山区特殊地质条件下岩质边坡地基沉降规律研究

李自林，张 超

(天津城建大学 a. 土木工程学院；b. 天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384)

地质与测绘

山区特殊地质条件下岩质边坡地基沉降规律研究

李自林a,b，张 超a,b

(天津城建大学 a. 土木工程学院；b. 天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384)

以天津蓟县某工程住宅楼为研究对象，利用ABAQUS建立了岩质边坡地基-箱基-上部结构整体三维实体模型，研究其在不同荷载工况、岩体性质下台阶形箱基的沉降规律．结果表明：不同荷载工况作用对各阶岩质边坡地基的沉降影响很小，可以忽略不计．结合天津蓟县山区特殊地质条件下的岩层分布情况，经过实地勘察分析，得到在不同岩层倾角下的岩质边坡地基沉降规律，分析结果与实测数据基本吻合．

岩质边坡；沉降；共同作用；数值模拟

地基不均匀沉降是引发工程事故的重要原因之一[1]，它不仅影响上部结构的正常使用，而且还会使其产生附加应力，从而导致建筑物发生倾斜，甚至破坏．因此，防止地基不均匀沉降已经成为土木工程领域中的热点问题之一，其中对于岩质边坡地基不均匀沉降的研究更是重中之重．我国幅员辽阔、地势复杂，像山城重庆、天津蓟县等多以山地为主，边坡稳定性问题尤为突出．由于边坡是天然形成的，自然稳定，在其上建造建筑物就相当于人为地施加坡顶荷载，对边坡周围的环境造成了一定的破坏，结果导致边坡地基不均匀沉降等现象时有发生．

国内学者对于边坡失稳问题的研究屡见不鲜，但大多数都是建立二维模型，并在边坡上直接施加等效建筑荷载．这样做不仅不能真实反映出边坡场地环境与地质构造的复杂性，而且忽视了上部结构刚度对地基不均匀沉降的影响[2]．近年来，重庆大学的颜昌武、邓安福等[3-4]根据重庆当地地势情况，考虑了岩质边坡地基、上部结构及基础的共同作用，利用自编程序对多台阶岩质边坡的稳定性进行了研究，取得较大进展．本文结合天津蓟县特殊边坡地质条件，考虑上部结构-基础-岩质边坡地基的共同作用，利用ABAQUS建立三维实体模型，分别对不同荷载工况、不同黏聚力等情况下的台阶形岩质边坡[5]地基沉降规律进行深入研究．

1 工程概况与分析

天津蓟县某多层住宅楼为6层框架结构，层高3,m，总高度18,m，长69,m，宽10,m．混凝土强度等级为C30，板厚为100,mm，梁截面尺寸为200 ,mm×400,mm，柱截面尺寸500,mm×500,mm．受蓟县当地地质条件的限制，建筑物建立在多台阶岩质边坡上，基础采用变高度箱形基础，混凝土强度等级为C40，上部结构、箱形基础与边坡地质构造如图1所示，边坡岩层土体材料参数见表1．

图1 上部结构、箱基础与岩质边坡地质构造示意

箱形基础具有刚度大、整体性强等优点[6]，常用于上部荷载大、地基软弱且分布不均的情况，能够有效地调整基础的不均匀沉降．本工程受场地地质条件的限制，要保证上部结构首层建立在同一水平±0.000标高上，就必须采用这种变高度箱形基础．由于各阶边坡上的箱形基础的埋置深度不同，使得在箱形基础变高度处容易产生不均匀沉降；又由于箱形基础面积大、受压层深，在上部荷载作用下，会使地基产生较大变形．因此，研究这种变高度箱形基础作用下的岩质边坡沉降问题具有重要意义．在基础作用范围内的各阶岩质边坡地基布置沉降观测点1-14，如图2所示．

图2 各阶岩质边坡沉降点布置

表1 岩质边坡岩土体材料参数

根据岩质边坡岩层材料参数及上部结构与地基基础的实际情况，利用ABAQUS建立三维有限元模型[7-11]，如图3所示．

图3 ABAQUS有限元模型

2 不同荷载工况对岩质边坡地基沉降的影响

对于岩质边坡地基沉降，除了上部结构自重的影响以外，实际上，在上部结构设计时针对不同的荷载工况也会对地基的沉降造成影响．根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[12]，对上部结构分别在承载能力极限状态下和正常使用极限状态下进行了八种荷载工况组合，见表2．针对这八种荷载组合工况，利用ABAQUS分别建立三维实体模型，得到在这八种荷载工况下各个沉降点的沉降量，见表3.

