摘要：针对目前人造山体结构设计和施工方法存在的不足，通过对膨胀土山体堆填料的工程特性进行试验研究，探索改善填料力学性能的方法；通过数值分析结合现场实测，提出人造山体地基处理方法和山体整体稳定性计算方法，提出控制山体堆载侧向变形的工程措施。
关键词：堆填土加固；膨胀土；地基处理；数值模拟
1 引言
随着经济的快速发展，城市建设及城镇化的规模进一步扩大，大批地下空间开发项目应运而生，从而弃土问题随之而来。为了解决弃土问题，同时提高环境品味，利用弃土在城区修建人造景观山体，如北京奥林匹克森林公园主山堆山工程等。本研究依托合肥市“滨湖中心”人造山体工程，结合地质勘查报告和本地区经验，提出各土层的天然地基和桩基设计所需的参数，对山体嵌入桩进行桩基条件分析，并在PLAXIS[1]平台上结合ABAQUS对典型位置和堆填山体整体分别进行二维和三维数值计算分析研究，其中变形计算采用有限元法，因为HSS模型可以考虑小应变范围内土体剪切模量随应变增大而衰减的特点，因此本构模型采用HSS模型[2]，为解决城市人造山体结构设计的关键技术问题，提高堆山效果，缩短工程周期提供技术支撑。对城市堆山造景工程，处理建筑垃圾、建筑弃土具有重要意义，其成果具有非常广阔的应用前景，将产生巨大的经济效益和社会效益。
2 工程概况
合肥地区地貌形态是典型的膨胀土河谷阶地，主要是长期遭受南把河水流的侵蚀塑造，逐渐发育成为膨胀土河谷阶地地貌[3]。膨胀土具有高塑性而较坚实、多裂隙性、胀缩性、吸水膨胀软化、失水收缩干裂和反复胀缩等工程特性[4]。滨湖人工山是合肥“141”城市发展战略滨湖新区建设项目的重要组成部分，它位于滨湖新区的核心地段，在省政府所在地的正北方。人工山山体设计成卧虎的形态，形成包括1个主山峰在中央、2个次山峰在两边的经典卧虎形态。山体结构选用堆石料和堆填土混合结构。目前在软土地基上采用堆土填料进行堆山，缺少相应的设计规范，一般只能按照现有规范中的承载力和沉降要求进行设计。
3 数值模拟及计算结果分析
3.1 数值模拟
首先对典型位置本山体堆填数值模拟分析，计算模型选取C39断面，堆填高度为39m，为整个堆填范围内标高最高位置，从坡顶到坡脚长度为143.5m。模型尺寸在水平方向为300m，竖直方向为83.5m。在坡脚处设有三排抗滑钻孔灌注桩，桩径为0.6m，桩长35m。
计算分析了无抗滑桩的堆填和有抗滑桩的堆填两种对比。图1为无抗滑桩情况下，堆载到第八级时，土体水平向变形云图，因为没有抗滑桩支挡作用，土体水平向变形达到4.25m，土体变形过大，计算停止。图2为有抗滑桩情况下，最后一级堆载完成且放置30天后的水平变形云图。最大位置处于坡脚附近，为2.2m。
然后对堆填山体进行三维数值模拟，土体采用多孔弹性模型，选用土体长1600，宽800，深55m。
图4 无抗滑桩时土体变形U2/ U3
从图中可以发现，设置隔离桩和不设隔离桩情况下，U2方向的位移最大值均出现在坡脚位置处；而U3方向的位移最大值均出现在堆填中心位置处。通过对比设置抗滑桩和不设抗滑桩两种工况所对应的位移云值图可以发现，设置抗滑桩时的U3方向的位移最大值相对于不设隔离桩时的减小了将近50%；U2方向的位移最大值也有所减小，但减小幅度不大。对此可以归纳为，在坡脚处设置抗滑桩能够有效的控制堆填山体的侧向变形。
图5、6反映了有无抗滑桩及抗滑桩桩底是否约束工况下，地表和地下9m处土体侧向变形随与坡脚距离的增大的变化情况。
图6 地下9m侧向变形曲线
从图中可以看到，各条曲线的变化趋势一致，均表现为随着与坡脚水平距离的增大，土体侧向变形不断减小，而且当距离坡脚水平距离达到180m左右时，不同深度处的土体侧向变形均趋近与0。
通过对比桩底约束与桩底不约束两种工况在坡脚处的侧向变形情况可以发现，桩底约束对土体侧向变形的控制效果要明显优于桩底不约束时的，但随着深度的增加，两者对土体侧向变形的控制效率差逐渐减小。图中数据显示，在地表处桩底约束的控制效率较桩底不约束提高了11.3%，但当深度增大至9m时，两者的控制效率则基本趋于相同。此外，桩底约束与桩底不约束的控制效率相同的点会随着深度的增加不断向坡脚靠近，当深度增加到9m时，两者的控制效率在坡脚位置处就已经相同。
通过对比设置抗滑桩与不设抗滑桩的情况可以发现，设置抗滑桩对控制土体侧向变形的效果较不设抗滑桩好，其中，当深度较小时（一般为5m左右），在坡脚处的控制效果较好；当深度较大时（大于5m时），在距离坡脚10~60m区间内的效果较好。
4 结 论
本文基于合肥山体为工程背景，通过数值模拟分析，可得出：
（1）本模拟采用数值模拟了有无抗滑桩造成的地表以下不同深度处的侧向变形变化，从而可以直观观测并提出了控制山体堆载侧向变形的工程措施。
（2）地表以下深度越大，有抗滑桩且约束桩底在抵抗土体侧向变形时优势更加明显。
（3）本模拟很大程度上真实的反映了土体在抗滑桩作用下变形规律，可为优化桩身长度以及确定桩体起始深度研究提供依据。
参考文献
[1]刘志祥，张海清. PLAXIS 高级应用教程[M].北京：机械工业出版社，2015.
[2]李荣建，于玉贞，李广信. 抗滑桩加固非饱和土边坡三维稳定性分析[J]. 岩土力学，2008，（04）：968-972.
[3]刘洋. 合肥膨胀土抗剪强度与含水量的关系研究及工程应用[D].合肥工业大学，2003.
[4]蒋晓庆. 合肥地区膨胀土基本力学特性试验研究[D].安徽建筑工业学院，2010.
论文作者:胡士兵,夏霄
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第28期
论文发表时间:2018/2/11
标签：山体论文; 数值论文; 深度论文; 合肥论文; 工程论文; 位移论文; 位置论文; 《建筑学研究前沿》2017年第28期论文;