聶永鵬，倪萬魁，劉 魁，趙 陽，李 康

(1.長安大學地質(zhì)工程與測繪學院，陜西 西安 710054；2.信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院，陜西 西安 710054)

0 引言

按滑坡形成時代劃分，老滑坡即是指全新世以來發(fā)生的滑坡[1]。而在實際工程地質(zhì)勘察中，老滑坡即指發(fā)生在現(xiàn)階段之前且目前(暫時)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)的滑坡體[2]，此類滑坡主要分布于山區(qū)河谷地帶，常把岸坡地貌改變?yōu)橄鄬ζ骄忛_闊的斜坡，為施工提供了相對可利用的場地。

戴敬儒等[3]曾就山丘區(qū)工程滑坡進行了分類，并在此基礎上提出相應的災害防治措施以及優(yōu)選方案；陸玉瓏[4]探討了老滑坡的工程地質(zhì)特征，并結(jié)合近年來的實際工程案例，提出只要充分運用老滑坡發(fā)展規(guī)律，對其合理利用便可獲得顯著的經(jīng)濟、環(huán)保及社會效益；朱福春與楊德宏分別以重慶市儀表廠和西延高鐵為案例，對老滑坡在鐵路和公路等線性工程上的利用進行了研究，并提出了道路路基選擇方式以及滑坡防治對策[5-6]；WALTER G KUTSCHKE[7],在研究穿越老滑坡的道路路基形式時，發(fā)現(xiàn)老滑坡的復活很大程度上是由于開挖工作面埋置樁基時造成的，為此他提出將錨桿與截排水系統(tǒng)相結(jié)合的邊坡防治措施，并在樁基側(cè)邊坡進行密切監(jiān)測的方案，經(jīng)過實踐證明這種監(jiān)防結(jié)合的手段不但花費較低，而且有效的提高了邊坡穩(wěn)定性，取得了非常良好的社會與經(jīng)濟反響；盧大衛(wèi)[8]則在前人的基礎上對穿越老滑坡的道路路基形式進行了優(yōu)化；此外還有眾多學者對老滑坡的工程地質(zhì)特征及演化機理做了不同研究[9-13]。

綜上可見，目前國內(nèi)外對于老滑坡的研究，主要集中在老滑坡工程地質(zhì)特征及其演化機理研究、老滑分類、公路鐵路等線性工程穿越老滑坡體誘發(fā)災害原因分析與誘發(fā)災害防治措施研究等方面，涉及老滑坡上民用房屋建設及民用房屋病害成因機理研究甚少。

近年來，隨著陜北城市人口數(shù)量急劇增加，原城區(qū)土地已無法滿足城市的發(fā)展需要，向周邊黃土丘陵地區(qū)進行城區(qū)擴張開發(fā)建設[14]、在一些老滑坡體上進行民用房屋建設已成趨勢。此舉雖然有效地利用了土地資源，但民用房屋建成一段時間后出現(xiàn)的墻體開裂、墻面前鼓等病害，如不加以重視，勢必對人民的生命財產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。

有鑒于此，本文以延安市某處老滑坡上的建筑群為例，在分析其結(jié)構(gòu)變形破壞特征的基礎上，采用數(shù)值模擬方法開展老滑坡場地上的建筑物變形破壞機理研究，研究結(jié)果不僅可以為建筑物維修和加固提供依據(jù)，還可為老滑坡場地上民居的開發(fā)利用提供參考。

1 老滑坡基本特征及穩(wěn)定性分析

1.1 老滑坡基本特征

延安某老滑坡位于西包公路西北側(cè)，長約300 m，寬約150 m，邊界清晰，輪廓明顯，平面上呈簸箕形，下寬上窄，；兩側(cè)稍低，主滑方向為130°，整體地勢為北高南低，后緣高約1 030 m，前緣高約970 m，總體積約為8×105m3，屬于大型老滑坡(圖1)。

