崔 亮 李連營 馬樂民

(1.北京交科公路勘察設計研究院有限公司，北京 100191;2.天津市勘察院，天津 300191)

0 引言

隨著城市基本建設的發(fā)展，建筑垃圾占城市總垃圾的比重越來越大，直接把建筑垃圾處理，不僅浪費資源還會產生一系列的環(huán)境問題。與此同時，人們越來越重視生活環(huán)境。改善環(huán)境的同時把建筑垃圾處理掉是最佳方式，所以越來越多的城市用建筑垃圾來堆景造山，這種處理方式在處理建筑垃圾的同時改善環(huán)境，具有很高的社會效益和經濟效益[1]。

人工堆筑的山體往往具有體積很大、高度很高、荷載影響面積很大等工程特性，存在著不均勻沉降和嚴重的側向位移等工程地質問題，因此必須對其進行準確地分析計算，以制定合適的地基處理方式。目前國內還沒有針對堆山工程設計及施工的規(guī)范或者規(guī)程，而常規(guī)的分析方法只能選擇典型剖面或者地段進行局部分析，由于適用條件等原因，常規(guī)的分析方法很難反映出堆山的整體變形和對周圍環(huán)境影響。而數(shù)值模擬分析方法可以將復雜的巖土工程問題三維模型化，考慮其空間效應，通過計算分析能夠得到堆山的整體變形效果，判定堆體沉降變形對周圍的影響程度[2-6]。本文結合天津某堆山造景工程，利用FLAC3D對堆山工程中的沉降特性進行分析，其結果對類似的工程具有重要的指導意義。

1 工程概況

本工程占地約75萬m2，東西寬約1200 m，南北寬900 m，局部寬500 m。本堆山工程山體主峰高45 m，其計算荷載達900 kPa;次峰高40 m，其計算荷載達800 kPa;配峰高35 m，其計算荷載達700 kPa。

1.1 工程周邊環(huán)境

擬建場地周圍200 m范圍內分布有地鐵、高鐵、城市主干道、地下管線、廠房等對沉降和變形敏感的建(構)筑物;其西側是鐵東路，鐵東路作為天津市主干路，其下埋有大量的管線，包括上下水、電信、電力等等;其東側為正在施工地鐵5號線，其中丹河北道站開挖深度達28 m左右;其北側為烈士陵園及天津憩園;其南側為天津市次干路迎賓道，其下也有大量的管線。

1.2 場地地層巖性

本場地埋深150 m范圍內，按地層成因年代和物理性質大致簡化為9層，如表1所示。

表1 場地地層劃分及其物理力學性質表

1.3 堆山工程引起的工程地質問題

天津地區(qū)土質較軟，在此軟土上堆山最為顯著的地基問題有兩個方面：一是地基土的豎向變形;二是由于地基土剪切破壞而產生的地基土的側向變形。對于堆山工程來講，側向變形的影響較大，因為側向變形會對周邊的道路、管線、地鐵沿線、地鐵站等產生明顯的擠壓效應，進而對其產生破壞。

2 計算模型

FLAC3D是美國ITSCA公司開發(fā)的一種應用于巖土工程的大型有限差分軟件，它能直觀顯示巖土材料在各個應力狀態(tài)下的變形情況[7]。

本文選擇目前最通用的Mohr-Coulomb彈塑性模型，它特別適用那些在剪應力下屈服，并且剪應力的大小只取決于最大主應力和最小主應力，而與第二主應力沒有關系的材料，巖土體正是這樣的材料。另外，通過對二維模型進行試算，表明Mohr-Coulomb本構模型與修正劍橋模型在計算精度上均能滿足本次穩(wěn)定性分析要求，但修正劍橋模型計算參數(shù)往往很難通過試驗確定，且對于復雜的大型三維計算模型來說，采用修正劍橋模型計算耗時長，計算難以收斂，而Mohr-Coulomb模型不存在這些問題。另一方面，在數(shù)值模擬中，參數(shù)選用的正確與否，直接關系到結果的準確性，而Mohr-Coulomb彈塑性模型所需參數(shù)較少，且均能通過試驗得到真實準確的參數(shù)[8-9]。

本次擬建工程場地周圍環(huán)境極為復雜，在確定數(shù)值計算模型時，應考慮堆山對周圍環(huán)境影響。根據(jù)以往工程經驗并結合擬建場地周圍環(huán)境，確定本次數(shù)值模型東西向長度為2000 m，南北向長度為1300 m，并將京津城際鐵路、地鐵5號線等周圍重要的建(構)筑物包含在內，保證計算模型滿足堆山過程對周圍環(huán)境影響分析的需要。

為使數(shù)值模型能夠反映實際的地層情況，本次建模時根據(jù)地層成因年代和物理力學性質將地基土劃分為9層，三維數(shù)值模型土層分布情況如圖1所示。

圖1 三維數(shù)值模型圖

本次數(shù)值模擬分析的本構模型采用摩爾-庫倫彈塑性模型，摩爾-庫倫模型材料參數(shù)包括彈性模量、泊松比、黏聚力、內摩擦角。各土層材料參數(shù)根據(jù)室內土工試驗并結合工程經驗綜合確定，各項參數(shù)取值如表1所示。

