(江西理工大學(xué) 建筑與資源工程系, 南昌 330013)

1 研究背景

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市人口不斷增加，與此同時(shí)也產(chǎn)生了大量的生活、建筑垃圾等，常見的處理形式為集中堆放，這就形成了大面積的堆載工程。另一方面由于經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們的審美要求也在提高，城市中也有了景觀堆筑工程，不僅利于美化環(huán)境，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)城市垃圾的再利用[1-4]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)這種大面積堆筑工程的研究甚少，也沒有相應(yīng)的規(guī)范可依，給實(shí)際工程增加了困難。尤其是在非均質(zhì)地基上堆山，不僅要考慮堆筑體的穩(wěn)定性問題，又要考慮地基的不均勻沉降問題[5-7]，更是加大了工程設(shè)計(jì)的難度。

本文以一擬建工程為例。該工程在不均勻地基上進(jìn)行堆筑工程，地基平面中，一側(cè)為巖石地基，一側(cè)為土質(zhì)地基，堆筑后定會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降問題，因此考慮對(duì)土質(zhì)地基進(jìn)行加固。但加固范圍難以確定，因此本文基于FLAC3D對(duì)地基和山體進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，確定了土質(zhì)地基加固范圍，以此為工程設(shè)計(jì)與施工提供參考和幫助。

2 工程地質(zhì)概況

某堆筑工程地基主要由素填土、粉質(zhì)黏土、泥巖、石灰?guī)r組成，且分布不均勻，見圖1。北側(cè)泥巖出露，而南側(cè)為素填土及粉質(zhì)黏土，深度從0～10 m不等。土質(zhì)地基強(qiáng)度較低，巖石地基表層有風(fēng)化現(xiàn)象。堆筑最大高度約為30 m，坡度約為20°。填筑材料為城市的生活、建筑垃圾。填筑方法擬采用分層堆砌，每層按1∶1放坡，每5 m設(shè)置一個(gè)7 m的平臺(tái)，填筑范圍約180 m×150 m。填筑范圍及高度均較大，因此在堆筑前考慮對(duì)南側(cè)土質(zhì)地基部分進(jìn)行處理，初步設(shè)想為對(duì)土質(zhì)地基進(jìn)行加固處理，本文設(shè)想對(duì)地基土進(jìn)行改良，以提高地基穩(wěn)定性。

圖1 地層結(jié)構(gòu)示意圖

3 計(jì)算模型的建立

根據(jù)上述工程地質(zhì)條件建立數(shù)值計(jì)算模型，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，僅將地基分為土、巖2部分，選擇堆筑高度最大的剖面為計(jì)算對(duì)象。模型長(zhǎng)度x指向?yàn)楸保傞L(zhǎng)度為226 m，其中堆砌山體長(zhǎng)度為186 m；寬度y向?yàn)?0 m；高度z向?yàn)?0 m，其中地基20 m，山體為30 m，詳見圖2。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

模型計(jì)算參數(shù)見表1，計(jì)算本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型。邊界條件為模型底部采用剛接，四周采用鉸接，即在模型底部設(shè)置全約束，約束其水平向及垂直向變形，在模型四周約束其水平向變形。模型自上而下分別為堆砌體、土質(zhì)地基、巖石地基。在分析堆筑體穩(wěn)定性時(shí)主要依據(jù)位移云圖、剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D及塑性區(qū)分布情況，以便于從多個(gè)角度來分析。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

4 穩(wěn)定性分析

4.1 加固處理前穩(wěn)定性分析

若不進(jìn)行地基處理直接堆山，從工程地質(zhì)條件來說，勢(shì)必會(huì)影響到山體的穩(wěn)定，數(shù)值計(jì)算出的安全系數(shù)為1.012，處于臨界狀態(tài)，不能滿足工程要求。

圖3為堆筑體剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D，最大剪應(yīng)變?cè)隽繛?×10-2。主要集中在南側(cè)坡體的坡腳處，少量分布于坡體內(nèi)部。根據(jù)邊坡破壞機(jī)制可以認(rèn)為坡腳處屬于剪破壞，坡體中上部屬于拉破壞，從圖中可以看出，雖然拉破壞區(qū)與剪破壞區(qū)沒有完全貫通，但也是瀕臨貫通了，說明不處理地基就進(jìn)行堆山是有一定危險(xiǎn)性的。在降雨或者地震條件下山體滑塌的可能性非常大[8]。

圖3 剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖4為坡體位移圖，其中圖4(a)為坡體的整體位移云圖，最大位移為0.974 m，發(fā)生在南側(cè)坡體中下部，說明南側(cè)的土質(zhì)地基對(duì)山體的穩(wěn)定性影響非常大。

