人工山体堆筑地基变形现场试验研究

张 伟，周莉莉，李 涛

(1.北京泽通水务建设有限公司，北京 101107； 2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)

0 引言

随着我国经济的发展，越来越多的人工堆山被应用到城镇化进程中来。但是人工堆山的山体体积大，高度高，荷载面积较大，堆山产生的沉降变形较大，且沉降持续时间较长，过大的沉降变形会影响山体的稳定，因此合理评估和分析堆山的沉降变形对重大的工程建设具有重要意义[1-2]。

人工堆山的不断建造，也吸引了大量学者对人工堆山的稳定性和变形进行了大量研究。刘宏等[3-4]通过分析九寨黄龙机场高填方地基沉降的原位监测结果，得出只有对数模型能较真实地反映填方地基沉降变形的规律，且表明沉降主要发生在施工期间，施工后沉降不到总沉降的10%。张国龙等[5]对高填方地基变形进行了监测，对不同的地基采取不同的加固方式来减少地基的沉降量。韦智[6-7]等通过对人工堆山的监测和沉降量分析，说明在人工堆山过程中要实时进行监测，以控制施工速度和改变施工方法，使变形监测在允许范围之内；张少华[8]在基础性力学实验的基础上，重点对人工填土的最优含水量、最大干密度等物理力学性质进行了分析，从工程地质条件、山体布局等方面系统分析了堆山方案的选择，借助FLAC3D模拟软件对山体变形进行模拟，结合监测数据对山体稳定性给出了较为全面的评价方法。袁瑞祥等[9]根据工程经验分析了在堆土工程施工期间，因为堆土荷载的增加会致使土压力增大，若堆土速度过快会使孔隙水压力来不及消散，土体抗剪强度不足而引起剪切破坏，会造成山体沉降或者差异沉降量增大，地基发生水平位移。

本文依托综合治理工程中通州区南山和北山的堆积过程，分别对其设置监测点对地面水平位移、地面沉降、深层土体水平位移进行监测分析。该研究成果为人工堆山设计提供了重要参考，对以后的人工堆山工程具有重要的借鉴意义[10]。

1 工程简介

1.1 工程概况

北运河综合治理工程中，北京通州区在胡郎路附近北运河河弯处，疏浚河道产生了700多万立方米废土，在南岸和北岸各堆砌一座山，分别为北山和南山，正在进行绿化种植。其中南岸是30 m高山，北岸是37 m高山，北山将会有一个桃花谷，在南山主要是栽种北京传统的海棠、连翘等植物。

根据地质勘查报告分析，在钻孔深度20 m内观测到两层地下水，第一层地下水类型为潜水，水位埋深为3.80 m～3.90 m，水位标高为12.45 m～12.61 m；第二层地下水类型为微承压水，水头距地面高度为10.00 m，水头标高为6.35 m。

1.2 工程地质概况

根据地质勘查报告，其表层为人工填土，褐黄色，稍湿～湿，松散～稍密为主，局部中密。成分以黏质粉土为主，含砖渣、灰渣、植物根系等。其余部分主要由第四系全新统冲积地层和上更新统冲积地层组成，第四系全新统冲击层主要包括粉细砂，褐黄色，湿～饱和，松散～稍密为主，局部中密；细砂，灰色为主，饱和，中密～密实。上更新统冲击层主要包括粉质黏土，灰黄～灰色，很湿，可塑，中压缩性～中低压缩性土。

2 山体变形监测

2.1 监测目的

在堆山过程中由于荷载的不断增加，致使土体内产生孔隙水压力，如果堆载速率过快的情况下，孔隙水压力不能及时消散，土体固结不充分的话容易致使强度不能相应增长，可能会产生抗剪强度不足而引起的剪切破坏，主要表现为山体土体沉降量及沉降差异增大，地基土发生水平方向滑移、山体周边自然地面隆起等现象。为了掌握山体的变形情况，需要对山体的沉降进行及时的监测，以便对施工速度进行合理的调整，实现堆山的信息化管理。

2.2 监测布置图

为了避免过大的沉降使地基产生剪切破坏以及施工过程中对周围环境造成扰动等影响，保证施工的安全。分别在山体表面和山体周边布置变形监测点在施工过程中进行实时监测。如图1所示，在南山山体布置D16～D19和周边布置D11～D15等9个监测点，监测地面水平位移以及竖向沉降，其数据可以更直接反映山体变形情况，并且在周边布置S11～S15等5个监测点，用于测量深层土体水平位移，及时掌握山体地面以下土体变形情况[11-17]。

如图2所示，在北山山体布置D6～D10和周边布置D1～D5等10个监测点，测量地面水平位移以及竖向沉降，其数据可以更直接反映山体变形情况，并且在周边布置S1～S5等5个监测点，用于测量深层土体水平位移，及时掌握山体地面以下土体变形情况。

3 监测结果分析

3.1 山体地面沉降监测数据分析

如图3所示为南山山体地面沉降变形曲线，对变形监测点D11，D12，D16，D17的沉降数据进行分析，由图3可知，在堆山的初始阶段，由于上部荷载的持续增加且加载速度过快，地面发生较大沉降，随着堆山的持续进行，虽然堆山速率减慢，但是由于总的荷载的增加，过大的沉降使土体结构得不到恢复，仍然加剧了地基的沉降。在整个堆山过程中，地表最大累计沉降量为16 mm，位于D12监测点处。且D12在初始阶段沉降变形速率最大，D11沉降变形速率最小，且在最后施工完成阶段，由于荷载不再继续堆加出现微小的向上反弹现象。

