利用Geostudio進(jìn)行場(chǎng)地地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

基于詳細(xì)的巖土工程勘察資料，利用有限元軟件Geostudio對(duì)擬建楚雄經(jīng)開(kāi)區(qū)古鎮(zhèn)小學(xué)兩棟教學(xué)樓地基進(jìn)行了穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，得出結(jié)論：（1）場(chǎng)地分布的素填土、全風(fēng)化泥巖層、全風(fēng)化泥灰?guī)r層易在上部附加荷載的作用下發(fā)生剪切破壞，不宜作為建筑地基持力層，需作換填處理；（2）場(chǎng)地地震設(shè)防烈度高，但場(chǎng)地?zé)o軟土、粉土和砂土分布，不必考慮地震液化和軟土震陷的影響，場(chǎng)地存在的既有邊坡在地震作用下穩(wěn)定，不會(huì)影響場(chǎng)地整體安全。

Geostudio； 巖土工程勘察； 場(chǎng)地地基； 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

TU433A

［定稿日期］2023-02-13

［作者簡(jiǎn)介］彭鑫宇（1996—），男，本科，助理工程師，研究方向?yàn)榈刭|(zhì)與巖土工程;楊遠(yuǎn)翔（1995—），男，博士，助理工程師，研究方向?yàn)楣こ痰刭|(zhì)學(xué)與巖土工程。

［通信作者］王文斌（1982—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)閹r土工程與地質(zhì)災(zāi)害防治工程。

0 引言

場(chǎng)地地基穩(wěn)定性問(wèn)題嚴(yán)重威脅著上部結(jié)構(gòu)安全。地基差異沉降、擠壓剪出等變形破壞將導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、傾斜、屈曲，甚至傾倒［1-2］。場(chǎng)地地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是風(fēng)險(xiǎn)防控的重要手段。Fkotte首次提出散體極限平衡方程，為地基巖土穩(wěn)定性分析奠定初步理論基礎(chǔ)，自Reissenr［3］、Terzaghik［4］、Meyerhof ［5］、Hansen［6］、Vesic［7］、DW Taylor［8］等進(jìn)一步深入研究極限平衡理論，并建立多種地基穩(wěn)定性理論方法。張永生等［9］采用彈塑形大變形有限元方法研究了水閘地基整體穩(wěn)定性并提出非線性方程組線性化理論方法。李培現(xiàn)等［10］利用FLAC 3D研究了采空區(qū)地基穩(wěn)定性。楊德智等［11］利用ANSYS研究了采空區(qū)地基穩(wěn)定性。李玲利［12］利用模糊綜合法研究了湖南小墨核電站地基穩(wěn)定性。許道軍［13］以模糊綜合法為基礎(chǔ)，利用GOCAD構(gòu)建三維評(píng)價(jià)模型開(kāi)展地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。何偉［14］以灰色關(guān)聯(lián)法為基礎(chǔ)，利用FLAC 3D構(gòu)建三維評(píng)價(jià)模型開(kāi)展貴州盤縣機(jī)場(chǎng)地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，并提出了治理措施。相較于極限平衡理論，有限元數(shù)值模擬無(wú)需事先假定破壞面形狀與位置，無(wú)需引入假定條件，可提供應(yīng)力變形全部信息［15］。本文利用有限元軟件Geostudio，基于巖土工程勘察資料，對(duì)擬建楚雄經(jīng)開(kāi)區(qū)古鎮(zhèn)小學(xué)兩棟教學(xué)樓地基進(jìn)行了穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，提出了工程處置措施。

1 工程項(xiàng)目概況

隨著教育規(guī)模擴(kuò)大和實(shí)驗(yàn)設(shè)備擴(kuò)增，原楚雄經(jīng)開(kāi)區(qū)上章小學(xué)教學(xué)樓需求已無(wú)法滿足，楚雄經(jīng)開(kāi)區(qū)建設(shè)管理局?jǐn)M在小學(xué)原校址新建楚雄經(jīng)開(kāi)區(qū)古鎮(zhèn)小學(xué)，以提高教學(xué)質(zhì)量，更好服務(wù)周邊社區(qū)、城鄉(xiāng)教育事業(yè)。新建古鎮(zhèn)小學(xué)擬建一期建筑為主A、輔B 兩幢教學(xué)樓，擬建教學(xué)樓群規(guī)劃占地42 615 m2，建筑總面積1 596.3 m2，其中主A教學(xué)樓（4層）占地面積849.59 m2，輔B教學(xué)樓（4層）占地面積746.68 m2（圖1）。

