某大厚度填土場地的地質(zhì)穩(wěn)定性分析

程東幸，郭 葆，丁 偉，單 波

（中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710032）

某換流站位于陜西省府谷縣田家寨鄉(xiāng)東約7 km處的循環(huán)工業(yè)經(jīng)濟(jì)園區(qū)內(nèi)，是典型黃土狀土的高填深挖場地。在站址選定之前，所處場地已進(jìn)行了整平處理，但由于前期場地整平過程中對原始地形未進(jìn)行測量，而且場地整平過程中的施工方案及檢測資料都難以收集到，因此，給場地的長期穩(wěn)定性和安全性評價(jià)以及相應(yīng)的針對性設(shè)計(jì)方案的選取帶來了很多困難。

為了對場地地質(zhì)環(huán)境有更多的掌握，在采取詳細(xì)工程地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，采取綜合工程地質(zhì)勘察手段對場地土的工程地質(zhì)環(huán)境和巖土工程性能進(jìn)行了研究，系統(tǒng)分析了高填深挖場地地質(zhì)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)性及地基穩(wěn)定性。

1 高填深挖場地地質(zhì)環(huán)境概況

1.1 地形地貌及地層巖性

站址區(qū)原始地貌屬黃土梁峁區(qū)，地形起伏較大，沖溝縱橫，溝谷深切，地貌形態(tài)多呈“V”字型。目前場地已經(jīng)整平（見圖1），平面上形成了東、西兩個(gè)土質(zhì)平臺，高差約5.0～6.0 m，整平時(shí)強(qiáng)夯過的痕跡場地內(nèi)還清晰可見（見圖2）?？傮w上，場地目前地形平坦、地勢開闊。

圖1 場地地貌形態(tài)

圖2 強(qiáng)夯處理痕跡

根據(jù)各階段巖土工程勘察資料可知，站址區(qū)地層主要分為上部覆蓋層和下伏基巖兩大部分。其中上部地層為大厚度人工填土、第四系風(fēng)積成因的黃土狀粉土及沖、洪積相的粉質(zhì)粘土；下部地層主要為侏羅系砂、泥巖。根據(jù)站址區(qū)地層分布特性、建（構(gòu)）筑物埋深、適宜的地基方案分析等可知，上部覆蓋層是主要的地基持力層，也是變形控制層，其力學(xué)性能的好壞直接影響著地基處理方案的選擇和實(shí)施，在工程勘察、設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注。

1.2 不良地質(zhì)作用

不良地質(zhì)作用是影響場地安全性、建（構(gòu)）筑物平面布設(shè)及地基穩(wěn)定性的主要因素，準(zhǔn)確把握不良地質(zhì)作用的類型、發(fā)育程度對于工程設(shè)計(jì)、建設(shè)期防治措施及運(yùn)行期防治預(yù)案都具有極為重要的作用。

通過對場地的工程地質(zhì)調(diào)查及施工圖階段的勘察可知，場地內(nèi)的不良地質(zhì)作用主要分為三類，一是邊坡問題，站區(qū)在整平深挖高填過程中，在站址內(nèi)及周邊形成了6處土質(zhì)邊坡，既有填方邊坡，也有挖方邊坡，有些邊坡已經(jīng)出現(xiàn)鼓包或塌陷，影響地基的穩(wěn)定性；二是站址南側(cè)及東、西各發(fā)育一條沖溝，其中東側(cè)沖溝溝口有大量土方堆積體，西側(cè)沖溝正對站址，且溝口被站址填方體堵塞；三是站區(qū)存在大面積的填方體，厚度大、均勻性差、存在長期變形的特征，影響建（構(gòu)）筑物地基的穩(wěn)定性。

1.3 場地基本巖土工程特征

1.3.1 地基土的濕陷性

濕陷性地基土主要包括①層填土和②層黃土狀粉土，其中：①層填土的天然孔隙比介于0.569～1.016，標(biāo)貫擊數(shù)2～66擊，自重濕陷系數(shù)0.001～0.065，濕陷系數(shù)0.001～0.072，數(shù)據(jù)充分顯示了該層土濕陷性在空間和平面上的不均勻性及離散性。通過對分布在填方區(qū)探井I級樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，填土的濕陷性主要集中在場址東北區(qū)的局部地段，濕陷類型為II級自重；②層黃土狀粉土的天然孔隙比0.640～0.929，自重濕陷系數(shù)0.001～0.033，濕陷系數(shù)0.001～0.031，標(biāo)貫擊數(shù)為4～36擊，該層相對①層填土地層的穩(wěn)定性及工程性能的均一性明顯變好，在所分析的濕陷性樣本中，具備濕陷數(shù)量的較少，而且濕陷性樣本在空間和平面上沒有規(guī)律可循，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析后，只有填方區(qū)兩小片區(qū)域具有自重濕陷性，濕陷等級為II級。

