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        不均勻地基堆筑工程穩(wěn)定性分析

        2014-08-16 08:54:04
        長江科學(xué)院院報 2014年4期
        關(guān)鍵詞:剪應(yīng)變土質(zhì)山體

        (江西理工大學(xué) 建筑與資源工程系, 南昌 330013)

        1 研究背景

        隨著城市化進程的不斷推進,城市人口不斷增加,與此同時也產(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,還可以實現(xiàn)對城市垃圾的再利用[1-4]。目前國內(nèi)外對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)計的難度。

        本文以一擬建工程為例。該工程在不均勻地基上進行堆筑工程,地基平面中,一側(cè)為巖石地基,一側(cè)為土質(zhì)地基,堆筑后定會產(chǎn)生不均勻沉降問題,因此考慮對土質(zhì)地基進行加固。但加固范圍難以確定,因此本文基于FLAC3D對地基和山體進行穩(wěn)定性計算,確定了土質(zhì)地基加固范圍,以此為工程設(shè)計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7 m的平臺,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南側(cè)土質(zhì)地基部分進行處理,初步設(shè)想為對土質(zhì)地基進行加固處理,本文設(shè)想對地基土進行改良,以提高地基穩(wěn)定性。

        圖1 地層結(jié)構(gòu)示意圖

        3 計算模型的建立

        根據(jù)上述工程地質(zhì)條件建立數(shù)值計算模型,為了簡化計算,僅將地基分為土、巖2部分,選擇堆筑高度最大的剖面為計算對象。模型長度x指向為北,總長度為226 m,其中堆砌山體長度為186 m;寬度y向為30 m;高度z向為50 m,其中地基20 m,山體為30 m,詳見圖2。

        圖2 數(shù)值計算模型

        模型計算參數(shù)見表1,計算本構(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)定性時主要依據(jù)位移云圖、剪應(yīng)變增量云圖及塑性區(qū)分布情況,以便于從多個角度來分析。

        表1 模型計算參數(shù)

        4 穩(wěn)定性分析

        4.1 加固處理前穩(wěn)定性分析

        若不進行地基處理直接堆山,從工程地質(zhì)條件來說,勢必會影響到山體的穩(wěn)定,數(shù)值計算出的安全系數(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)變增量云圖,最大剪應(yīng)變增量為6×10-2。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)邊坡破壞機制可以認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行堆山是有一定危險性的。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)變增量云圖

        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 加固措施及效果評價

        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,所以必須對南側(cè)的土質(zhì)地基進行處理,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。采用石灰進行改良換填,改良后土體強度參數(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)變增量云圖,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)變增量云圖

        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,山體中部的地基強度對山體的穩(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)展趨勢上坡體南北兩側(cè)幾乎對稱,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,對地基進行加固處理后,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,說明文中所述僅對部分土質(zhì)地基進行處理的方法具有安全可靠性和經(jīng)濟合理性。而且經(jīng)過計算,此時安全系數(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行堆筑工程時,由于土巖性質(zhì)的差異,會對堆砌山體的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響。通過數(shù)值分析可以發(fā)現(xiàn)若不對土質(zhì)地基進行處理,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0.598 m,整個坡體也處于瀕臨破壞的狀態(tài)。

        (2) 在僅對位于堆砌山體中部的土質(zhì)地基進行改良處理后,位移得到了很好的控制,整個坡體幾乎沒有出現(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。與處理整個土質(zhì)地基相比具有安全可靠性和經(jīng)濟合理性。

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