2 地質(zhì)環(huán)境條件

2.1 地理位置及周邊建筑

場(chǎng)區(qū)位于楚雄經(jīng)開(kāi)區(qū)東瓜鎮(zhèn)原上章小學(xué)校內(nèi)，且與外圍有擋墻相隔，周邊植被發(fā)育一般。場(chǎng)區(qū)東側(cè)、東南側(cè)為上章新居居民樓群，西側(cè)、西南側(cè)為部分村莊及耕地，北側(cè)為原上章小學(xué)體育場(chǎng)地，外圍為部分村莊及耕地。東瓜大溝沿原上章小學(xué)東側(cè)、南側(cè)擋墻外圍呈半包圍狀流過(guò)，如圖1、圖2所示。場(chǎng)區(qū)內(nèi)無(wú)地下埋藏管線，高空輸電線及地面輸水管道被拆除，場(chǎng)區(qū)內(nèi)原教學(xué)建筑部分被拆除。

2.2 地形及地貌特征

場(chǎng)區(qū)位于楚雄向斜盆地西部，屬構(gòu)造剝蝕地中山緩丘地貌，原上章小學(xué)建設(shè)活動(dòng)嚴(yán)重破壞了場(chǎng)區(qū)原始地形地貌，場(chǎng)區(qū)整體地形平緩。場(chǎng)區(qū)北側(cè)外圍為山間溝谷，稍緩；東側(cè)、南側(cè)為東瓜大溝右岸人工陡坎，高約8～15 m，坡面發(fā)育雜草灌木，溝岸為混凝土澆筑；場(chǎng)區(qū)西側(cè)的村莊及耕地對(duì)原始地形破壞較輕，為山頂渾圓殘丘地帶，地勢(shì)北高南地，坡度多為5°～25°。勘探點(diǎn)平面位置圖中反映的為原始地形，場(chǎng)區(qū)內(nèi)地形已修正。

2.3 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

場(chǎng)區(qū)位于楚雄向斜東翼。楚雄向斜軸向325°～335°，東翼傾角25°～38°，地層巖性為白堊系上統(tǒng)江底組（K2j）第一段泥巖、泥灰?guī)r、砂巖。受構(gòu)造擠壓及風(fēng)化作用影響，場(chǎng)區(qū)發(fā)育兩組節(jié)理，J1產(chǎn)狀115°～125°∠80°，開(kāi)口寬度1～2 mm，延伸長(zhǎng)度1.5～2.0 m，節(jié)理密度1～2條/m，節(jié)理面光滑，鈣質(zhì)充填；J2產(chǎn)狀40°～57°∠58°，開(kāi)口寬度1～2 mm，延伸長(zhǎng)度1 m左右，節(jié)理密度5～6 條/m，裂隙面光滑，鈣質(zhì)充填。場(chǎng)區(qū)經(jīng)人工平整，無(wú)地表徑流或蓄水。地下水主要為賦存于白堊系上統(tǒng)江底組地層中的基巖裂隙水，富水性一般，經(jīng)各鉆孔48 h穩(wěn)定水位觀測(cè)，穩(wěn)定水位埋深8.8～15.7 m；受降雨影響，旱、雨季地下水位變動(dòng)幅度1～3 m。根據(jù)GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，場(chǎng)區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震加速度值為0.15g，建筑抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防。

3 巖土工程勘察

3.1 勘察手段及點(diǎn)線布設(shè)

