利用Geostudio進行場地地基穩(wěn)定性評價

基于詳細的巖土工程勘察資料，利用有限元軟件Geostudio對擬建楚雄經開區(qū)古鎮(zhèn)小學兩棟教學樓地基進行了穩(wěn)定性評價，得出結論：（1）場地分布的素填土、全風化泥巖層、全風化泥灰?guī)r層易在上部附加荷載的作用下發(fā)生剪切破壞，不宜作為建筑地基持力層，需作換填處理；（2）場地地震設防烈度高，但場地無軟土、粉土和砂土分布，不必考慮地震液化和軟土震陷的影響，場地存在的既有邊坡在地震作用下穩(wěn)定，不會影響場地整體安全。

Geostudio； 巖土工程勘察； 場地地基； 穩(wěn)定性評價

TU433A

［定稿日期］2023-02-13

［作者簡介］彭鑫宇（1996—），男，本科，助理工程師，研究方向為地質與巖土工程;楊遠翔（1995—），男，博士，助理工程師，研究方向為工程地質學與巖土工程。

［通信作者］王文斌（1982—），男，碩士，高級工程師，研究方向為巖土工程與地質災害防治工程。

0 引言

場地地基穩(wěn)定性問題嚴重威脅著上部結構安全。地基差異沉降、擠壓剪出等變形破壞將導致上部結構開裂、傾斜、屈曲，甚至傾倒［1-2］。場地地基穩(wěn)定性評價是風險防控的重要手段。Fkotte首次提出散體極限平衡方程，為地基巖土穩(wěn)定性分析奠定初步理論基礎，自Reissenr［3］、Terzaghik［4］、Meyerhof ［5］、Hansen［6］、Vesic［7］、DW Taylor［8］等進一步深入研究極限平衡理論，并建立多種地基穩(wěn)定性理論方法。張永生等［9］采用彈塑形大變形有限元方法研究了水閘地基整體穩(wěn)定性并提出非線性方程組線性化理論方法。李培現(xiàn)等［10］利用FLAC 3D研究了采空區(qū)地基穩(wěn)定性。楊德智等［11］利用ANSYS研究了采空區(qū)地基穩(wěn)定性。李玲利［12］利用模糊綜合法研究了湖南小墨核電站地基穩(wěn)定性。許道軍［13］以模糊綜合法為基礎，利用GOCAD構建三維評價模型開展地基穩(wěn)定性評價。何偉［14］以灰色關聯(lián)法為基礎，利用FLAC 3D構建三維評價模型開展貴州盤縣機場地基穩(wěn)定性評價，并提出了治理措施。相較于極限平衡理論，有限元數(shù)值模擬無需事先假定破壞面形狀與位置，無需引入假定條件，可提供應力變形全部信息［15］。本文利用有限元軟件Geostudio，基于巖土工程勘察資料，對擬建楚雄經開區(qū)古鎮(zhèn)小學兩棟教學樓地基進行了穩(wěn)定性評價，提出了工程處置措施。

1 工程項目概況

隨著教育規(guī)模擴大和實驗設備擴增，原楚雄經開區(qū)上章小學教學樓需求已無法滿足，楚雄經開區(qū)建設管理局擬在小學原校址新建楚雄經開區(qū)古鎮(zhèn)小學，以提高教學質量，更好服務周邊社區(qū)、城鄉(xiāng)教育事業(yè)。新建古鎮(zhèn)小學擬建一期建筑為主A、輔B 兩幢教學樓，擬建教學樓群規(guī)劃占地42 615 m2，建筑總面積1 596.3 m2，其中主A教學樓（4層）占地面積849.59 m2，輔B教學樓（4層）占地面積746.68 m2（圖1）。

2 地質環(huán)境條件

2.1 地理位置及周邊建筑

場區(qū)位于楚雄經開區(qū)東瓜鎮(zhèn)原上章小學校內，且與外圍有擋墻相隔，周邊植被發(fā)育一般。場區(qū)東側、東南側為上章新居居民樓群，西側、西南側為部分村莊及耕地，北側為原上章小學體育場地，外圍為部分村莊及耕地。東瓜大溝沿原上章小學東側、南側擋墻外圍呈半包圍狀流過，如圖1、圖2所示。場區(qū)內無地下埋藏管線，高空輸電線及地面輸水管道被拆除，場區(qū)內原教學建筑部分被拆除。