由表3可以看出，每个沉降点在不同荷载工况下的沉降最多只差±0.02,mm．其主要原因一方面是由于箱形基础本身刚度大、整体性强，对上部结构传递的荷载有足够的承载能力；另一方面是由蓟县山区特殊地质条件所决定的，上部建筑建立于岩质边坡地基，基岩中风化白云岩与强风化白云岩具有足够的承载能力，受到上部结构和箱基础的影响较小，稳定性较强．此外，将各沉降点分析结果与实测沉降量相比较，只差1,mm左右，说明该方法的分析结果与实测结果吻合较好．因此可以得出，不同荷载工况对岩质边坡地基沉降的影响很小，可以忽略不计．

表2 八种荷载组合工况

表3 不同荷载工况下各沉降点沉降量 mm

3 边坡岩体性质对地基沉降的影响

对山地建筑边坡工程而言，影响边坡地基沉降除了上部结构荷载、刚度等外部因素以外，还与边坡自身性质有关；而影响岩质边坡变形破坏的因素有很多，包括边坡高度、边坡岩体力学参数等．为了找出不同条件下岩质边坡变形破坏规律以及影响因素，通过对蓟县现场地质条件进行调研，利用数值模拟的方法分析泊松比μ、黏聚力c等不同条件下的岩质边坡地基沉降规律[13]．图4为现场地质条件概况，经过实地勘察的岩体性质指标见表4．各阶岩质边坡地基在不同泊松比、不同黏聚力作用下的沉降曲线见图5-6．

图4 现场地质概况

表4 岩层物理力学参数

由图5、图6可以得出：随着泊松比的不断增大，岩质边坡地基的沉降量逐渐减小；随着黏聚力的不断增大，岩质边坡的沉降量逐渐减小．另外，通过图5与图6进行对比可以发现，随着泊松比、黏聚力的不断变化，在不同黏聚力作用下的各阶岩质边坡地基沉降量的变化最大，且最为明显．这表明，在泊松比、黏聚力等诸多因素中，黏聚力对岩质边坡地基变形的影响最大．当黏聚力较小时，在第四阶岩质边坡地基的最大沉降量达到6.4,mm左右，各阶地基沉降差为1,mm左右．随着黏聚力的增大，各阶岩质边坡沉降虽逐渐减小，但是沉降差并未发生较大改变．因此，黏聚力对边坡地基的稳定性起着至关重要的作用．

图5 不同泊松比下各阶岩质边坡沉降曲线

图6 不同黏聚力作用下各阶岩质边坡沉降曲线

4 边坡岩体分布对地基沉降的影响

山地建筑建立于岩质边坡地基上，对于层状岩质边坡的稳定性及破坏方式，与边坡走向和岩层倾角有密切关系．随着岩层倾角的变化，岩质边坡稳定性受层面控制的程度也随之发生改变．因此在上部结构、基础共同作用下，岩质边坡地基的稳定性问题更为突出．对此，通过实地勘察，分析在实测岩层倾角分别为5.0°、6.8°、8.1°、10.0°下的地基沉降情况，如图7所示．

图7 不同岩层倾角下各阶岩质边坡沉降曲线

由图7可以看出：随着岩层倾角的不断增大，各阶岩质边坡地基的沉降也逐渐增加，且并未出现层间滑移等失稳现象．这主要是由实际场地地质条件所决定的．本工程以岩质边坡作为天然地基，该岩质边坡为厚层顺层岩质边坡，从岩层成分来看，第一层为强风化白云岩，第二层为中风化白云岩，均为硬质岩，且岩性单一，岩层结合较为良好，并未出现厚层硬质岩层置于软岩层之上的现象，稳定性较强．此外，随着岩层倾角的不断增大，在箱基础的作用范围内，下部强风化白云岩的岩层厚度也逐渐增加．由于上层强风化白云岩与下层中风化白云岩相比较软，而一般沉陷运动又是受较硬岩层的控制，因此在上层的强风化白云岩厚度增加的同时，下层的中风化白云岩的岩层厚度逐渐减小，对上层岩层的支托作用也逐渐减弱，致使在上部结构与箱基的共同作用下，各阶岩质边坡地基的沉降量逐渐增加．

5 结 论

(1)在不同荷载工况作用下，各阶岩质边坡沉降差最多在±0.02,mm左右，对边坡地基的影响很小，可以忽略不计．

(2)随着泊松比的不断增大，各阶岩质边坡地基的沉降逐渐减小；随着黏聚力的不断增大，各阶岩质边坡地基的沉降逐渐减小，并且黏聚力对于这种建筑岩质边坡地基沉降以及变形破坏的影响最大．

(3)随着岩层倾角的不断增大，各阶岩质边坡地基的沉降也逐渐增加，且并未出现层间滑移等失稳现象．

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The Research on Settlements of Rock Slope Foundation Under Special Geological Conditions of Mountain

LI Zi-lina,b，ZHANG Chaoa,b
(a. School of Civil Engineering；b. Tianjin Key Laboratory of Soft Soil Characteristics and Engineering Environment，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China)

Based on a residential building project in Jixian county of Tianjin,a 3D entity model of the rock slope foundation-box foundation-superstructure and infinite element boundary are established by using ABAQUS. This study explores its settlement rules under different load cases and rock properties. The result shows that the different load conditions make a little influence on the settlement of multi-step slope. Combined with the special geological conditions of rock distribution in Jixian county,field survey and FEM analysis identify the rock slope subgrade settlement rule under the different strata dip angle. The analysis result is consistent with the empirical data.

rock slope；settlement；interaction；numerical simulation

TU433

A

2095-719X(2015)02-0103-06

2014-07-04；

2014-11-10

天津市自然科学基金(13JCYBJC19600)；天津市市政公路管理局科技项目(2013-04)

李自林（1953—），男，河北成安人，天津城建大学教授，硕士．