黄土梁峁区高填方地基变形规律研究*

董　琪　李　阳　段　旭　常　园

黄土梁峁区高填方地基变形规律研究*

董琪①②李阳②段旭①常园③

( ①长安大学西安710064)

( ②信息产业部电子综合勘察研究院西安710054)

( ③陕西省核工业地质调查院西安710100)

摘要随着城镇化步伐加快，陕北黄土高原梁峁区三四线城市出现越来越多的高填方工程，陕北大孔隙黄土与特殊地形地貌共同作用下引起建筑物地基发生严重不均匀沉降，导致上部结构开裂甚至失稳垮塌，危及人身与财产安全。为了全面分析梁峁区高填方地基变形规律，课题组在陕北黄土高原某梁峁区填方场地选取了西北地区最大的试验场(直径超过90m)，通过原位监测对高填方地基地应力、含水率以及地基沉降进行了研究，分析了黄土填方地基含水率随季节变化规律及其影响深度，并发现黄土高填方地基中存在“土拱”现象，总结出沉降与填方高度的关系。利用三维数值模拟反演分析推测出高填方地基的最终沉降量，对上部结构作用下地基变形规律进行了预测，为类似黄土地区高填方工程设计及其变形计算提供参考。

关键词黄土梁峁区高填方地基变形数值模拟

( ①Chang'an University，Xi'an 710064)

( ②Electronic Comprehensive Investigation & Surveying Institute of Ministry of Information Industry，Xi'an 710054)

( ③Shaanxi Nuclear Industry Geological Survey Institute，Xi'an 710100)

0引言

通过对陕北黄土梁峁高填方区建筑物变形分析发现，众多填方区建筑物破坏从基础开始向上部结构逐渐延伸，轻则墙体开裂，重则房屋倒塌，直接影响着人民生命财产安全，因此，有必要对湿陷性黄土高填方地基的力学性能和变形规律进行系统全面的研究。徐明等(2009)研究了高填方长期工后沉降规律，认为蠕变沉降与工后时间的对数大致呈线性关系，并指出工后沉降机理与粗粒土的微观力学特性密切相关。李秀珍等(2005)利用FLAC3D软件分析了九寨黄龙机场高填方地基沉降，提出最大沉降量往往出现在填方体厚度较大或者原地基软弱土层厚度较大的部位。谢康和等(2004)研究了沉积作用对地基自重应力与沉降的影响，发现考虑沉积作用后自重应力将沿深度呈非线性变化，沉积作用对地基沉降的影响随荷载和土压缩性以及土层厚度的增大而增大。朱才辉等(2015)基于压实黄土的室内侵蚀性试验，提出暗穴在扩展过程中道面出现不稳定现象的时间节点的初步预测方法。曹光栩等(2011)对高填方原软弱地基的沉降变形提出了可以考虑施工加载过程的简化计算方法，并提出了计算粗粒料填方体长期蠕变变形的简化算法。刘宏等(2004)利用压缩蠕变试验研究了高填方沉降规律，发现初始压实度决定了砂砾石填料的压缩变形特性。步艳洁等(2015)以某黄土高填方工程为研究对象，建立黄土高填方沉降变形的GM(1， 1)预测模型。葛苗苗等(2015)运用MATLAB编程程序并结合工程实际监测的数据，分别对黄土高填方沉降变形进行了短期、中期及长期预测。马闫等(2015)得到压实Q2离石黄土的强度参数在CTC路径和RTC路径下均随着含水量的增大而减小。水分沿裂缝的入渗使坡体中部产生初始滑面，初始滑面形成后将同时向上和向下扩展，滑面向下扩展的过程属于加载增湿破坏过程，向上扩展的过程属于卸荷增湿破坏过程，水分浸润使土体软化加速了滑面的发展。Labuzetal.(2005)提出了土拱效应对土压力的影响规律。Lowetal.(1994)研究了填方拱效应问题及产生机制。Sowersetal. (1965)通过分析监测数据取得了一定的成果，认为碎石坝的长期沉降随着时间的推移而变缓，但是沉降持续的时间非常长，工后沉降量与时间的对数表现出线性关系。Brandonetal.(1990)发现相比蠕变沉降，湿陷沉降导致的工后沉降要大得多。Athanasiuetal.(2005)对不同填料、不同填筑方式的高填方工程长期沉降进行了研究，发现施工阶段对填料充分压实能减少高填方的长期工后沉降。

