人工山體堆筑地基變形現場試驗研究

張 偉，周莉莉，李 濤

(1.北京澤通水務建設有限公司，北京 101107； 2.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083)

0 引言

隨著我國經濟的發展，越來越多的人工堆山被應用到城鎮化進程中來。但是人工堆山的山體體積大，高度高，荷載面積較大，堆山產生的沉降變形較大，且沉降持續時間較長，過大的沉降變形會影響山體的穩定，因此合理評估和分析堆山的沉降變形對重大的工程建設具有重要意義[1-2]。

人工堆山的不斷建造，也吸引了大量學者對人工堆山的穩定性和變形進行了大量研究。劉宏等[3-4]通過分析九寨黃龍機場高填方地基沉降的原位監測結果，得出只有對數模型能較真實地反映填方地基沉降變形的規律，且表明沉降主要發生在施工期間，施工后沉降不到總沉降的10%。張國龍等[5]對高填方地基變形進行了監測，對不同的地基采取不同的加固方式來減少地基的沉降量。韋智[6-7]等通過對人工堆山的監測和沉降量分析，說明在人工堆山過程中要實時進行監測，以控制施工速度和改變施工方法，使變形監測在允許范圍之內；張少華[8]在基礎性力學實驗的基礎上，重點對人工填土的最優含水量、最大干密度等物理力學性質進行了分析，從工程地質條件、山體布局等方面系統分析了堆山方案的選擇，借助FLAC3D模擬軟件對山體變形進行模擬，結合監測數據對山體穩定性給出了較為全面的評價方法。袁瑞祥等[9]根據工程經驗分析了在堆土工程施工期間，因為堆土荷載的增加會致使土壓力增大，若堆土速度過快會使孔隙水壓力來不及消散，土體抗剪強度不足而引起剪切破壞，會造成山體沉降或者差異沉降量增大，地基發生水平位移。

本文依托綜合治理工程中通州區南山和北山的堆積過程，分別對其設置監測點對地面水平位移、地面沉降、深層土體水平位移進行監測分析。該研究成果為人工堆山設計提供了重要參考，對以后的人工堆山工程具有重要的借鑒意義[10]。

1 工程簡介

1.1 工程概況

北運河綜合治理工程中，北京通州區在胡郎路附近北運河河彎處，疏浚河道產生了700多萬立方米廢土，在南岸和北岸各堆砌一座山，分別為北山和南山，正在進行綠化種植。其中南岸是30 m高山，北岸是37 m高山，北山將會有一個桃花谷，在南山主要是栽種北京傳統的海棠、連翹等植物。

根據地質勘查報告分析，在鉆孔深度20 m內觀測到兩層地下水，第一層地下水類型為潛水，水位埋深為3.80 m～3.90 m，水位標高為12.45 m～12.61 m；第二層地下水類型為微承壓水，水頭距地面高度為10.00 m，水頭標高為6.35 m。

1.2 工程地質概況

根據地質勘查報告，其表層為人工填土，褐黃色，稍濕～濕，松散～稍密為主，局部中密。成分以黏質粉土為主，含磚渣、灰渣、植物根系等。其余部分主要由第四系全新統沖積地層和上更新統沖積地層組成，第四系全新統沖擊層主要包括粉細砂，褐黃色，濕～飽和，松散～稍密為主，局部中密；細砂，灰色為主，飽和，中密～密實。上更新統沖擊層主要包括粉質黏土，灰黃～灰色，很濕，可塑，中壓縮性～中低壓縮性土。

2 山體變形監測

2.1 監測目的

在堆山過程中由于荷載的不斷增加，致使土體內產生孔隙水壓力，如果堆載速率過快的情況下，孔隙水壓力不能及時消散，土體固結不充分的話容易致使強度不能相應增長，可能會產生抗剪強度不足而引起的剪切破壞，主要表現為山體土體沉降量及沉降差異增大，地基土發生水平方向滑移、山體周邊自然地面隆起等現象。為了掌握山體的變形情況，需要對山體的沉降進行及時的監測，以便對施工速度進行合理的調整，實現堆山的信息化管理。

2.2 監測布置圖

為了避免過大的沉降使地基產生剪切破壞以及施工過程中對周圍環境造成擾動等影響，保證施工的安全。分別在山體表面和山體周邊布置變形監測點在施工過程中進行實時監測。如圖1所示，在南山山體布置D16～D19和周邊布置D11～D15等9個監測點，監測地面水平位移以及豎向沉降，其數據可以更直接反映山體變形情況，并且在周邊布置S11～S15等5個監測點，用于測量深層土體水平位移，及時掌握山體地面以下土體變形情況[11-17]。

如圖2所示，在北山山體布置D6～D10和周邊布置D1～D5等10個監測點，測量地面水平位移以及豎向沉降，其數據可以更直接反映山體變形情況，并且在周邊布置S1～S5等5個監測點，用于測量深層土體水平位移，及時掌握山體地面以下土體變形情況。