滑體平均厚約15 m，主要由黃土狀土構(gòu)成，土質(zhì)堅硬，孔隙不發(fā)育；滑體表面原有3處較大沉陷坑和5條地面裂縫，沉陷坑及地面裂縫被人工填土掩埋處理，填土最厚處可達8 m，而且這些雜亂分布的人工填土并未經(jīng)過系統(tǒng)的壓實處理，土質(zhì)疏松，孔隙發(fā)育，工程性質(zhì)較差。此外，滑體表面經(jīng)人工整平為五級臺階狀，其上建有6排房屋(圖1)，其中第4排房屋為2層建筑物，其余皆為3層。

滑面總體上陡下緩，前段近水平；滑床為Q1-2老黃土，下部為微風化砂巖(圖2、圖3)。

圖1 老滑坡平面圖Fig.1 Plan view of the old landslide in Yan’an City

圖2 老滑坡橫剖面圖Fig.2 Transverse section plan of the old landslide

圖3 老滑坡縱剖面圖Fig.3 Longitudinal section plan of the old landslide

1.2 老滑坡穩(wěn)定性分析

老滑坡形成于全新世早期，目前整體無失穩(wěn)變形跡象。

表1是老滑坡人工填土及黃土狀土物理力學參數(shù)。

以圖3為代表，采用極限平衡法對該老滑坡穩(wěn)定性進行定算，建筑物荷載按二層房屋100 kPa，三層房屋150 kPa計。

老滑坡穩(wěn)定性極限平衡計算表明，無建筑物的自然工況下，滑坡整體穩(wěn)定系數(shù)K=1.701；有建筑物加載工況下，滑坡整體穩(wěn)定系數(shù)K=1.20；有建筑物加載加暴雨極端工況下，滑坡整體穩(wěn)定系數(shù)K=1.09。

表1 土體物理力學參數(shù)表Table 1 Physical and mechanical parameters of the soils

顯然，老滑坡整體穩(wěn)定性較好，并未發(fā)生整體復活。

2 建筑物變形破壞特征

老滑坡體上的民用房屋，屬一處廢棄的經(jīng)濟適用房小區(qū)。民用房屋為東北-西南走向，磚混結(jié)構(gòu)，條形基礎，基礎置于經(jīng)灰土墊層處理的天然地基上。

第2～6排房屋存在不同程度的變形破壞，主要表現(xiàn)為房屋墻身出現(xiàn)寬度不等的裂縫以及部分房屋出現(xiàn)墻面前鼓。

(1)4-1號房后墻墻面出現(xiàn)嚴重裂縫，裂縫對稱出現(xiàn)在縱墻兩端，裂縫傾角約為45°，呈八字形狀(圖4a)；

(2)3-2號房部分走向墻體出現(xiàn)羽狀排列斜裂縫，傾向以西南為主(圖4b)；

(3)第4排房屋前墻墻面前鼓，以4-2號房為明顯(圖4c)。

圖4 建筑物變形破壞特征Fig.4 Deformation characteristics of the buildings

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，墻面出現(xiàn)裂縫的房屋，其地基主要分為兩種形式，即半填半挖地基和厚度不均勻填土地基。3-2號房橫跨人工填土和黃土狀土兩種土層，表2是黃土狀土和填土的物理力學參數(shù)。

不難發(fā)現(xiàn)，房屋東北側(cè)(人工填土)地基土的壓縮系數(shù)大，房屋西南側(cè)(黃土狀土)的地基土的壓縮系數(shù)小，兩側(cè)土體壓縮系數(shù)差異導致了在相同壓力下變形量的差異[15]，東北側(cè)地基沉降量和沉降速率都明顯大于西南側(cè)，差異沉降導致灰土墊層、條形基礎、墻體沿人工填土與黃土狀土分界線拉張變形、開裂乃至拉斷，裂縫傾向東北(圖5a)。

表2 物理力學性質(zhì)指標比較表Table 2 Comparison of physical and mechanical properties of the two soils

4-1號房的地基持力層為上覆于黃土狀土的人工填土，且填土在房屋中段厚兩端薄。兩端地基土的工程性能要優(yōu)于中段地基土，房屋中部地基沉降速率和沉降量大于兩側(cè)地基，差異沉降致使房屋中部灰土墊層、條形基礎和墻體拉張變形、開裂直至拉斷，形成“八”字形裂縫(圖5b)。