根據(jù)擬建工程項(xiàng)目特點(diǎn)，結(jié)合場(chǎng)區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件，決定采用地質(zhì)調(diào)繪、工程測(cè)量、地質(zhì)鉆探、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、重型圓錐動(dòng)力觸探、波速測(cè)試、巖土水樣采集與室內(nèi)測(cè)試分析等綜合勘察手段進(jìn)行，勘探孔主要沿?cái)M建教學(xué)樓周邊輪廓線、角點(diǎn)及中心點(diǎn)布置，共布置勘探孔36個(gè)，其中控制孔17個(gè)，設(shè)計(jì)孔深20～25 m，一般孔19個(gè)，設(shè)計(jì)孔深18～20 m；波速測(cè)試孔2個(gè)；實(shí)測(cè)地質(zhì)剖面A-A’、 B-B’、 C-C’ 3條，如圖3所示。

3.2 場(chǎng)區(qū)巖土層結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)勘察鉆孔揭露，場(chǎng)區(qū)地表為第四系全新統(tǒng)素填土層（Q4ml），一般厚度小于5 m，下部為白堊系上統(tǒng)江底河組（K2j）地層，厚度較大，巖性主要為泥巖、泥灰?guī)r、砂巖，鉆孔揭露至中風(fēng)化層，巖層產(chǎn)狀為225°∠25°，場(chǎng)區(qū)南側(cè)局部產(chǎn)狀變化為193°～196°∠36°。

主A教學(xué)樓典型實(shí)測(cè)地質(zhì)剖面15—15’如圖4所示，由ZK25、ZK26、ZK27、ZK28、ZK29、ZK30組成，鉆孔共揭示第四系素填土①、全風(fēng)化泥巖②、全風(fēng)化泥灰?guī)r②1、全風(fēng)化砂巖②2、強(qiáng)風(fēng)化泥巖③、強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r③1、中風(fēng)化泥巖④、中風(fēng)化泥灰?guī)r④1、中風(fēng)化砂巖④2 9個(gè)工程地質(zhì)巖組。設(shè)計(jì)室內(nèi)場(chǎng)坪標(biāo)高1 798.80 m；素填土①頂板高程1 802.93 m，底板埋深0～3.20 m；全風(fēng)化泥巖②頂板高程1 803.43 m，底板埋深0～1.55 m；全風(fēng)化泥灰?guī)r②1頂板高程1 801.88～1 803.16 m，底板埋深0～2.30 m，或頂板高程1 799.73～1 801.76 m，底板埋深0.00～7.30 m；全風(fēng)化砂巖②2頂板高程1 803.06 m，底板埋深1.30～1.50 m；強(qiáng)風(fēng)化泥巖③頂板高程1 796.33～1 803.00 m，底板埋深5.50～7.30 m；強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r③1頂板高程1 794.46～1 803.02 m，底板埋深0.00～13.30 m；中風(fēng)化泥巖④頂板高程1 788.3～1 790.83 m，未鉆穿底板；中風(fēng)化泥灰?guī)r④1頂板高程變化較大，其中中風(fēng)化砂巖④2以楔形體的形式穿插存在。地下水埋深12.8～15.7 m。

輔B教學(xué)樓典型實(shí)測(cè)地質(zhì)剖面2—2’如圖5所示，由ZK5、ZK7、ZK8、ZK9、ZK10組成，鉆孔共揭示第四系素填土①、全風(fēng)化泥巖②、強(qiáng)風(fēng)化泥巖③、中風(fēng)化泥巖④4個(gè)工程地質(zhì)巖組。設(shè)計(jì)室內(nèi)場(chǎng)坪標(biāo)高1 798.20 m；素填土①頂板高程1 799.47 m，底板埋深0～2.80 m；全風(fēng)化泥巖②頂板高程1 796.61～1 798.90 m，底板埋深0.80～3.90 m；強(qiáng)風(fēng)化泥巖③頂板高程1 794.74～1 802.08 m，底板埋深0.80～5.90 m；中風(fēng)化泥巖④頂板高程1 790.84～1 796.67 m，未鉆穿底板。地下水埋深9.10～12.75 m。

3.3 巖土組物理力學(xué)性質(zhì)

波速測(cè)試及土工獲得巖土組物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

4 場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

4.1 地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

以擬建教學(xué)樓設(shè)計(jì)室內(nèi)地坪標(biāo)高為頂板，建立場(chǎng)區(qū)地基評(píng)價(jià)模型（圖6、圖7），基于巖土物理力學(xué)參數(shù)（表1）賦值各材料屬性，約束模型左、右、底邊界位移，施加由上部建筑對(duì)地基形成附加荷載220 kPa。