3 監測結果分析

3.1 山體地面沉降監測數據分析

如圖3所示為南山山體地面沉降變形曲線，對變形監測點D11，D12，D16，D17的沉降數據進行分析，由圖3可知，在堆山的初始階段，由于上部荷載的持續增加且加載速度過快，地面發生較大沉降，隨著堆山的持續進行，雖然堆山速率減慢，但是由于總的荷載的增加，過大的沉降使土體結構得不到恢復，仍然加劇了地基的沉降。在整個堆山過程中，地表最大累計沉降量為16 mm，位于D12監測點處。且D12在初始階段沉降變形速率最大，D11沉降變形速率最小，且在最后施工完成階段，由于荷載不再繼續堆加出現微小的向上反彈現象。

圖4為北山山體地面沉降變形曲線，對變形監測點D2,D3,D4,D6-2等的沉降數據進行分析，由圖4可知，隨著堆山的進行，地基的沉降變形規律和北山大概相似。在整個堆山過程中，地面的最大沉降量為D7-3位置處，沉降量為21.1 mm，隨著堆山的進行，地面整體呈現下降趨勢，觀測點D6-3,D7-3沉降速率最大，D2隨著堆山的進行由于堆土的擠壓效應出現反彈的趨勢，最大反彈量為12.1 mm。

3.2 山體地面水平位移監測數據分析

圖5為南山地面水平位移變形圖，D11,D12負表示向西側位移，正表示向東側位移，D16,D17負表示向南側位移，正表示向北側位移。由圖5可知，隨著堆載的增加，各個監測點都呈現出不同程度偏移的趨勢，D11向西側最終偏移量為0.4 mm，D12向東側最終偏移量1.3 mm，D16向南側最大偏移量為10.1 mm，D17向南側最大偏移量為6.5 mm。在初始堆載階段，由于施工速度的加快，荷載的持續增加，各監測點在堆土荷載的沖擊下向山體內部偏移速率較大，隨著荷載的增加，偏移速率逐漸變慢，在堆載的最后階段，由于較大荷載的堆積，各監測點又發生較大偏移，最后趨于穩定狀態。

圖6為北山地面水平位移變形圖，根據正負所表示的向東西南北方向的位移顯示北山各個監測點在堆山過程中，隨著堆載過程的進行總體呈現出向山體外平移的趨勢，土層地面水平位移累計最大為向山體外位移23.4 mm，位于D6-1監測點處。由圖6可知，各個監測點向山體外偏移的距離隨著荷載的增加而增加，在堆載的初始階段由于荷載的持續增加和加載速率較快，地面水平位移變化速率較大，在最后山體逐漸趨向穩定階段，山體向外偏移的速率也逐漸減小。

3.3 深層土體水平位移監測數據分析

相對于深層土體水平位移而言，在堆山填土階段，累計變化量和變化速率的報警值分別為28 mm和4 mm/d；由圖可知，南山和北山在堆山過程中累計變化量和變化速率都在報警值之內。對于南山而言，我們選取S11號點和S12號點進行深層土體水平位移分析，S11號和S12號是位于南山東面邊緣處兩個監測點，在堆山過程中，對其深層土體水平位移進行監測。如圖7所示，隨著深度的增加，由于較淺地層的土質為粉質黏土，地基內的土層發生較大的側向位移，較深地層的土層巖性較大，在地基的較深處，地基內的土層側向位移逐漸減小。由于堆土的增加，S11號主要向西側，即靠近山體方向位移，S11號向西側位移最大變化量發生在深度6 m處，變化量為1.35 mm，S11號隨著深度的增加，土體的位移由開始的向西側位移逐漸轉化為向東側位移，但位移量較小；S12號主要向東側，即遠離山體方向位移，S12號向東側位移變化量最大是位于地下2.5 m處，最大偏移量為1.41 mm。S12號隨著深度的增加，土體的位移由東向西側變化。變化量總體來說較小，并且處在安全變化范圍內。

對于北山而言，我們選取S1號，S2號和S3號點進行深層土體水平位移分析，S1號，S2號，S3號分別布置于北山的東側邊緣，如圖8所示，隨著深度的增加，S1號，S2號，S3號的側向位移隨著土層巖性的變化由大到小，S1號的側向位移由東向西變化，S1號的最大側向偏移位移量為位于地下土層1.5 m深度時向東側偏移1.13 mm，S2號隨著深度的增加不均勻的向西向東兩側有微小的位移，S3號整體向西側偏移，最大側移量發生在地下深度1 m處，且最大位移量為2.13 mm。但最終變化量總體來說保持在相對穩定的狀態范圍內，未達到報警值。

4 結論

本文通過詳細分析了南山和北山地面水平位移、地面沉降和深層土體水平位移，綜合評估了堆山工程在施工階段的沉降變化特征，主要結論如下：

1)在山體堆筑過程中，隨著堆筑高度的增加，山體的沉降量也隨之增大，在山體堆筑的前兩個月時間內，山體的沉降速率較快，隨后呈現收斂趨勢。

2)山體堆筑過程是對地基施加荷載的過程，堆填方法和加荷載的速率是影響地基穩定的主要因素。堆山沉降過程中產生的沉降較大，但是沉降累計變化量和沉降變化速率都在報警值之內，堆山過程處在相對安全階段。

3)隨著堆載的施加，山體地面水平位移和深層土體水平位移有整體向山體外側平移的趨勢，但位移變化量和位移變化速率都在報警值之內，可以判斷地基是相對穩定的。

4)通過在山體上布置沉降變形和水平位移變形監測點，實現實時監測數據反饋以調整施工方案及進度，是保證建筑工程施工安全性非常有效的手段。