人工山體堆筑地基變形現(xiàn)場試驗(yàn)研究

張 偉，周莉莉，李 濤

(1.北京澤通水務(wù)建設(shè)有限公司，北京 101107； 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來越多的人工堆山被應(yīng)用到城鎮(zhèn)化進(jìn)程中來。但是人工堆山的山體體積大，高度高，荷載面積較大，堆山產(chǎn)生的沉降變形較大，且沉降持續(xù)時(shí)間較長，過大的沉降變形會(huì)影響山體的穩(wěn)定，因此合理評估和分析堆山的沉降變形對重大的工程建設(shè)具有重要意義[1-2]。

人工堆山的不斷建造，也吸引了大量學(xué)者對人工堆山的穩(wěn)定性和變形進(jìn)行了大量研究。劉宏等[3-4]通過分析九寨黃龍機(jī)場高填方地基沉降的原位監(jiān)測結(jié)果，得出只有對數(shù)模型能較真實(shí)地反映填方地基沉降變形的規(guī)律，且表明沉降主要發(fā)生在施工期間，施工后沉降不到總沉降的10%。張國龍等[5]對高填方地基變形進(jìn)行了監(jiān)測，對不同的地基采取不同的加固方式來減少地基的沉降量。韋智[6-7]等通過對人工堆山的監(jiān)測和沉降量分析，說明在人工堆山過程中要實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測，以控制施工速度和改變施工方法，使變形監(jiān)測在允許范圍之內(nèi)；張少華[8]在基礎(chǔ)性力學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對人工填土的最優(yōu)含水量、最大干密度等物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析，從工程地質(zhì)條件、山體布局等方面系統(tǒng)分析了堆山方案的選擇，借助FLAC3D模擬軟件對山體變形進(jìn)行模擬，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)對山體穩(wěn)定性給出了較為全面的評價(jià)方法。袁瑞祥等[9]根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)分析了在堆土工程施工期間，因?yàn)槎淹梁奢d的增加會(huì)致使土壓力增大，若堆土速度過快會(huì)使孔隙水壓力來不及消散，土體抗剪強(qiáng)度不足而引起剪切破壞，會(huì)造成山體沉降或者差異沉降量增大，地基發(fā)生水平位移。

本文依托綜合治理工程中通州區(qū)南山和北山的堆積過程，分別對其設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)對地面水平位移、地面沉降、深層土體水平位移進(jìn)行監(jiān)測分析。該研究成果為人工堆山設(shè)計(jì)提供了重要參考，對以后的人工堆山工程具有重要的借鑒意義[10]。

1 工程簡介

1.1 工程概況

北運(yùn)河綜合治理工程中，北京通州區(qū)在胡郎路附近北運(yùn)河河彎處，疏浚河道產(chǎn)生了700多萬立方米廢土，在南岸和北岸各堆砌一座山，分別為北山和南山，正在進(jìn)行綠化種植。其中南岸是30 m高山，北岸是37 m高山，北山將會(huì)有一個(gè)桃花谷，在南山主要是栽種北京傳統(tǒng)的海棠、連翹等植物。

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告分析，在鉆孔深度20 m內(nèi)觀測到兩層地下水，第一層地下水類型為潛水，水位埋深為3.80 m～3.90 m，水位標(biāo)高為12.45 m～12.61 m；第二層地下水類型為微承壓水，水頭距地面高度為10.00 m，水頭標(biāo)高為6.35 m。

1.2 工程地質(zhì)概況

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，其表層為人工填土，褐黃色，稍濕～濕，松散～稍密為主，局部中密。成分以黏質(zhì)粉土為主，含磚渣、灰渣、植物根系等。其余部分主要由第四系全新統(tǒng)沖積地層和上更新統(tǒng)沖積地層組成，第四系全新統(tǒng)沖擊層主要包括粉細(xì)砂，褐黃色，濕～飽和，松散～稍密為主，局部中密；細(xì)砂，灰色為主，飽和，中密～密實(shí)。上更新統(tǒng)沖擊層主要包括粉質(zhì)黏土，灰黃～灰色，很濕，可塑，中壓縮性～中低壓縮性土。