計(jì)算周期設(shè)置為360天，分別獲取計(jì)算時(shí)長(zhǎng)120天、240天，360天的地基變形等值線圖。輔B教學(xué)樓地基的主要沉降變形發(fā)生在素填土、全風(fēng)化泥巖層，120天素填土區(qū)地表沉降量0.305～0.366 m，建筑邊緣外圍全風(fēng)化泥巖被剪出鼓隆，鼓隆量達(dá)到0.183～0.244 m；240天素填土區(qū)地表沉降量增大至0.488～0.549 m，全風(fēng)化泥巖擠壓變形區(qū)鼓隆量增大至0.244～0.305 m；360天素填土區(qū)地表沉降量增大至0.549～0.610 m，全風(fēng)化泥巖擠壓變形區(qū)鼓隆量保持不變。沉陷區(qū)作為剪入口、鼓隆區(qū)作為剪出口形成地下剪壞帶，在現(xiàn)有地基條件下，素填土、全風(fēng)化泥巖不能作為地基持力層，需清除換填或加固處理（圖7）。

主A教學(xué)樓地基的沉降變形發(fā)生在全風(fēng)化泥灰?guī)r、全風(fēng)化泥巖層，120天全風(fēng)化泥巖區(qū)地表沉降量0.244～0.305 m，建筑周界外圍全風(fēng)化泥巖被剪出鼓隆，鼓隆量大于0.12 m；240天素填土區(qū)地表沉降量增大至0.366～0.427 m，全風(fēng)化泥巖擠壓變形區(qū)鼓隆量大于0.18 m；360天素填土區(qū)地表沉降量增大至0.427～0.488 m，全風(fēng)化泥巖擠壓變形區(qū)鼓隆量大于0.24 m。沉陷區(qū)作為剪入口、鼓隆區(qū)作為剪出口形成地下剪壞帶，可見(jiàn)在現(xiàn)有地基條件下，全風(fēng)化泥巖、全風(fēng)化泥灰?guī)r也不可作為地基持力層，需清除換填或加固處理（圖8）。

4.2 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

經(jīng)研究，B、C實(shí)測(cè)地質(zhì)剖面控制范圍內(nèi)地質(zhì)地形條件對(duì)場(chǎng)區(qū)建筑安全不存在影響，A實(shí)測(cè)剖面反映在場(chǎng)區(qū)東側(cè)因修建東瓜大溝形成高約13 m的陡坡，邊坡坡度40°～70°，局部近直立，且邊坡坡頂距離擬建建筑較近，約為16 m，自然條件下邊坡穩(wěn)定。經(jīng)地質(zhì)背景研究，場(chǎng)區(qū)時(shí)常受地震擾動(dòng)，最大擾動(dòng)震級(jí)為6.5級(jí)，建立地震烈度6.5級(jí)的人工波（圖9），地震波作用時(shí)間10 s，最大地面動(dòng)峰值加速度在2.14 s，為341.7 m/s2。該陡坡在自然和降雨條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定，故只作地震狀態(tài)下的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，通過(guò)簡(jiǎn)歷穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型和數(shù)值模擬計(jì)算，得出邊坡在地震條件的穩(wěn)定性系數(shù)為1.473（圖10），水平最大位移量0.13 m，狀態(tài)穩(wěn)定。對(duì)建筑安全性威脅較小。

5 結(jié)論

（1）經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地地基勘察，場(chǎng)地屬中等復(fù)雜場(chǎng)地、中等復(fù)雜地基，場(chǎng)地分布的素填土、全風(fēng)化泥巖層、全風(fēng)化泥灰?guī)r層易在上部附加荷載的作用下發(fā)生剪切破壞，不宜作為建筑地基持力層，需作換填處理。

（2）場(chǎng)地地震設(shè)防烈度高，但場(chǎng)地?zé)o軟土、粉土和砂土分布，不必考慮地震液化和軟土震陷的影響，場(chǎng)地存在的既有邊坡在地震作用下穩(wěn)定，不會(huì)影響場(chǎng)地整體安全。

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