陜西延安某老滑坡場(chǎng)地上建筑物破壞機(jī)理分析

聶永鵬，倪萬(wàn)魁，劉 魁，趙 陽(yáng)，李 康

(1.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054；2.信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院，陜西 西安 710054)

0 引言

按滑坡形成時(shí)代劃分，老滑坡即是指全新世以來(lái)發(fā)生的滑坡[1]。而在實(shí)際工程地質(zhì)勘察中，老滑坡即指發(fā)生在現(xiàn)階段之前且目前(暫時(shí))處于基本穩(wěn)定狀態(tài)的滑坡體[2]，此類(lèi)滑坡主要分布于山區(qū)河谷地帶，常把岸坡地貌改變?yōu)橄鄬?duì)平緩開(kāi)闊的斜坡，為施工提供了相對(duì)可利用的場(chǎng)地。

戴敬儒等[3]曾就山丘區(qū)工程滑坡進(jìn)行了分類(lèi)，并在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的災(zāi)害防治措施以及優(yōu)選方案；陸玉瓏[4]探討了老滑坡的工程地質(zhì)特征，并結(jié)合近年來(lái)的實(shí)際工程案例，提出只要充分運(yùn)用老滑坡發(fā)展規(guī)律，對(duì)其合理利用便可獲得顯著的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保及社會(huì)效益；朱福春與楊德宏分別以重慶市儀表廠(chǎng)和西延高鐵為案例，對(duì)老滑坡在鐵路和公路等線(xiàn)性工程上的利用進(jìn)行了研究，并提出了道路路基選擇方式以及滑坡防治對(duì)策[5-6]；WALTER G KUTSCHKE[7],在研究穿越老滑坡的道路路基形式時(shí)，發(fā)現(xiàn)老滑坡的復(fù)活很大程度上是由于開(kāi)挖工作面埋置樁基時(shí)造成的，為此他提出將錨桿與截排水系統(tǒng)相結(jié)合的邊坡防治措施，并在樁基側(cè)邊坡進(jìn)行密切監(jiān)測(cè)的方案，經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明這種監(jiān)防結(jié)合的手段不但花費(fèi)較低，而且有效的提高了邊坡穩(wěn)定性，取得了非常良好的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)反響；盧大衛(wèi)[8]則在前人的基礎(chǔ)上對(duì)穿越老滑坡的道路路基形式進(jìn)行了優(yōu)化；此外還有眾多學(xué)者對(duì)老滑坡的工程地質(zhì)特征及演化機(jī)理做了不同研究[9-13]。

綜上可見(jiàn)，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于老滑坡的研究，主要集中在老滑坡工程地質(zhì)特征及其演化機(jī)理研究、老滑分類(lèi)、公路鐵路等線(xiàn)性工程穿越老滑坡體誘發(fā)災(zāi)害原因分析與誘發(fā)災(zāi)害防治措施研究等方面，涉及老滑坡上民用房屋建設(shè)及民用房屋病害成因機(jī)理研究甚少。

近年來(lái)，隨著陜北城市人口數(shù)量急劇增加，原城區(qū)土地已無(wú)法滿(mǎn)足城市的發(fā)展需要，向周邊黃土丘陵地區(qū)進(jìn)行城區(qū)擴(kuò)張開(kāi)發(fā)建設(shè)[14]、在一些老滑坡體上進(jìn)行民用房屋建設(shè)已成趨勢(shì)。此舉雖然有效地利用了土地資源，但民用房屋建成一段時(shí)間后出現(xiàn)的墻體開(kāi)裂、墻面前鼓等病害，如不加以重視，勢(shì)必對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。

有鑒于此，本文以延安市某處老滑坡上的建筑群為例，在分析其結(jié)構(gòu)變形破壞特征的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬方法開(kāi)展老滑坡場(chǎng)地上的建筑物變形破壞機(jī)理研究，研究結(jié)果不僅可以為建筑物維修和加固提供依據(jù)，還可為老滑坡場(chǎng)地上民居的開(kāi)發(fā)利用提供參考。

1 老滑坡基本特征及穩(wěn)定性分析

1.1 老滑坡基本特征

延安某老滑坡位于西包公路西北側(cè)，長(zhǎng)約300 m，寬約150 m，邊界清晰，輪廓明顯，平面上呈簸箕形，下寬上窄，；兩側(cè)稍低，主滑方向?yàn)?30°，整體地勢(shì)為北高南低，后緣高約1 030 m，前緣高約970 m，總體積約為8×105m3，屬于大型老滑坡(圖1)。

