不均匀地基堆筑工程稳定性分析

(江西理工大学 建筑与资源工程系, 南昌 330013)

1 研究背景

随着城市化进程的不断推进，城市人口不断增加，与此同时也产生了大量的生活、建筑垃圾等，常见的处理形式为集中堆放，这就形成了大面积的堆载工程。另一方面由于经济的飞速发展，人们的审美要求也在提高，城市中也有了景观堆筑工程，不仅利于美化环境，还可以实现对城市垃圾的再利用[1-4]。目前国内外对这种大面积堆筑工程的研究甚少，也没有相应的规范可依，给实际工程增加了困难。尤其是在非均质地基上堆山，不仅要考虑堆筑体的稳定性问题，又要考虑地基的不均匀沉降问题[5-7]，更是加大了工程设计的难度。

本文以一拟建工程为例。该工程在不均匀地基上进行堆筑工程，地基平面中，一侧为岩石地基，一侧为土质地基，堆筑后定会产生不均匀沉降问题，因此考虑对土质地基进行加固。但加固范围难以确定，因此本文基于FLAC3D对地基和山体进行稳定性计算，确定了土质地基加固范围，以此为工程设计与施工提供参考和帮助。

2 工程地质概况

某堆筑工程地基主要由素填土、粉质黏土、泥岩、石灰岩组成，且分布不均匀，见图1。北侧泥岩出露，而南侧为素填土及粉质黏土，深度从0～10 m不等。土质地基强度较低，岩石地基表层有风化现象。堆筑最大高度约为30 m，坡度约为20°。填筑材料为城市的生活、建筑垃圾。填筑方法拟采用分层堆砌，每层按1∶1放坡，每5 m设置一个7 m的平台，填筑范围约180 m×150 m。填筑范围及高度均较大，因此在堆筑前考虑对南侧土质地基部分进行处理，初步设想为对土质地基进行加固处理，本文设想对地基土进行改良，以提高地基稳定性。

图1 地层结构示意图

3 计算模型的建立

根据上述工程地质条件建立数值计算模型，为了简化计算，仅将地基分为土、岩2部分，选择堆筑高度最大的剖面为计算对象。模型长度x指向为北，总长度为226 m，其中堆砌山体长度为186 m；宽度y向为30 m；高度z向为50 m，其中地基20 m，山体为30 m，详见图2。

图2 数值计算模型

模型计算参数见表1，计算本构模型采用摩尔-库伦模型。边界条件为模型底部采用刚接，四周采用铰接，即在模型底部设置全约束，约束其水平向及垂直向变形，在模型四周约束其水平向变形。模型自上而下分别为堆砌体、土质地基、岩石地基。在分析堆筑体稳定性时主要依据位移云图、剪应变增量云图及塑性区分布情况，以便于从多个角度来分析。

表1 模型计算参数

4 稳定性分析

4.1 加固处理前稳定性分析

若不进行地基处理直接堆山，从工程地质条件来说，势必会影响到山体的稳定，数值计算出的安全系数为1.012，处于临界状态，不能满足工程要求。

图3为堆筑体剪应变增量云图，最大剪应变增量为6×10-2。主要集中在南侧坡体的坡脚处，少量分布于坡体内部。根据边坡破坏机制可以认为坡脚处属于剪破坏，坡体中上部属于拉破坏，从图中可以看出，虽然拉破坏区与剪破坏区没有完全贯通，但也是濒临贯通了，说明不处理地基就进行堆山是有一定危险性的。在降雨或者地震条件下山体滑塌的可能性非常大[8]。

图3 剪应变增量云图

图4为坡体位移图，其中图4(a)为坡体的整体位移云图，最大位移为0.974 m，发生在南侧坡体中下部，说明南侧的土质地基对山体的稳定性影响非常大。

图4(b)为坡体沿x向位移图，南侧坡体的最大位移为0.961 m，处于南侧坡体的中下部，南侧坡体由于下部的土质地基，使坡体整体向南滑移。北侧坡体的最大位移为0.243 m，北侧山体下部为基岩，致使坡体的位移要比南侧小得多。

(c) z向位移

图4(c)为坡体沿z向位移图，从图中可以看出坡顶处发生了较大沉降，最大沉降量为0.537 m，坡体大部分区域均发生了沉降，只有在南侧坡脚处发生了隆起，最大上升位移为0.598 m。由于南侧坡体发生了较大滑移，致使坡脚土体受挤压而隆起。

4.2 加固措施及效果评价

图5 地基局部处理部位示意图

经过上述分析可知，若不采取加固措施直接堆山，坡体的稳定性很差，不能满足工程要求。而且主要是由于南侧的土质地基引起，所以必须对南侧的土质地基进行处理，选择局部处理而不是处理所有南侧的土质地基。处理部位见图5，图中阴影部分即为地基处理部位。处理平均深度约为3 m。采用石灰进行改良换填，改良后土体强度参数取黏聚力为42 kPa，摩擦角为26°， 膨胀角为18°。经过计算，安全系数为1.294，能够满足工程要求。

图6为局部处理后的剪应变增量云图，最大值为1.39×10-2。仅分布于坡体内部，坡脚处没有出现剪坏区区域。

图6 局部处理后的剪应变增量云图

图7为塑性区分布图，从图7(a)可见塑性区没有连通，主要分布于南侧山体底部及土质地基部位。另外在岩石地基的中部也出现过一定的受拉和受剪状态，说明在堆山工程中，山体中部的地基强度对山体的稳定性也有较大影响。

坡体沿x向位移分布如图7(b)所示，其中南侧最大位移为0.302 m，北侧为0.300 m，两者几乎相等，在水平位移的发展趋势上坡体南北两侧几乎对称，这也说明了加固措施具有一定的效果。

图7(c)为坡体沿z向的位移分布图，与未加固处理前的图4(c)比较可以看出，对地基进行加固处理后，坡体绝大部分区域均处理沉降状态，只有少部分区域出现隆起现象，且最大值仅为0.016 m。坡体最大沉降量为0.324 m。

(a) 分布图

(b) x向位移

(c) z向位移

图8 地基处理部位示意图

继续分析加固处理所有土质地基的情况，如图8所示，其中阴影部分为加固处理段。计算得到坡体最大水平位移为0.298 m，最大沉降为0.322 m，最大隆起为0.022 m。与只处理堆砌山体中部土质地基相比较，位移变化非常小，说明文中所述仅对部分土质地基进行处理的方法具有安全可靠性和经济合理性。而且经过计算，此时安全系数为1.303，与位移分析的结论一致。

5 结 论

(1) 在土岩相间的地基上进行堆筑工程时，由于土岩性质的差异，会对堆砌山体的稳定性产生很大影响。通过数值分析可以发现若不对土质地基进行处理，位于土质地基上的堆砌山体将发生较大位移，而且在坡脚处出现隆起现象，隆起最大高度达0.598 m，整个坡体也处于濒临破坏的状态。

(2) 在仅对位于堆砌山体中部的土质地基进行改良处理后，位移得到了很好的控制，整个坡体几乎没有出现隆起现象，南北侧山体沉降几乎对称。塑性区主要分布在南侧坡体的底部，且没有连通，加固措施效果良好。与处理整个土质地基相比具有安全可靠性和经济合理性。

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