1.3.2 地基土的強(qiáng)度特性

在評價(jià)地基土的工程性能時(shí)，采用室內(nèi)外試驗(yàn)對各層土強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果見表1。結(jié)果顯示，除①層素填土、②層黃土強(qiáng)度參數(shù)離散性大、工程性能均一性較差外，其余各層土的強(qiáng)度參數(shù)較大，工程性能較好，強(qiáng)度上滿足換流站各建構(gòu)筑物的變形要求。

表1 場地地基土強(qiáng)度參數(shù)

2 場地地質(zhì)環(huán)境特征及風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 概述

地質(zhì)環(huán)境問題是指地質(zhì)環(huán)境中對人類生存與發(fā)展有不利或潛在不利影響的各種不良地質(zhì)現(xiàn)象和作用。引發(fā)這種不良地質(zhì)現(xiàn)象和作用的應(yīng)力既包括自然地質(zhì)作用，也包括人為地質(zhì)作用，還包括自然—人為共同作用。本文所指地質(zhì)環(huán)境問題主要指自然—人為共同作用的結(jié)果，即：挖填引起水文地質(zhì)環(huán)境變化的風(fēng)險(xiǎn)、挖填形成的工程邊坡風(fēng)險(xiǎn)以及大厚度填土的長期變形及穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)等。

2.2 站址整平后的水環(huán)境特征

水是改變場地環(huán)境的重要因素，有效的排水系統(tǒng)將對地質(zhì)環(huán)境的穩(wěn)定和地基變形的控制起到至關(guān)重要的作用。本場地為高填深挖場地，初始整平時(shí)，對排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并沒有高度重視，致使場地內(nèi)部和外側(cè)出現(xiàn)排水不暢、影響場地安全的不利因素。場地整平后，水環(huán)境特征主要表現(xiàn)如下：

2.2.1 1號溝排水系統(tǒng)對場地的安全性影響

1號溝位于站址西南側(cè)，溝深30～40 m，寬50～100 m，沖溝走向正對著站區(qū)，因整平時(shí)大面積填方的緣故，沖溝中下游地段被填埋，形成一個(gè)回填封閉洼地（見圖3），嚴(yán)重堵塞了原有地表的排水路徑。目前，在溝底低洼地段已有積水存在，同時(shí)，由鉆孔資料可知，沿沖溝走向同高程的鉆孔巖性明顯濕度較大，呈很濕或飽和狀態(tài)，說明有水滲透現(xiàn)象。

圖3 1號沖溝形態(tài)

沖溝排水系統(tǒng)的堵截和地下水的滲流，會影響挖填交接面地下水位的變化，使?jié)B流通道內(nèi)地基土出現(xiàn)遇水軟化現(xiàn)象，可能出現(xiàn)填土強(qiáng)度降低、短時(shí)間內(nèi)發(fā)生大面積沉陷或滑移問題，影響場地的穩(wěn)定性。

2.2.2 3號溝排水系統(tǒng)對場地的安全性影響

3號沖溝位于站址東南側(cè)，由南北向一條主溝和一條近東西向的小支溝構(gòu)成，沖溝口正對著站址區(qū)東南角地段（見圖4）。沖溝呈“V”字型，溝口堆積了大量松散的填土，高約5.0 m。目前，該溝口的地面高程大于站址高程，是一條懸溝。

由近幾年該地區(qū)雨水特征可知，夏季集中降雨的頻率越來越高，且具有強(qiáng)度大、時(shí)間短，易形成山洪的特征。溝口的堆積體在大雨情況下，易形成泥石流，對站址穩(wěn)定性威脅較大，因此，對于3號溝除了設(shè)置暢通的排水系統(tǒng)外，需要采取有效的處置措施。

圖4 3號沖溝形態(tài)

2.3 工程邊坡及其特征

站址在整平的過程中，由于采取了挖高填低方案，在站址內(nèi)及周邊共形成了高2.5～65 m的6個(gè)工程邊坡，這些邊坡既有填方邊坡，也有挖方邊坡，坡體的穩(wěn)定性直接影響著站址的安全性。通過調(diào)查和分析可知，1、2、3號邊坡對站址穩(wěn)定性的影響更為明顯，因此，本文主要對這幾個(gè)邊坡的概況及特征進(jìn)行分析說明。