滑體平均厚約15 m，主要由黃土狀土構(gòu)成，土質(zhì)堅(jiān)硬，孔隙不發(fā)育；滑體表面原有3處較大沉陷坑和5條地面裂縫，沉陷坑及地面裂縫被人工填土掩埋處理，填土最厚處可達(dá)8 m，而且這些雜亂分布的人工填土并未經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的壓實(shí)處理，土質(zhì)疏松，孔隙發(fā)育，工程性質(zhì)較差。此外，滑體表面經(jīng)人工整平為五級(jí)臺(tái)階狀，其上建有6排房屋(圖1)，其中第4排房屋為2層建筑物，其余皆為3層。

滑面總體上陡下緩，前段近水平；滑床為Q1-2老黃土，下部為微風(fēng)化砂巖(圖2、圖3)。

圖1 老滑坡平面圖Fig.1 Plan view of the old landslide in Yan’an City

圖2 老滑坡橫剖面圖Fig.2 Transverse section plan of the old landslide

圖3 老滑坡縱剖面圖Fig.3 Longitudinal section plan of the old landslide

1.2 老滑坡穩(wěn)定性分析

老滑坡形成于全新世早期，目前整體無(wú)失穩(wěn)變形跡象。

表1是老滑坡人工填土及黃土狀土物理力學(xué)參數(shù)。

以圖3為代表，采用極限平衡法對(duì)該老滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行定算，建筑物荷載按二層房屋100 kPa，三層房屋150 kPa計(jì)。

老滑坡穩(wěn)定性極限平衡計(jì)算表明，無(wú)建筑物的自然工況下，滑坡整體穩(wěn)定系數(shù)K=1.701；有建筑物加載工況下，滑坡整體穩(wěn)定系數(shù)K=1.20；有建筑物加載加暴雨極端工況下，滑坡整體穩(wěn)定系數(shù)K=1.09。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)表Table 1 Physical and mechanical parameters of the soils

顯然，老滑坡整體穩(wěn)定性較好，并未發(fā)生整體復(fù)活。

2 建筑物變形破壞特征

老滑坡體上的民用房屋，屬一處廢棄的經(jīng)濟(jì)適用房小區(qū)。民用房屋為東北-西南走向，磚混結(jié)構(gòu)，條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)置于經(jīng)灰土墊層處理的天然地基上。

第2～6排房屋存在不同程度的變形破壞，主要表現(xiàn)為房屋墻身出現(xiàn)寬度不等的裂縫以及部分房屋出現(xiàn)墻面前鼓。

(1)4-1號(hào)房后墻墻面出現(xiàn)嚴(yán)重裂縫，裂縫對(duì)稱(chēng)出現(xiàn)在縱墻兩端，裂縫傾角約為45°，呈八字形狀(圖4a)；

(2)3-2號(hào)房部分走向墻體出現(xiàn)羽狀排列斜裂縫，傾向以西南為主(圖4b)；

(3)第4排房屋前墻墻面前鼓，以4-2號(hào)房為明顯(圖4c)。

圖4 建筑物變形破壞特征Fig.4 Deformation characteristics of the buildings

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，墻面出現(xiàn)裂縫的房屋，其地基主要分為兩種形式，即半填半挖地基和厚度不均勻填土地基。3-2號(hào)房橫跨人工填土和黃土狀土兩種土層，表2是黃土狀土和填土的物理力學(xué)參數(shù)。

不難發(fā)現(xiàn)，房屋東北側(cè)(人工填土)地基土的壓縮系數(shù)大，房屋西南側(cè)(黃土狀土)的地基土的壓縮系數(shù)小，兩側(cè)土體壓縮系數(shù)差異導(dǎo)致了在相同壓力下變形量的差異[15]，東北側(cè)地基沉降量和沉降速率都明顯大于西南側(cè)，差異沉降導(dǎo)致灰土墊層、條形基礎(chǔ)、墻體沿人工填土與黃土狀土分界線(xiàn)拉張變形、開(kāi)裂乃至拉斷，裂縫傾向東北(圖5a)。

表2 物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)比較表Table 2 Comparison of physical and mechanical properties of the two soils

4-1號(hào)房的地基持力層為上覆于黃土狀土的人工填土，且填土在房屋中段厚兩端薄。兩端地基土的工程性能要優(yōu)于中段地基土，房屋中部地基沉降速率和沉降量大于兩側(cè)地基，差異沉降致使房屋中部灰土墊層、條形基礎(chǔ)和墻體拉張變形、開(kāi)裂直至拉斷，形成“八”字形裂縫(圖5b)。