2.2 地形及地貌特征

場區(qū)位于楚雄向斜盆地西部，屬構造剝蝕地中山緩丘地貌，原上章小學建設活動嚴重破壞了場區(qū)原始地形地貌，場區(qū)整體地形平緩。場區(qū)北側外圍為山間溝谷，稍緩；東側、南側為東瓜大溝右岸人工陡坎，高約8～15 m，坡面發(fā)育雜草灌木，溝岸為混凝土澆筑；場區(qū)西側的村莊及耕地對原始地形破壞較輕，為山頂渾圓殘丘地帶，地勢北高南地，坡度多為5°～25°。勘探點平面位置圖中反映的為原始地形，場區(qū)內地形已修正。

2.3 工程地質與水文地質

場區(qū)位于楚雄向斜東翼。楚雄向斜軸向325°～335°，東翼傾角25°～38°，地層巖性為白堊系上統(tǒng)江底組（K2j）第一段泥巖、泥灰?guī)r、砂巖。受構造擠壓及風化作用影響，場區(qū)發(fā)育兩組節(jié)理，J1產狀115°～125°∠80°，開口寬度1～2 mm，延伸長度1.5～2.0 m，節(jié)理密度1～2條/m，節(jié)理面光滑，鈣質充填；J2產狀40°～57°∠58°，開口寬度1～2 mm，延伸長度1 m左右，節(jié)理密度5～6 條/m，裂隙面光滑，鈣質充填。場區(qū)經人工平整，無地表徑流或蓄水。地下水主要為賦存于白堊系上統(tǒng)江底組地層中的基巖裂隙水，富水性一般，經各鉆孔48 h穩(wěn)定水位觀測，穩(wěn)定水位埋深8.8～15.7 m；受降雨影響，旱、雨季地下水位變動幅度1～3 m。根據(jù)GB 50011-2010《建筑抗震設計規(guī)范》，場區(qū)抗震設防烈度為7度，設計地震加速度值為0.15g，建筑抗震設防類別為重點設防。

3 巖土工程勘察

3.1 勘察手段及點線布設

根據(jù)擬建工程項目特點，結合場區(qū)地質環(huán)境條件，決定采用地質調繪、工程測量、地質鉆探、標準貫入試驗、重型圓錐動力觸探、波速測試、巖土水樣采集與室內測試分析等綜合勘察手段進行，勘探孔主要沿擬建教學樓周邊輪廓線、角點及中心點布置，共布置勘探孔36個，其中控制孔17個，設計孔深20～25 m，一般孔19個，設計孔深18～20 m；波速測試孔2個；實測地質剖面A-A’、 B-B’、 C-C’ 3條，如圖3所示。

3.2 場區(qū)巖土層結構組成

根據(jù)勘察鉆孔揭露，場區(qū)地表為第四系全新統(tǒng)素填土層（Q4ml），一般厚度小于5 m，下部為白堊系上統(tǒng)江底河組（K2j）地層，厚度較大，巖性主要為泥巖、泥灰?guī)r、砂巖，鉆孔揭露至中風化層，巖層產狀為225°∠25°，場區(qū)南側局部產狀變化為193°～196°∠36°。

主A教學樓典型實測地質剖面15—15’如圖4所示，由ZK25、ZK26、ZK27、ZK28、ZK29、ZK30組成，鉆孔共揭示第四系素填土①、全風化泥巖②、全風化泥灰?guī)r②1、全風化砂巖②2、強風化泥巖③、強風化泥灰?guī)r③1、中風化泥巖④、中風化泥灰?guī)r④1、中風化砂巖④2 9個工程地質巖組。設計室內場坪標高1 798.80 m；素填土①頂板高程1 802.93 m，底板埋深0～3.20 m；全風化泥巖②頂板高程1 803.43 m，底板埋深0～1.55 m；全風化泥灰?guī)r②1頂板高程1 801.88～1 803.16 m，底板埋深0～2.30 m，或頂板高程1 799.73～1 801.76 m，底板埋深0.00～7.30 m；全風化砂巖②2頂板高程1 803.06 m，底板埋深1.30～1.50 m；強風化泥巖③頂板高程1 796.33～1 803.00 m，底板埋深5.50～7.30 m；強風化泥灰?guī)r③1頂板高程1 794.46～1 803.02 m，底板埋深0.00～13.30 m；中風化泥巖④頂板高程1 788.3～1 790.83 m，未鉆穿底板；中風化泥灰?guī)r④1頂板高程變化較大，其中中風化砂巖④2以楔形體的形式穿插存在。地下水埋深12.8～15.7 m。