2.3.1 1號邊坡

1號邊坡為填土邊坡，高約34 m，寬120 m，坡度40°～50°。距離站址西側(cè)圍墻約50 m，是回填西側(cè)1號沖溝時(shí)形成的土質(zhì)邊坡。目前，坡體未進(jìn)行支護(hù)措施，坡面也未設(shè)置排水系統(tǒng)，在降雨及溝底滲水影響下，坡頂已經(jīng)出現(xiàn)連續(xù)性張開裂縫和沉陷現(xiàn)象（見圖5），如果這種變形持續(xù)發(fā)展，將會影響站址的安全性，為避免或減緩邊坡沉陷和裂縫發(fā)展，建議采取一定的加固、整治措施，可考慮采用防滲及坡腳反壓等手段。

2.3.2 2號邊坡

2號邊坡為挖方邊坡，坡面已進(jìn)行了削坡處理，呈4～6個(gè)臺階展布，坡高一般為35～50 m，最高約65 m，坡度40°～50°，是站址南側(cè)分布較連續(xù)、規(guī)模較大的土質(zhì)高邊坡（見圖6）。目前坡面局部已出現(xiàn)了坍塌體以及因雨水匯集、沖刷形成的呈小型串珠式?jīng)_槽或小型落水洞，且隨著雨水的進(jìn)一步?jīng)_涮破壞，有可能形成局部淺層的連續(xù)滑塌或比較大的變形破壞，進(jìn)而影響站址的安全性，建議對坡體采取相應(yīng)的防護(hù)措施及加大雨季巡查和相應(yīng)的預(yù)警、預(yù)防措施。

圖5 1號邊坡

2.3.3 3號邊坡

3號邊坡為挖填交互邊坡，坡高5～10 m，坡度40°～50°，坡面進(jìn)行了塊石護(hù)坡處理，坡體上設(shè)置了導(dǎo)水管，已進(jìn)行了基本的加固處理措施。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研和勘察可知，目前坡面有鼓包現(xiàn)象，坡頂有裂縫和輕微沉陷變形（見圖7）。分析認(rèn)為出現(xiàn)這些變形的主要原因是站址整平過程中填土不均勻及挖填交接面處理效果不好，同時(shí)坡頂未設(shè)置有效的排水系統(tǒng)造成的，在不進(jìn)行加載和坡頂采取有效排水后，邊坡不會出現(xiàn)大面積失穩(wěn)的現(xiàn)象。

圖6 2號邊坡

圖7 坡頂沉陷變形

2.4 大厚度填土引起的地面沉降及裂縫

該站址是典型的大厚度填土場地，填土厚度多以20～30 m為主，最厚超過48 m，填土面積約占整個(gè)站址區(qū)的40%。勘察資料顯示，站址區(qū)填土的空間分布隨機(jī)性很大、工程性能很不均勻。根據(jù)研究資料可知，大厚度填方體的沉降變形主要包括兩部分，一是重力作用下填方體自身的壓縮變形；二是填方體下部土體在上覆土壓力作用下的壓縮變形。通常填方體的壓縮固結(jié)過程是非常緩慢的，往往會在工后幾年甚至幾十年持續(xù)進(jìn)行，因此，建設(shè)在填方體上建構(gòu)筑物的變形是長期的，不均勻的，給基礎(chǔ)造成的危害是難以預(yù)估的。

站址自2013年整平以來，隨著雨水滲透、沖刷等，已形成了不少的狹長裂縫和沉降變形，局部地段甚至出現(xiàn)了貫通的沖溝，這些都給站址的安全性帶來極大的威脅。

3 場地地基穩(wěn)定性分析

整平后的站址區(qū)挖填空間交錯出現(xiàn)，原有地基土與填方體由于固結(jié)沉降時(shí)間、密實(shí)狀態(tài)以及歷史上的受力狀態(tài)不一致，使得其在荷載作用下的變形速率和變形空間不協(xié)調(diào)，容易產(chǎn)生差異變形，進(jìn)而影響建構(gòu)筑物的穩(wěn)定性。通常，對于挖填方場地，影響地基穩(wěn)定的主要原因包括三個(gè)方面，即挖填交接面地基的穩(wěn)定性、厚填方體自身固結(jié)過程中的變形穩(wěn)定性及工程坡體的穩(wěn)定性。