第4排房屋地基持力層整體為黃土狀土，房屋距前方臺(tái)階有3 m，較之其它排房屋距前方臺(tái)階距離(≥7 m)小，邊坡荷載對(duì)坡體下滑力的貢獻(xiàn)大于對(duì)抗滑力的貢獻(xiàn)，臨近臺(tái)階處黃土狀土體失穩(wěn)可能性更大[16-17]。結(jié)合未建房屋前老滑坡未曾發(fā)生過(guò)局部乃至整體滑動(dòng)，可以認(rèn)為，第4排房屋前臺(tái)階沿新的滑面發(fā)生滑動(dòng)，帶動(dòng)第4排房屋前端水平移動(dòng)，導(dǎo)致墻面前鼓(圖5c)。

圖5 建筑物變形破壞機(jī)理簡(jiǎn)圖Fig.5 Schematic diagram of the buildings’ deformation mechanism

3.2 建筑物地基和滑坡變形破壞的機(jī)理分析

基于FLAC3D采用顯示差分法求解微分方程在模擬材料塑性破壞方面的優(yōu)勢(shì)[18-19],本文采用有限差分軟件FLAC3D對(duì)滑坡及地基沉降進(jìn)行分析計(jì)算。

表3為現(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)獲得的巖土體力學(xué)參數(shù)指標(biāo)。

圖6為根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合適化處理后建立的半填半挖地基、厚度不均勻填土地基和均勻黃土狀土地基三種模型，模型長(zhǎng)70 m，寬1 m，高20 m。

表3 巖土體力學(xué)參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of the soils and rock of the lideslides

圖6 地基模型Fig.6 Model of the foundation soils

為便于比較，皆加載100 kPa(兩層房屋基底壓力)，加載范圍長(zhǎng)30 m，寬1 m。

圖7是模擬發(fā)到的豎直方向位移(沉降)和拉應(yīng)力結(jié)果如下:

圖7 應(yīng)力和變形模擬結(jié)果Fig.7 Stress and deformation of foundation soils by FLAD3D simulation

圖8是3個(gè)模型中(20，0，20)、(25，0，20)、(30，0，20)、(35，0，20)、(40，0，20)、(45，0，20)和(50，0，20)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降和拉應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果。

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的追蹤結(jié)果Fig.8 Stress and settlement of monitoring points of the foundation soils

沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：

(1)在厚度不均勻填土地基中，填土厚度較薄處沉降明顯小于填土厚度較厚處的沉降，其差異沉降最大可達(dá)9 cm；

(2)在半填半挖地基中，填土地段沉降顯著大于黃土狀土段沉降，且由黃土狀土段過(guò)渡到填土段時(shí)沉降量差值可達(dá)7 cm；

(3)均勻黃土狀土地基最大沉降量?jī)H為3.5 cm，差異沉降最大亦僅為1 cm左右。

實(shí)際上，當(dāng)?shù)鼗翞橹械蛪嚎s性土?xí)r，砌體承重結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的局部?jī)A斜不得大于0.002，即砌體承重結(jié)構(gòu)沿縱向6～10 m內(nèi)基礎(chǔ)兩點(diǎn)的沉降差與距離的比值不超過(guò)0.002[20]。模擬結(jié)果表明，在這兩種不均勻地基上的建筑物局部?jī)A斜都要超過(guò)允許值，顯然沉降差無(wú)法達(dá)到安全要求。

拉應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：

(1)均勻黃土狀土地基中拉應(yīng)力增加較為平緩，監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的拉應(yīng)力差值最大為20 kN；

(2)不均勻填土地基加載范圍內(nèi)兩側(cè)的拉應(yīng)力為65 kN，隨著填土深度的加大，在填土地基中心，拉應(yīng)力急劇增大，與兩側(cè)差值達(dá)到了50 kN，懸殊的拉力差導(dǎo)致房屋中部拉張變形顯然要大于兩側(cè)；

(3)在半填半挖地基中，填土與黃土狀土分界處拉應(yīng)力相差40 kN，其中填土段房屋受到更大拉力，拉張變形更快，導(dǎo)致房屋墻體首先在填土與黃土狀土交界面開(kāi)裂。

圖9 滑坡模型Fig.9 The model of the old landslide

圖9是老滑坡簡(jiǎn)化模型。考慮到對(duì)整個(gè)滑體而言，人工填土所占比例很小，且分布雜亂，因此建立模型時(shí)對(duì)其予以簡(jiǎn)化省略，把巖土體類(lèi)型劃分為砂泥巖、黃土和黃土狀土等3種。

模型長(zhǎng)、寬、高分別為320、50、80 m?；卤砻嫣幱谧匀粺o(wú)約束狀態(tài)，滑坡后側(cè)以x軸的左右方向位移約束，底部以z軸為法向約束，左右兩側(cè)以y軸為位移約束，初始應(yīng)力場(chǎng)為自重應(yīng)力。