輔B教學樓典型實測地質剖面2—2’如圖5所示，由ZK5、ZK7、ZK8、ZK9、ZK10組成，鉆孔共揭示第四系素填土①、全風化泥巖②、強風化泥巖③、中風化泥巖④4個工程地質巖組。設計室內場坪標高1 798.20 m；素填土①頂板高程1 799.47 m，底板埋深0～2.80 m；全風化泥巖②頂板高程1 796.61～1 798.90 m，底板埋深0.80～3.90 m；強風化泥巖③頂板高程1 794.74～1 802.08 m，底板埋深0.80～5.90 m；中風化泥巖④頂板高程1 790.84～1 796.67 m，未鉆穿底板。地下水埋深9.10～12.75 m。

3.3 巖土組物理力學性質

波速測試及土工獲得巖土組物理力學參數(shù)如表1所示。

4 場地穩(wěn)定性評價

4.1 地基穩(wěn)定性評價

以擬建教學樓設計室內地坪標高為頂板，建立場區(qū)地基評價模型（圖6、圖7），基于巖土物理力學參數(shù)（表1）賦值各材料屬性，約束模型左、右、底邊界位移，施加由上部建筑對地基形成附加荷載220 kPa。

計算周期設置為360天，分別獲取計算時長120天、240天，360天的地基變形等值線圖。輔B教學樓地基的主要沉降變形發(fā)生在素填土、全風化泥巖層，120天素填土區(qū)地表沉降量0.305～0.366 m，建筑邊緣外圍全風化泥巖被剪出鼓隆，鼓隆量達到0.183～0.244 m；240天素填土區(qū)地表沉降量增大至0.488～0.549 m，全風化泥巖擠壓變形區(qū)鼓隆量增大至0.244～0.305 m；360天素填土區(qū)地表沉降量增大至0.549～0.610 m，全風化泥巖擠壓變形區(qū)鼓隆量保持不變。沉陷區(qū)作為剪入口、鼓隆區(qū)作為剪出口形成地下剪壞帶，在現(xiàn)有地基條件下，素填土、全風化泥巖不能作為地基持力層，需清除換填或加固處理（圖7）。

主A教學樓地基的沉降變形發(fā)生在全風化泥灰?guī)r、全風化泥巖層，120天全風化泥巖區(qū)地表沉降量0.244～0.305 m，建筑周界外圍全風化泥巖被剪出鼓隆，鼓隆量大于0.12 m；240天素填土區(qū)地表沉降量增大至0.366～0.427 m，全風化泥巖擠壓變形區(qū)鼓隆量大于0.18 m；360天素填土區(qū)地表沉降量增大至0.427～0.488 m，全風化泥巖擠壓變形區(qū)鼓隆量大于0.24 m。沉陷區(qū)作為剪入口、鼓隆區(qū)作為剪出口形成地下剪壞帶，可見在現(xiàn)有地基條件下，全風化泥巖、全風化泥灰?guī)r也不可作為地基持力層，需清除換填或加固處理（圖8）。

4.2 邊坡穩(wěn)定性評價

經研究，B、C實測地質剖面控制范圍內地質地形條件對場區(qū)建筑安全不存在影響，A實測剖面反映在場區(qū)東側因修建東瓜大溝形成高約13 m的陡坡，邊坡坡度40°～70°，局部近直立，且邊坡坡頂距離擬建建筑較近，約為16 m，自然條件下邊坡穩(wěn)定。經地質背景研究，場區(qū)時常受地震擾動，最大擾動震級為6.5級，建立地震烈度6.5級的人工波（圖9），地震波作用時間10 s，最大地面動峰值加速度在2.14 s，為341.7 m/s2。該陡坡在自然和降雨條件下長期穩(wěn)定，故只作地震狀態(tài)下的穩(wěn)定性評價，通過簡歷穩(wěn)定性評價模型和數(shù)值模擬計算，得出邊坡在地震條件的穩(wěn)定性系數(shù)為1.473（圖10），水平最大位移量0.13 m，狀態(tài)穩(wěn)定。對建筑安全性威脅較小。

5 結論

（1）經過現(xiàn)場場地地基勘察，場地屬中等復雜場地、中等復雜地基，場地分布的素填土、全風化泥巖層、全風化泥灰?guī)r層易在上部附加荷載的作用下發(fā)生剪切破壞，不宜作為建筑地基持力層，需作換填處理。

（2）場地地震設防烈度高，但場地無軟土、粉土和砂土分布，不必考慮地震液化和軟土震陷的影響，場地存在的既有邊坡在地震作用下穩(wěn)定，不會影響場地整體安全。

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