3.1 挖填交接面地基穩(wěn)定性

根據(jù)站址周邊地形地貌及勘察資料可知，站址區(qū)原始地層與填土多呈近直立或大角度傾斜面接觸（見圖8），原始地層由于在經(jīng)歷了長期的地質(zhì)和氣候變遷影響后，固結(jié)沉降已經(jīng)基本完成，多處于密實(shí)狀態(tài)，在外部荷載的作用下，變形空間已經(jīng)非常有限，而大厚度填土固結(jié)沉降時(shí)間短，常呈欠固結(jié)狀態(tài)存在。同時(shí)，在整個(gè)站址區(qū)，填土的厚度變化很大，壓實(shí)性非常不均勻，因此，挖填交接面處地基土的沉降會出現(xiàn)明顯的不均勻性，若建構(gòu)筑物基礎(chǔ)坐落在挖填交接面處，地基土的不均勻沉降將是影響地基穩(wěn)定的最不利因素。

圖8 挖填方大角度交接面

3.2 厚填方地基土的變形穩(wěn)定性

根據(jù)室內(nèi)外試驗(yàn)資料，站址區(qū)填土的平均壓實(shí)系數(shù)為0.86，而《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007－2011）表6.3.7規(guī)定：對砌體承重及框架結(jié)構(gòu)，在地基主要受力層范圍內(nèi)，壓實(shí)系數(shù)要求≥0.97；對排架結(jié)構(gòu)，在地基主要受力層范圍內(nèi)，壓實(shí)系數(shù)要求≥0.96；另外，場地整平時(shí)，在填土底部并沒有設(shè)置有效的排水系統(tǒng)（盲溝），在降雨或地表水入滲情況下，隨著地下水位的急劇變化，在填土底部容易形成一個(gè)軟弱帶，引起地基土的大面積沉降或者滑移。

通過上述幾個(gè)因素分析可知，站址區(qū)填土的壓實(shí)系數(shù)偏低以及排水措施的失效，都將是影響填方地基穩(wěn)定性的重要因素，工程設(shè)計(jì)和建設(shè)中需要引起足夠的重視。

3.3 工程坡體的穩(wěn)定性

在站址整平過程中，周邊以及站內(nèi)工形成6個(gè)人工邊坡，除1號、2號邊坡距離站址圍墻較遠(yuǎn)（＞50 m），6號邊坡在站址內(nèi)部還需要處理外，3、4、5號邊坡均距離站址圍墻很近，目前3號邊坡坡頂已經(jīng)發(fā)現(xiàn)裂陷（見圖7）和坡面出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，4號邊坡坡頂出現(xiàn)落水洞，5號邊坡坡體出現(xiàn)塌落現(xiàn)象，這些變形如果繼續(xù)，都將對站址圍墻及附近建構(gòu)筑物的地基穩(wěn)定性帶來一定威脅，后期工程建設(shè)中需要采取有效護(hù)坡或加固措施，才能保證工程的百年大計(jì)。

4 結(jié)語

某換流站站址地質(zhì)環(huán)境及地基穩(wěn)定性問題的焦點(diǎn)在于大厚度、大面積的填土處理上，包括大厚度填土的排水系統(tǒng)、填土與原狀土之間的差異變形控制以及填方形成的工程邊坡穩(wěn)定性等方面。總的來說，如下幾個(gè)方面一定要重視：

（1）站址及周邊的排水系統(tǒng)。水是整個(gè)站址區(qū)地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定和地基變形的控制因素，在地表水或地下水徑流通道被堵的情況下，暴雨或雨水集中季節(jié)地下水位會發(fā)生急劇變化，挖填交接面容易形成軟化帶，致使發(fā)生沉陷或滑移。

（2）處理后填土的壓實(shí)系數(shù)低、均勻性較差，長期變形會持續(xù)很長時(shí)間，對于挖填交接面，尤其是原始地形呈陡坎或大角度的交接面，當(dāng)有建構(gòu)筑物布置時(shí)，應(yīng)充分考慮地基土變形的不均勻性。

（3）有些人工邊坡在坡頂和坡面均見到一些沉陷、鼓包及坍塌現(xiàn)象，雖然目前坡體是穩(wěn)定的，但其變形對于距離坡頂較近建構(gòu)筑物的穩(wěn)定性是有影響的，應(yīng)對坡體相應(yīng)邊坡采取一定的防治措施。