2 山體變形監(jiān)測

2.1 監(jiān)測目的

在堆山過程中由于荷載的不斷增加，致使土體內(nèi)產(chǎn)生孔隙水壓力，如果堆載速率過快的情況下，孔隙水壓力不能及時(shí)消散，土體固結(jié)不充分的話容易致使強(qiáng)度不能相應(yīng)增長，可能會(huì)產(chǎn)生抗剪強(qiáng)度不足而引起的剪切破壞，主要表現(xiàn)為山體土體沉降量及沉降差異增大，地基土發(fā)生水平方向滑移、山體周邊自然地面隆起等現(xiàn)象。為了掌握山體的變形情況，需要對山體的沉降進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)測，以便對施工速度進(jìn)行合理的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)堆山的信息化管理。

2.2 監(jiān)測布置圖

為了避免過大的沉降使地基產(chǎn)生剪切破壞以及施工過程中對周圍環(huán)境造成擾動(dòng)等影響，保證施工的安全。分別在山體表面和山體周邊布置變形監(jiān)測點(diǎn)在施工過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。如圖1所示，在南山山體布置D16～D19和周邊布置D11～D15等9個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測地面水平位移以及豎向沉降，其數(shù)據(jù)可以更直接反映山體變形情況，并且在周邊布置S11～S15等5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，用于測量深層土體水平位移，及時(shí)掌握山體地面以下土體變形情況[11-17]。

如圖2所示，在北山山體布置D6～D10和周邊布置D1～D5等10個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，測量地面水平位移以及豎向沉降，其數(shù)據(jù)可以更直接反映山體變形情況，并且在周邊布置S1～S5等5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，用于測量深層土體水平位移，及時(shí)掌握山體地面以下土體變形情況。

3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 山體地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

如圖3所示為南山山體地面沉降變形曲線，對變形監(jiān)測點(diǎn)D11，D12，D16，D17的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由圖3可知，在堆山的初始階段，由于上部荷載的持續(xù)增加且加載速度過快，地面發(fā)生較大沉降，隨著堆山的持續(xù)進(jìn)行，雖然堆山速率減慢，但是由于總的荷載的增加，過大的沉降使土體結(jié)構(gòu)得不到恢復(fù)，仍然加劇了地基的沉降。在整個(gè)堆山過程中，地表最大累計(jì)沉降量為16 mm，位于D12監(jiān)測點(diǎn)處。且D12在初始階段沉降變形速率最大，D11沉降變形速率最小，且在最后施工完成階段，由于荷載不再繼續(xù)堆加出現(xiàn)微小的向上反彈現(xiàn)象。

圖4為北山山體地面沉降變形曲線，對變形監(jiān)測點(diǎn)D2,D3,D4,D6-2等的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由圖4可知，隨著堆山的進(jìn)行，地基的沉降變形規(guī)律和北山大概相似。在整個(gè)堆山過程中，地面的最大沉降量為D7-3位置處，沉降量為21.1 mm，隨著堆山的進(jìn)行，地面整體呈現(xiàn)下降趨勢，觀測點(diǎn)D6-3,D7-3沉降速率最大，D2隨著堆山的進(jìn)行由于堆土的擠壓效應(yīng)出現(xiàn)反彈的趨勢，最大反彈量為12.1 mm。

3.2 山體地面水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

圖5為南山地面水平位移變形圖，D11,D12負(fù)表示向西側(cè)位移，正表示向東側(cè)位移，D16,D17負(fù)表示向南側(cè)位移，正表示向北側(cè)位移。由圖5可知，隨著堆載的增加，各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)都呈現(xiàn)出不同程度偏移的趨勢，D11向西側(cè)最終偏移量為0.4 mm，D12向東側(cè)最終偏移量1.3 mm，D16向南側(cè)最大偏移量為10.1 mm，D17向南側(cè)最大偏移量為6.5 mm。在初始堆載階段，由于施工速度的加快，荷載的持續(xù)增加，各監(jiān)測點(diǎn)在堆土荷載的沖擊下向山體內(nèi)部偏移速率較大，隨著荷載的增加，偏移速率逐漸變慢，在堆載的最后階段，由于較大荷載的堆積，各監(jiān)測點(diǎn)又發(fā)生較大偏移，最后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6為北山地面水平位移變形圖，根據(jù)正負(fù)所表示的向東西南北方向的位移顯示北山各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)在堆山過程中，隨著堆載過程的進(jìn)行總體呈現(xiàn)出向山體外平移的趨勢，土層地面水平位移累計(jì)最大為向山體外位移23.4 mm，位于D6-1監(jiān)測點(diǎn)處。由圖6可知，各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)向山體外偏移的距離隨著荷載的增加而增加，在堆載的初始階段由于荷載的持續(xù)增加和加載速率較快，地面水平位移變化速率較大，在最后山體逐漸趨向穩(wěn)定階段，山體向外偏移的速率也逐漸減小。