以上主要从宏观和微观两个角度研究了高填方的沉降，具有较高的理论与实用价值，但针对大孔隙黄土高填方的变形研究相对较少。

高填方地基变形由原状地基变形和填筑体变形两部分构成。填筑荷载对原状地基与填筑体的影响特征有所不同，通常情况下，原状地基变形曲线随荷载增加逐渐增大，变化较为舒缓，变形速率在停止加载一段时间后才逐渐减小； 填筑体随荷载增加快速产生变形，停止加载后变形迅速减小，加载与停止加载期间变形曲线存在明显的拐点，从宏观上看，随间歇性施工变形曲线呈现台阶性发展态势(王成峰， 2008)。

经过对高填方地基的变形特征分析还发现，影响高填方地基变形的主要因数包括原状地基与填筑体的物理力学性质、荷载形式与大小、施工技术与工艺、固结时间等，另外在黄土地区还应考虑土中含水率对地基的影响。本文通过理论分析、原位监测和三维计算机数值模拟反演等方法，综合性的对黄土高填方地基的变形规律进行研究，为黄土高填方地基设计与施工提供理论依据和实践指导。

1研究区工程地质

研究区位于陕北黄土高原中部，属于典型的继承型和继承、侵蚀混合型的黄土梁峁沟壑区。黄土梁峁地势高，边坡陡峻，构成各级沟谷之间的分水岭，梁峁顶面宽度为50～150m，坡度一般小于20°，下部坡度一般为30°～40°，局部近直立，坡高一般为100～150m。填方区下部基岩地形在构造运动和河流作用下形成不同沟谷类型，在风积黄土覆盖后呈现出梁峁与沟谷纵横交错的地貌类型，研究区地貌总体而言起伏较大，梁峁上部呈现地形坡度较缓(约5°～10°)，下部近基岩段坡度较陡(约25°～35°)，基岩段坡度多为>40°，局部有的可达62°～72°，填方区沟谷依据侵蚀强弱多呈现“V”型和“U”型沟谷，人类活动多在“U”型沟谷中进行。

该区内填方厚度依据原有地形填筑，填筑厚度10～52m不等，原始地形坡度对填筑后填筑体工期及工后沉降变形将产生一定影响，故以此典型区域作为试验场区，开展对黄土冲沟高填方地基变形规律进行系统分析。

2高填方地基原位监测分析

2.1测点布设

为了全面分析填方地基变形规律，并综合考虑场地内外地形、地貌及其地质状况，分别在沿沟谷走向和垂直沟体边坡方向3个断面典型位置布置监测井，观测井中分层安装土压力盒、土壤水分计和分层沉降仪，并安设了浅层沉降标来对地表沉降进行观测，其布置形式(图1)。

图1　试验场传感器布设Fig. 1　Test field sensor layouta. 场区地形及监测设备布设断面； b. 典型监测断面图； c. 现场监测设备安装过程

施工期间平均每3d监测一次，工后开始每3d监测一次，随着填方区地基逐渐稳定，每10个月监测一次，雨后适当增加监测频次。

2.2原位监测结果分析2.2.1体积含水率

黄土梁峁区大面积填方后，地表水和地下水的蒸发和渗流途径发生变化，随着时间的推移，不同深度填土体的含水量也会发生变化。降雨和地表排水除部分蒸发和水平径流外，还有部分水分子不断向下渗流，当下部填筑体非饱和黄土含水量增大时，压缩性随之增大，因此研究填筑体含水率变化具有重要意义。图2 为工后各个监测点不同填筑深度(10～50m)测点含水率时程变化曲线，曲线图第10～12月和第22～24月为雨季。从图中可以看出，处于填方后地面下0～20m土层含水量受降雨、季节变化等影响，在短期内有较大幅度的增减，含水率先大幅增长，而后又急速回落，说明降雨入渗对填方体的影响较大； 处于填方体以下30m土层含水率在监测的24个月内逐渐增大，表明水分子下渗并聚集到该层土体内，当毛细压力与水分子重力平衡，含水率将不再增大； 处于填方体以下40～50m土层水分下渗量减少，各层监测点含水率基本不再变化。