兩層建筑物基底壓力取100 kPa，三層建筑物基底壓力取150 kPa，加載范圍長(zhǎng)30 m，寬8 m。

圖10和圖11分別為保持其他建筑物荷載不變條件下滑坡體上無(wú)第四排房屋(假想工況)和有第四排建筑物(實(shí)際工況)采用FLAC3D軟件模擬得到的老滑坡坡體塑性和剪應(yīng)變?cè)隽拷Y(jié)果。

圖10 塑性圖Fig.10 Plastic diagram of the old landslide

圖11 剪應(yīng)變?cè)隽繄DFig.11 Shear strain increment diagram of the old landslide

由圖10可以發(fā)現(xiàn)，兩種工況中滑坡范圍內(nèi)剪切破壞塑性區(qū)主要分布在坡頂以及坡面處，假想工況中每級(jí)臺(tái)階都幾乎不見(jiàn)塑性破壞，而在距離第四級(jí)臺(tái)階邊緣3 m處新加荷載后可見(jiàn)該處臺(tái)階邊緣同時(shí)受剪受拉，說(shuō)明此處土體的抗剪性能大大減弱。

通常情況下，剪應(yīng)變?cè)隽看蟮牟糠侄嗍腔嫠幬恢?；而剪?yīng)變?cè)隽啃』驘o(wú)變化的位置說(shuō)明該處滑面基本不存在，一般都處于穩(wěn)定狀態(tài)[21]。由圖11(b)可以看出，假想工況下滑坡體的剪應(yīng)變范圍很廣，主要分布在坡體表面加載范圍和后緣部位，但增量值都很小，在第四級(jí)臺(tái)階處的剪應(yīng)變?cè)隽繋缀鯙榱?，可以認(rèn)為此種工況下無(wú)論整體還是局部的滑動(dòng)面都不存在；由圖11(b)發(fā)現(xiàn)，在考慮第四排房屋荷載后，坡體的剪應(yīng)變?cè)隽吭龃螅业谒募?jí)臺(tái)階邊緣剪切增量最大，出現(xiàn)了較為明顯的剪切變形，可說(shuō)是形成了局部的滑動(dòng)面，坡體發(fā)生變形破壞大部分也是沿著該滑動(dòng)面。

圖12和圖13 分別是在保持其他建筑物荷載不變條件下滑坡體上無(wú)第四排房屋(假想工況)和有第四排建筑物(實(shí)際工況)采用FLAC3D軟件模擬得到的老滑坡坡體水平位移圖和坡體五級(jí)臺(tái)階邊緣處位移監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖12 水平位移圖Fig.12 Horizontal displacement of old landslide

圖13 監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移追蹤結(jié)果Fig.13 The results of horizontal displacement of the monitoring points

由圖12和圖13可發(fā)現(xiàn)：

(1)水平位移為負(fù)值，即位移向臨空面方向發(fā)生。

(2)不考慮第四排房屋荷載作用時(shí)老滑坡整體位移很小，位移最大值發(fā)生在滑坡后緣約為6.86 cm，臺(tái)階邊緣的水平位移最大值為1.20 cm。

(3)考慮第四排房屋荷載作用時(shí)，老滑坡水平位移最大值發(fā)生在第四級(jí)臺(tái)階邊緣處，約為0.36 m，明顯比其他臺(tái)階位移大，與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的變形破壞現(xiàn)象相吻合。

綜上，距離臺(tái)階邊緣最近的第四排房屋雖然沒(méi)有造成老滑坡整體復(fù)活，但使得第四級(jí)臺(tái)階出現(xiàn)了新的剪切滑動(dòng)面，坡體沿之發(fā)生滑動(dòng)變形，從而帶動(dòng)建筑物墻體前鼓。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)房屋條形基礎(chǔ)置于老滑坡坡體上半挖半填、不均勻填土地基中，半挖半填和不均勻填土地基的差異沉降，是造成老滑坡坡體上民用房屋墻體開(kāi)裂的主要原因；房屋距臺(tái)階邊緣太近，是造成老滑坡坡體上民用房屋前墻前鼓的原因。

(2)在老滑坡體上修建的民用建筑的荷載作用下，老滑坡坡體雖然穩(wěn)定系數(shù)有所下降，但整體穩(wěn)定性依然良好，并未出現(xiàn)整體復(fù)活現(xiàn)象。

(3)嚴(yán)格控制建筑荷載、建筑與臺(tái)階邊緣間距離，輔以必要的地基處理，在老滑坡體上修建建筑物是可行的，可達(dá)到充分利用土地資源的目的。