图4为北山山体地面沉降变形曲线，对变形监测点D2,D3,D4,D6-2等的沉降数据进行分析，由图4可知，随着堆山的进行，地基的沉降变形规律和北山大概相似。在整个堆山过程中，地面的最大沉降量为D7-3位置处，沉降量为21.1 mm，随着堆山的进行，地面整体呈现下降趋势，观测点D6-3,D7-3沉降速率最大，D2随着堆山的进行由于堆土的挤压效应出现反弹的趋势，最大反弹量为12.1 mm。

3.2 山体地面水平位移监测数据分析

图5为南山地面水平位移变形图，D11,D12负表示向西侧位移，正表示向东侧位移，D16,D17负表示向南侧位移，正表示向北侧位移。由图5可知，随着堆载的增加，各个监测点都呈现出不同程度偏移的趋势，D11向西侧最终偏移量为0.4 mm，D12向东侧最终偏移量1.3 mm，D16向南侧最大偏移量为10.1 mm，D17向南侧最大偏移量为6.5 mm。在初始堆载阶段，由于施工速度的加快，荷载的持续增加，各监测点在堆土荷载的冲击下向山体内部偏移速率较大，随着荷载的增加，偏移速率逐渐变慢，在堆载的最后阶段，由于较大荷载的堆积，各监测点又发生较大偏移，最后趋于稳定状态。

图6为北山地面水平位移变形图，根据正负所表示的向东西南北方向的位移显示北山各个监测点在堆山过程中，随着堆载过程的进行总体呈现出向山体外平移的趋势，土层地面水平位移累计最大为向山体外位移23.4 mm，位于D6-1监测点处。由图6可知，各个监测点向山体外偏移的距离随着荷载的增加而增加，在堆载的初始阶段由于荷载的持续增加和加载速率较快，地面水平位移变化速率较大，在最后山体逐渐趋向稳定阶段，山体向外偏移的速率也逐渐减小。

3.3 深层土体水平位移监测数据分析

相对于深层土体水平位移而言，在堆山填土阶段，累计变化量和变化速率的报警值分别为28 mm和4 mm/d；由图可知，南山和北山在堆山过程中累计变化量和变化速率都在报警值之内。对于南山而言，我们选取S11号点和S12号点进行深层土体水平位移分析，S11号和S12号是位于南山东面边缘处两个监测点，在堆山过程中，对其深层土体水平位移进行监测。如图7所示，随着深度的增加，由于较浅地层的土质为粉质黏土，地基内的土层发生较大的侧向位移，较深地层的土层岩性较大，在地基的较深处，地基内的土层侧向位移逐渐减小。由于堆土的增加，S11号主要向西侧，即靠近山体方向位移，S11号向西侧位移最大变化量发生在深度6 m处，变化量为1.35 mm，S11号随着深度的增加，土体的位移由开始的向西侧位移逐渐转化为向东侧位移，但位移量较小；S12号主要向东侧，即远离山体方向位移，S12号向东侧位移变化量最大是位于地下2.5 m处，最大偏移量为1.41 mm。S12号随着深度的增加，土体的位移由东向西侧变化。变化量总体来说较小，并且处在安全变化范围内。

对于北山而言，我们选取S1号，S2号和S3号点进行深层土体水平位移分析，S1号，S2号，S3号分别布置于北山的东侧边缘，如图8所示，随着深度的增加，S1号，S2号，S3号的侧向位移随着土层岩性的变化由大到小，S1号的侧向位移由东向西变化，S1号的最大侧向偏移位移量为位于地下土层1.5 m深度时向东侧偏移1.13 mm，S2号随着深度的增加不均匀的向西向东两侧有微小的位移，S3号整体向西侧偏移，最大侧移量发生在地下深度1 m处，且最大位移量为2.13 mm。但最终变化量总体来说保持在相对稳定的状态范围内，未达到报警值。

4 结论

本文通过详细分析了南山和北山地面水平位移、地面沉降和深层土体水平位移，综合评估了堆山工程在施工阶段的沉降变化特征，主要结论如下：

1)在山体堆筑过程中，随着堆筑高度的增加，山体的沉降量也随之增大，在山体堆筑的前两个月时间内，山体的沉降速率较快，随后呈现收敛趋势。

2)山体堆筑过程是对地基施加荷载的过程，堆填方法和加荷载的速率是影响地基稳定的主要因素。堆山沉降过程中产生的沉降较大，但是沉降累计变化量和沉降变化速率都在报警值之内，堆山过程处在相对安全阶段。

3)随着堆载的施加，山体地面水平位移和深层土体水平位移有整体向山体外侧平移的趋势，但位移变化量和位移变化速率都在报警值之内，可以判断地基是相对稳定的。

4)通过在山体上布置沉降变形和水平位移变形监测点，实现实时监测数据反馈以调整施工方案及进度，是保证建筑工程施工安全性非常有效的手段。