圖4(b)為坡體沿x向位移圖，南側(cè)坡體的最大位移為0.961 m，處于南側(cè)坡體的中下部，南側(cè)坡體由于下部的土質(zhì)地基，使坡體整體向南滑移。北側(cè)坡體的最大位移為0.243 m，北側(cè)山體下部為基巖，致使坡體的位移要比南側(cè)小得多。

(c) z向位移

圖4(c)為坡體沿z向位移圖，從圖中可以看出坡頂處發(fā)生了較大沉降，最大沉降量為0.537 m，坡體大部分區(qū)域均發(fā)生了沉降，只有在南側(cè)坡腳處發(fā)生了隆起，最大上升位移為0.598 m。由于南側(cè)坡體發(fā)生了較大滑移，致使坡腳土體受擠壓而隆起。

4.2 加固措施及效果評(píng)價(jià)

圖5 地基局部處理部位示意圖

經(jīng)過上述分析可知，若不采取加固措施直接堆山，坡體的穩(wěn)定性很差，不能滿足工程要求。而且主要是由于南側(cè)的土質(zhì)地基引起，所以必須對(duì)南側(cè)的土質(zhì)地基進(jìn)行處理，選擇局部處理而不是處理所有南側(cè)的土質(zhì)地基。處理部位見圖5，圖中陰影部分即為地基處理部位。處理平均深度約為3 m。采用石灰進(jìn)行改良換填，改良后土體強(qiáng)度參數(shù)取黏聚力為42 kPa，摩擦角為26°， 膨脹角為18°。經(jīng)過計(jì)算，安全系數(shù)為1.294，能夠滿足工程要求。

圖6為局部處理后的剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D，最大值為1.39×10-2。僅分布于坡體內(nèi)部，坡腳處沒有出現(xiàn)剪壞區(qū)區(qū)域。

圖6 局部處理后的剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖7為塑性區(qū)分布圖，從圖7(a)可見塑性區(qū)沒有連通，主要分布于南側(cè)山體底部及土質(zhì)地基部位。另外在巖石地基的中部也出現(xiàn)過一定的受拉和受剪狀態(tài)，說明在堆山工程中，山體中部的地基強(qiáng)度對(duì)山體的穩(wěn)定性也有較大影響。

坡體沿x向位移分布如圖7(b)所示，其中南側(cè)最大位移為0.302 m，北側(cè)為0.300 m，兩者幾乎相等，在水平位移的發(fā)展趨勢(shì)上坡體南北兩側(cè)幾乎對(duì)稱，這也說明了加固措施具有一定的效果。

圖7(c)為坡體沿z向的位移分布圖，與未加固處理前的圖4(c)比較可以看出，對(duì)地基進(jìn)行加固處理后，坡體絕大部分區(qū)域均處理沉降狀態(tài)，只有少部分區(qū)域出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，且最大值僅為0.016 m。坡體最大沉降量為0.324 m。

(a) 分布圖

(b) x向位移

(c) z向位移

圖8 地基處理部位示意圖

繼續(xù)分析加固處理所有土質(zhì)地基的情況，如圖8所示，其中陰影部分為加固處理段。計(jì)算得到坡體最大水平位移為0.298 m，最大沉降為0.322 m，最大隆起為0.022 m。與只處理堆砌山體中部土質(zhì)地基相比較，位移變化非常小，說明文中所述僅對(duì)部分土質(zhì)地基進(jìn)行處理的方法具有安全可靠性和經(jīng)濟(jì)合理性。而且經(jīng)過計(jì)算，此時(shí)安全系數(shù)為1.303，與位移分析的結(jié)論一致。

5 結(jié) 論

(1) 在土巖相間的地基上進(jìn)行堆筑工程時(shí)，由于土巖性質(zhì)的差異，會(huì)對(duì)堆砌山體的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響。通過數(shù)值分析可以發(fā)現(xiàn)若不對(duì)土質(zhì)地基進(jìn)行處理，位于土質(zhì)地基上的堆砌山體將發(fā)生較大位移，而且在坡腳處出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，隆起最大高度達(dá)0.598 m，整個(gè)坡體也處于瀕臨破壞的狀態(tài)。

(2) 在僅對(duì)位于堆砌山體中部的土質(zhì)地基進(jìn)行改良處理后，位移得到了很好的控制，整個(gè)坡體幾乎沒有出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，南北側(cè)山體沉降幾乎對(duì)稱。塑性區(qū)主要分布在南側(cè)坡體的底部，且沒有連通，加固措施效果良好。與處理整個(gè)土質(zhì)地基相比具有安全可靠性和經(jīng)濟(jì)合理性。

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