3 計算結果

3.1 數(shù)值模擬分析

為使計算結果能清晰表述，數(shù)值計算中布置如圖2所示，共58個測點，通過這些測點采集相關參數(shù)進而繪制相關曲線。

圖2 地基土變形監(jiān)測（線）點位置示意圖

本次數(shù)值模擬分析中，通過對填土進行分層填筑實現(xiàn)對實際施工過程的模擬，荷載每步堆載5 m高度的土體，荷載是隨著時間線性加載的。

同時為滿足計算精度和節(jié)省計算時間的需要，本次模擬定義了10分析步模擬分級加載時地基土變形過程，其中一個分析步用來計算初始地應力，初始應力云圖見圖3;9個分析步用來模擬實際施工加載過程。其模擬流程大致可分為以下幾個階段。

1)三維建模：包括地基土分層建模、堆山山體實體建模、三維模型網格劃分;

2)設置初始條件：包括材料參數(shù)賦值、定義分析步、定義荷載及邊界條件;

3)數(shù)值計算：通過逐級激活單元網格，進行加載運算;

4)結果分析：進入后處理模塊，輸出等值線云圖、矢量圖、曲線圖等，通過對比分析給出相應的結論和建議。

圖3 初始應力云圖

3.2 堆山填筑完成時豎向位移

填筑高度達到45.0 m(填筑完成)時，地基土豎向位移云圖如圖4—圖7所示。

圖4 填筑45.0 m時地表豎向位移云圖（平面）

通過以上云圖可以知道，山體堆土完成時，高45 m山體中心地表處沉降可達280.0 cm，一般山體地表處沉降可達100.0～200.0 cm左右，地基土整體沉降較大。

圖5 填筑45.0 m時地基土豎向位移云圖（剖面）

圖6 填筑完成時地基土豎向位移曲線圖（監(jiān)測點D15-D21）

圖7 填筑完成時地基土豎向位移曲線圖（監(jiān)測點D22-D40）

在填土荷載作用下，地基土豎向變形呈逐漸增大趨勢，并且堆體主峰對應的下部地基土沉降值最大，其最大值為280 cm左右，沉降值隨著堆體高度的減小呈遞減趨勢，這反映了在不同荷載條件下地基的沉降變化，特別是差異沉降;地基土的變形主要發(fā)生淺層地基土范圍內，由此可知上部土體的強度直接影響地基土的穩(wěn)定性，工程經驗表明，增強上部土體的強度可以到達有效控制豎向變形的作用。

分析監(jiān)測點豎向變形曲線可知，山體范圍以外的地基土豎向變形以隆起為主，數(shù)值分析表明，地基土隆起最大值發(fā)生在山體最大高度兩側，并且與山體走向正交，且地基土隆起在山體形態(tài)彎折處最為突出。

3.3 堆山填筑完成時地基土側向位移

3.3.1 地基土側向位移云圖

填筑高度達到45.0 m(填筑完成)時，地基土表層及各深度范圍內側向位移云圖如圖8—圖12所示。

圖8 填筑45.0 m時地基土地表側移云圖（平面）

圖9 填筑45.0 m時地基土地表側移云圖（剖面）

圖10 填筑45.0 m時地基土（地表下10 m處）側移云圖（剖面）

圖11 填筑45.0 m時地基土（地表下25 m處）側移云圖（剖面）

3.3.2 地基土側向位移曲線

填筑高度達到45.0 m(填筑完成)時，典型監(jiān)測點處地基土各深度范圍內側向位移曲線如圖13—圖16所示。

圖12 填筑45.0 m時地基土（地表下45 m處）側移云圖（剖面）

圖13 填筑完成時地基土沿深度方向側向位移曲線圖（D11點處）

圖14 填筑完成時地基土沿深度方向側向位移曲線圖（D16點處）

數(shù)值計算表明，在填土荷載作用下，地基土側向變形主要發(fā)生在填土邊緣以下地基土深度范圍內，而且隨著深度的增加，呈現(xiàn)拱形變化，即先從地表向下逐漸增大，達到一定深度后又逐漸減小，而且隨著填土荷載的不斷增加，地基土側向位移逐漸向周圍擴散且變形也越來越大，對周圍建筑物形成擠壓作用。

地基土側向位移最大值一般發(fā)生在地表下一定深度范圍內，其中在鐵東路及淮東路附近其最大側向位移值位于地表下15～20.0 m深度范圍內，最大值約為16.5 cm，特別應該注意的是，地鐵5號線區(qū)間隧道埋深一般為15 m左右，因此若采用天然地基條件下進行堆山，地基土的側向位移將對周邊地鐵線造成嚴重影響。

圖15 填筑完成時地基土沿深度方向側向位移曲線圖（D52點處）

圖16 填筑完成時地基土沿深度方向側向位移曲線圖（D39點處）

4 結論

1)地基土的沉降變形主要發(fā)生淺層地基土范圍內，上部土體的強度直接影響地基土的穩(wěn)定性，增強上部土體的強度可以達到有效控制豎向變形的作用。

2)地基土側向位移最大值一般發(fā)生在地表下一定深度范圍內，側向變形對周邊建筑物的穩(wěn)定性有較大影響，因此在實際施工過程中產生的側向變形，應嚴格控制在紅線范圍內，這也說明對地基土側向位移的影響范圍和影響程度的控制，是關系到本次堆山成敗的一個決定性因素。

3)本文討論了FLAC3D在大型堆山工程中的具體應用，一方面突出了數(shù)值分析在復雜工程條件下的優(yōu)勢，另一方面為軟土地區(qū)堆山造景產生的工程地質問題進行初步分析，其結果對工程實踐具有深遠的指導意義。