3.3 深層土體水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

相對于深層土體水平位移而言，在堆山填土階段，累計(jì)變化量和變化速率的報(bào)警值分別為28 mm和4 mm/d；由圖可知，南山和北山在堆山過程中累計(jì)變化量和變化速率都在報(bào)警值之內(nèi)。對于南山而言，我們選取S11號(hào)點(diǎn)和S12號(hào)點(diǎn)進(jìn)行深層土體水平位移分析，S11號(hào)和S12號(hào)是位于南山東面邊緣處兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，在堆山過程中，對其深層土體水平位移進(jìn)行監(jiān)測。如圖7所示，隨著深度的增加，由于較淺地層的土質(zhì)為粉質(zhì)黏土，地基內(nèi)的土層發(fā)生較大的側(cè)向位移，較深地層的土層巖性較大，在地基的較深處，地基內(nèi)的土層側(cè)向位移逐漸減小。由于堆土的增加，S11號(hào)主要向西側(cè)，即靠近山體方向位移，S11號(hào)向西側(cè)位移最大變化量發(fā)生在深度6 m處，變化量為1.35 mm，S11號(hào)隨著深度的增加，土體的位移由開始的向西側(cè)位移逐漸轉(zhuǎn)化為向東側(cè)位移，但位移量較??；S12號(hào)主要向東側(cè)，即遠(yuǎn)離山體方向位移，S12號(hào)向東側(cè)位移變化量最大是位于地下2.5 m處，最大偏移量為1.41 mm。S12號(hào)隨著深度的增加，土體的位移由東向西側(cè)變化。變化量總體來說較小，并且處在安全變化范圍內(nèi)。

對于北山而言，我們選取S1號(hào)，S2號(hào)和S3號(hào)點(diǎn)進(jìn)行深層土體水平位移分析，S1號(hào)，S2號(hào)，S3號(hào)分別布置于北山的東側(cè)邊緣，如圖8所示，隨著深度的增加，S1號(hào)，S2號(hào)，S3號(hào)的側(cè)向位移隨著土層巖性的變化由大到小，S1號(hào)的側(cè)向位移由東向西變化，S1號(hào)的最大側(cè)向偏移位移量為位于地下土層1.5 m深度時(shí)向東側(cè)偏移1.13 mm，S2號(hào)隨著深度的增加不均勻的向西向東兩側(cè)有微小的位移，S3號(hào)整體向西側(cè)偏移，最大側(cè)移量發(fā)生在地下深度1 m處，且最大位移量為2.13 mm。但最終變化量總體來說保持在相對穩(wěn)定的狀態(tài)范圍內(nèi)，未達(dá)到報(bào)警值。

4 結(jié)論

本文通過詳細(xì)分析了南山和北山地面水平位移、地面沉降和深層土體水平位移，綜合評估了堆山工程在施工階段的沉降變化特征，主要結(jié)論如下：

1)在山體堆筑過程中，隨著堆筑高度的增加，山體的沉降量也隨之增大，在山體堆筑的前兩個(gè)月時(shí)間內(nèi)，山體的沉降速率較快，隨后呈現(xiàn)收斂趨勢。

2)山體堆筑過程是對地基施加荷載的過程，堆填方法和加荷載的速率是影響地基穩(wěn)定的主要因素。堆山沉降過程中產(chǎn)生的沉降較大，但是沉降累計(jì)變化量和沉降變化速率都在報(bào)警值之內(nèi)，堆山過程處在相對安全階段。

3)隨著堆載的施加，山體地面水平位移和深層土體水平位移有整體向山體外側(cè)平移的趨勢，但位移變化量和位移變化速率都在報(bào)警值之內(nèi)，可以判斷地基是相對穩(wěn)定的。

4)通過在山體上布置沉降變形和水平位移變形監(jiān)測點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋以調(diào)整施工方案及進(jìn)度，是保證建筑工程施工安全性非常有效的手段。