第4排房屋地基持力層整體為黃土狀土，房屋距前方臺階有3 m，較之其它排房屋距前方臺階距離(≥7 m)小，邊坡荷載對坡體下滑力的貢獻大于對抗滑力的貢獻，臨近臺階處黃土狀土體失穩(wěn)可能性更大[16-17]。結(jié)合未建房屋前老滑坡未曾發(fā)生過局部乃至整體滑動，可以認為，第4排房屋前臺階沿新的滑面發(fā)生滑動，帶動第4排房屋前端水平移動，導致墻面前鼓(圖5c)。

圖5 建筑物變形破壞機理簡圖Fig.5 Schematic diagram of the buildings’ deformation mechanism

3.2 建筑物地基和滑坡變形破壞的機理分析

基于FLAC3D采用顯示差分法求解微分方程在模擬材料塑性破壞方面的優(yōu)勢[18-19],本文采用有限差分軟件FLAC3D對滑坡及地基沉降進行分析計算。

表3為現(xiàn)場取樣試驗獲得的巖土體力學參數(shù)指標。

圖6為根據(jù)實際情況進行合適化處理后建立的半填半挖地基、厚度不均勻填土地基和均勻黃土狀土地基三種模型，模型長70 m，寬1 m，高20 m。

表3 巖土體力學參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of the soils and rock of the lideslides

圖6 地基模型Fig.6 Model of the foundation soils

為便于比較，皆加載100 kPa(兩層房屋基底壓力)，加載范圍長30 m，寬1 m。

圖7是模擬發(fā)到的豎直方向位移(沉降)和拉應力結(jié)果如下:

圖7 應力和變形模擬結(jié)果Fig.7 Stress and deformation of foundation soils by FLAD3D simulation

圖8是3個模型中(20，0，20)、(25，0，20)、(30，0，20)、(35，0，20)、(40，0，20)、(45，0，20)和(50，0，20)監(jiān)測點沉降和拉應力檢測結(jié)果。

圖8 監(jiān)測點的追蹤結(jié)果Fig.8 Stress and settlement of monitoring points of the foundation soils

沉降監(jiān)測結(jié)果表明：

(1)在厚度不均勻填土地基中，填土厚度較薄處沉降明顯小于填土厚度較厚處的沉降，其差異沉降最大可達9 cm；

(2)在半填半挖地基中，填土地段沉降顯著大于黃土狀土段沉降，且由黃土狀土段過渡到填土段時沉降量差值可達7 cm；

(3)均勻黃土狀土地基最大沉降量僅為3.5 cm，差異沉降最大亦僅為1 cm左右。

實際上，當?shù)鼗翞橹械蛪嚎s性土時，砌體承重結(jié)構(gòu)基礎的局部傾斜不得大于0.002，即砌體承重結(jié)構(gòu)沿縱向6～10 m內(nèi)基礎兩點的沉降差與距離的比值不超過0.002[20]。模擬結(jié)果表明，在這兩種不均勻地基上的建筑物局部傾斜都要超過允許值，顯然沉降差無法達到安全要求。

拉應力監(jiān)測結(jié)果表明：

(1)均勻黃土狀土地基中拉應力增加較為平緩，監(jiān)測點間的拉應力差值最大為20 kN；

(2)不均勻填土地基加載范圍內(nèi)兩側(cè)的拉應力為65 kN，隨著填土深度的加大，在填土地基中心，拉應力急劇增大，與兩側(cè)差值達到了50 kN，懸殊的拉力差導致房屋中部拉張變形顯然要大于兩側(cè)；

(3)在半填半挖地基中，填土與黃土狀土分界處拉應力相差40 kN，其中填土段房屋受到更大拉力，拉張變形更快，導致房屋墻體首先在填土與黃土狀土交界面開裂。

圖9 滑坡模型Fig.9 The model of the old landslide

圖9是老滑坡簡化模型?？紤]到對整個滑體而言，人工填土所占比例很小，且分布雜亂，因此建立模型時對其予以簡化省略，把巖土體類型劃分為砂泥巖、黃土和黃土狀土等3種。

模型長、寬、高分別為320、50、80 m?；卤砻嫣幱谧匀粺o約束狀態(tài)，滑坡后側(cè)以x軸的左右方向位移約束，底部以z軸為法向約束，左右兩側(cè)以y軸為位移約束，初始應力場為自重應力。