图2　填方地基体积含水率曲线图Fig. 2　Curve of embankment moisture map

图3　土压力监测曲线图Fig. 3　Curve of soil pressure monitoring

2.2.2土压力

图3为工后不同监测位置土压力随填方高度的变化曲线，从图中能够看出，土压力随填方高度的增加近似呈线性增大。4个监测位置在填方高度0～18m，土压力增长斜率基本一致； 填方高度18m以后，土压力增长斜率不再相同，最大填方处土压力的斜率明显小于监测断面1、2、3的斜率，填方高度36m时，监测断面1、2、3的土压力分别是最大填方处的1.54、1.16、1.85倍，这与填方体、原状沟体、填方与沟体交界面土体的力学性质、梁峁地形地貌有关。

2.2.3沉降量

沉降观测是研究地基变形的核心内容，为了确保高填方地基沉降观测数据的可靠性，将分层沉降叠加后与地表沉降对比，修正后得到图4 地表总沉降等值曲线。

图4　地表总沉降等值线图(单位：cm)Fig. 4　Total settlement contour of surface

分析图4 可知，监测期间高填方地基地表沉降量与填方高度基本一致，地基最大总沉降发生在沟谷中部位置，最大达到了63cm。由此可知，填方体沉降是影响地基沉降的主要因素，原状土体对地基沉降的影响相对较小。

3基于原位试验的数值模拟反演分析

3.1建立数值模拟模型

原位观测后期，地表沉降速率为0.02mm·d-1，根据《建筑变形测量规范》(JGJ8-2007)地基沉降标准(最后100d的沉降速率小于0.01～0.04mm·d-1时可认为已进入稳定阶段)可判断，原位地表沉降已进入稳定阶段。此时的沉降量真实反映了实际情况下地基变形情况。为了进一步优化原位监测不具备表征地基任意位置的缺陷，本文将Midas/GTS有限单元软件数值模拟与原位监测相结合，利用计算机数值模拟反演分析法进行优化。结合试验区实际情况，应力-应变本构关系采用摩尔库仑准则。填方分为10级，每级填土厚度4～5m，模型长×宽×高=160m×125m×80m。网格采用实体单元，从填方到基岩逐渐发散，模型边界条件为地面约束形式(图5)。

图5　高填方地基有限单元模型Fig. 5　Finite element mesh model of loess high-filla. 填方体模型； b. 原状黄土梁峁地基模型； c. 填方后地基模型

根据现场实际情况作一下基本假设：

(1)假设原始地层与填方体为各向同性的连续介质，都是理想弹塑性材料。

(2)假设地基承受的上部结构压力为竖向均布荷载。

原地基土以Q2黄土为主，其下为砂岩基岩，按实测体积含水率分层添加到每层填筑体中，反演分析参数如表1所示。

表1　填方地基地层物理力学参数

3.2填土地基受力、变形与原位监测对比

图6反映了填方体最终固结稳定后的竖向变形云图，由图6中可以出，最大竖向位移76.7cm，与原位地表总沉降监测结果63cm较为接近，仅大了13.7cm，由此说明24个月后试验区地基沉降并未结束，仅完成了最终沉降的82.1%，还有进一步沉降趋势。

图6　填方体竖向变形云图Fig. 6　Vertical deformation of filling

分析图7 可知，填方体的竖向应力基本随填方高度的增加而增大。最大填方高度处的竖向应力为0.696MPa，与实测的0.685MPa极为接近，由此也进一步验证了数值模拟的准确性。从图中能够直观的看到，由于地基表面不受约束，在填方体变形过程中地表土体出现小范围拉应力，约占填方体的7%左右，这种拉应力来由下位填筑土体挤压作用形成，从上到下这种挤压作用逐渐加强，最下边几层填方体明显呈现出“土拱”现象，在同一填方高度上靠近交界面的土压力大于填方中部土体的土压力，与试验实测受力特点一致。

