guī)范給出的計(jì)算深度遠(yuǎn)達(dá)不到此數(shù)值。因此,數(shù)值計(jì)算中的最終沉降結(jié)果雖然較保守,但填方區(qū)與挖方區(qū)的差異規(guī)律卻可以借鑒。
此外,于該場(chǎng)地計(jì)算結(jié)果中提取出地基土內(nèi)XY方向剪應(yīng)力的分布云圖,見圖22。
圖22填土-黃土型破壞模型XY方向剪應(yīng)力云圖
XY方向剪應(yīng)力云圖在填挖交界區(qū)域與荷載邊緣存在較大的應(yīng)力集中,最大剪應(yīng)力達(dá)60 kPa~73 kPa,灰土墊層處應(yīng)力集中雖得到一定程度緩解,但由于處理厚度不足,附加應(yīng)力未得到最大限度的擴(kuò)散,因此導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重,差異沉降較大。
此外,在半填半挖區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)應(yīng)特別注意地基處理,處理深度不足或者處理方案選取不當(dāng)將直接影響最終的加固效果。以本次調(diào)查為例,該小區(qū)內(nèi)的六層砌體結(jié)構(gòu)采用了淺層換填墊層處理,加固深度不足直接弱化加固效果,因此不能有效地減弱差異沉降。此外,在溝谷填筑及地基處理施工時(shí),應(yīng)尤其注意荷載邊緣及填挖交界處的加固。具體進(jìn)行巖土設(shè)計(jì)時(shí)以本文提出的三種地基破壞形式為基礎(chǔ),選擇合理的地基處理方案。
(1) 本文以實(shí)際調(diào)查資料為依托,對(duì)黃土半填半挖地區(qū)內(nèi)建筑地基破壞形式進(jìn)行了歸類。根據(jù)填挖方不同的空間組合形態(tài)及破壞特征,將半填半挖區(qū)內(nèi)地基破壞型式分為:填土-黃土型破壞、填土-黃土-填土型破壞、黃土-填土-黃土型破壞。
(2) 以調(diào)查區(qū)內(nèi)某小區(qū)為模型,采用理論計(jì)算分析結(jié)論(1)中各破壞類型的破壞機(jī)理。填土區(qū)沉降除了自身壓縮變形外,還應(yīng)考慮時(shí)間效應(yīng)影響下的自重固結(jié)變形。經(jīng)計(jì)算,填挖方差異沉降達(dá)4.2 cm,此差異沉降足可引起基礎(chǔ)變形過大,墻體出現(xiàn)裂縫,與調(diào)查結(jié)果一致,沉降趨勢(shì)與監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致。因此可認(rèn)為半填半挖場(chǎng)地差異沉降過大的原因在于填土發(fā)生了自重固結(jié)。
(3) 仍以上述建筑為模型,采用FLAC3D軟件對(duì)結(jié)論(1)中各破壞模型的破壞機(jī)理進(jìn)行數(shù)值分析。填方區(qū)與挖方區(qū)內(nèi)沉降均呈正鍋底狀,但由于荷載影響半徑不同導(dǎo)致在填挖交界處出現(xiàn)位移突變與應(yīng)力集中,兩區(qū)域內(nèi)差異沉降在6 cm~8 cm之間。數(shù)值分析結(jié)果趨勢(shì)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一致,且與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)呈1.8倍~2.2倍關(guān)系,進(jìn)一步佐證結(jié)論(2)。
(4) 在半填半挖區(qū)內(nèi)進(jìn)行工程建設(shè)時(shí),應(yīng)重視地基處理方案的選取??筛鶕?jù)不同的地基破壞形式采用不同的地基處理方案,以達(dá)到最優(yōu)加固效果。此外在施工時(shí)應(yīng)注意對(duì)荷載邊緣及填挖交界處的加固。
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