兩層建筑物基底壓力取100 kPa，三層建筑物基底壓力取150 kPa，加載范圍長30 m，寬8 m。

圖10和圖11分別為保持其他建筑物荷載不變條件下滑坡體上無第四排房屋(假想工況)和有第四排建筑物(實際工況)采用FLAC3D軟件模擬得到的老滑坡坡體塑性和剪應變增量結(jié)果。

圖10 塑性圖Fig.10 Plastic diagram of the old landslide

圖11 剪應變增量圖Fig.11 Shear strain increment diagram of the old landslide

由圖10可以發(fā)現(xiàn)，兩種工況中滑坡范圍內(nèi)剪切破壞塑性區(qū)主要分布在坡頂以及坡面處，假想工況中每級臺階都幾乎不見塑性破壞，而在距離第四級臺階邊緣3 m處新加荷載后可見該處臺階邊緣同時受剪受拉，說明此處土體的抗剪性能大大減弱。

通常情況下，剪應變增量大的部分多是滑面所處位置；而剪應變增量小或無變化的位置說明該處滑面基本不存在，一般都處于穩(wěn)定狀態(tài)[21]。由圖11(b)可以看出，假想工況下滑坡體的剪應變范圍很廣，主要分布在坡體表面加載范圍和后緣部位，但增量值都很小，在第四級臺階處的剪應變增量幾乎為零，可以認為此種工況下無論整體還是局部的滑動面都不存在；由圖11(b)發(fā)現(xiàn)，在考慮第四排房屋荷載后，坡體的剪應變增量增大，且第四級臺階邊緣剪切增量最大，出現(xiàn)了較為明顯的剪切變形，可說是形成了局部的滑動面，坡體發(fā)生變形破壞大部分也是沿著該滑動面。

圖12和圖13 分別是在保持其他建筑物荷載不變條件下滑坡體上無第四排房屋(假想工況)和有第四排建筑物(實際工況)采用FLAC3D軟件模擬得到的老滑坡坡體水平位移圖和坡體五級臺階邊緣處位移監(jiān)測結(jié)果。

圖12 水平位移圖Fig.12 Horizontal displacement of old landslide

圖13 監(jiān)測點水平位移追蹤結(jié)果Fig.13 The results of horizontal displacement of the monitoring points

由圖12和圖13可發(fā)現(xiàn)：

(1)水平位移為負值，即位移向臨空面方向發(fā)生。

(2)不考慮第四排房屋荷載作用時老滑坡整體位移很小，位移最大值發(fā)生在滑坡后緣約為6.86 cm，臺階邊緣的水平位移最大值為1.20 cm。

(3)考慮第四排房屋荷載作用時，老滑坡水平位移最大值發(fā)生在第四級臺階邊緣處，約為0.36 m，明顯比其他臺階位移大，與現(xiàn)場調(diào)查的變形破壞現(xiàn)象相吻合。

綜上，距離臺階邊緣最近的第四排房屋雖然沒有造成老滑坡整體復活，但使得第四級臺階出現(xiàn)了新的剪切滑動面，坡體沿之發(fā)生滑動變形，從而帶動建筑物墻體前鼓。

4 結(jié)語

(1)房屋條形基礎置于老滑坡坡體上半挖半填、不均勻填土地基中，半挖半填和不均勻填土地基的差異沉降，是造成老滑坡坡體上民用房屋墻體開裂的主要原因；房屋距臺階邊緣太近，是造成老滑坡坡體上民用房屋前墻前鼓的原因。

(2)在老滑坡體上修建的民用建筑的荷載作用下，老滑坡坡體雖然穩(wěn)定系數(shù)有所下降，但整體穩(wěn)定性依然良好，并未出現(xiàn)整體復活現(xiàn)象。

(3)嚴格控制建筑荷載、建筑與臺階邊緣間距離，輔以必要的地基處理，在老滑坡體上修建建筑物是可行的，可達到充分利用土地資源的目的。