图7　填方体竖向应力云图Fig. 7　The vertical stress of filling

综上所述，数值模拟与原位监测填方体受力与变形数据较为接近，说明数值模拟结果可靠，可利用数值模拟进一步分析填方地基在上部结构荷载作用下的变形规律，为基础设施建设施工提供有效参考。

3.3上部结构下作用下的地基变形

为了便于分析地基变形规律，将基地压力简化为施加在地基表面的均布面荷载，基底压力按60kPa取值。通过数值模拟计算得到填方体的竖向变形云图(图8)。

图8　上部结构作用下填方体竖向应力云图Fig. 8　The vertical stress of filling for superstructure effect

图9　原始地基竖向变形云图Fig. 9　Vertical deformation of original foundation

将图8 与图6 对比可知，在上部结构作用下，填方地基不均匀沉降范围进一步扩大，竖向位移也明显增大，最大竖向位移由原来的76.7cm增加到121.0cm，差值达到了44.3cm，比原来大了57.8%，由此说明，上部结构荷载对填方地基沉降影响较大，在上部结构施工前对原始高填方地基二次处理显得尤为重要，处理不当引起的地基不均匀沉降将会给上部结构稳定性造成安全隐患。

图9为原始地基竖向变形云图，该图更为直观的反映了上部结构作用下深层原始地基不同位置的竖向变形情况。

对比图6、图9 可以看出，高填方地基变形主要由填方体决定，原状地基的变形相对较小，仅占到整个地基变形的14.1%左右。由此可以说明，黄土梁峁区高填方地基处理的核心是对填筑体的处理。

4结论

(1)通过原位监测分析得出黄土梁峁区高填方体地基体积含水率的分布规律以及季节降水对地基的影响范围； 并发现同一填方高度下填方体比原状地基交界面土压力大，随着填方高度的增加，这种现象越明显。

(2)通过数值模拟发现在填方体变形过程中地表土体出现小范围拉应力，这种拉应力来由下位填筑土体挤压作用形成，从上到下这种挤压作用逐渐加强，最下边几层填方体明显呈现出“土拱”现象。利用数值模拟反演分析预测了上部荷载作用下地基的变形规律，提出了地基二次处理的控制指标。

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IN-SITUTESTSONDEFORMATIONLAWSOFHIGHFOUNDATIONINLOESSPLATEAUAREA

DONGQi①②LIYang②DUANXu①CHANGYuan③

AbstractWith the accelerating pace of urbanization, more and more building foundations appear in hilly areas of loess plateau. Building foundations can have serious uneven subsidences because of large pore loess and special landform, which can lead to crack, or even collapse of buildings. The crustal stress, water content and foundation sedimentation of loess hilly-gully high-stacked foundation are studied via in-situ monitoring. The changing law of filled foundation’s water content with season and the affected depth are analyzed. It is found that there exists a soil arch in high-stacked foundation. The relation between sedimentation and filling depth is concluded. The final sedimentation volume is analyzed and conjectured by the use of three-dimension numerical simulation inversion. The foundation deformation law under the effect of upper construction is predicted which provides reference for similar loess high-stacked engineering design and its deformation calculation．

Key wordsLoess hilly-gully region， High foundation， Foundation deformation， Numerical simulation

DOI:10.13544/j.cnki.jeg.2016.02.018

* 收稿日期：2015-10-07; 收到修改稿日期： 2015-12-30.

基金项目：2013年国家十二五科技攻关项目“黄土丘陵沟壑区(延安新区)工程建设关键技术研究与示范”(编号： 2013BAJ06B04，2013BAJ06B03)，2012年陕西省科技统筹创新工程“延安黄土丘陵沟壑区工程建设重大地质与岩土工程问题研究”(编号： 2012KTZD-03)，陕西省重点产业创新链-社会发展领域“填方区建筑物基础破坏模式及机理研究”(编号： 2015KTZDSF03-02)资助.

第一作者简介：董琪(1984-)，男，博士生，工程师，主要研究方向为土与结构物相互作用. Email: 38641855@qq.com

中图分类号：U416.1

文献标识码：A