随着我国工程建设的不断发展, 平整的、条件好的工程场地日益稀缺, 机场、道路、大型工厂、大型住宅区向山区扩展, 特别是在丘陵地带更是如此, 如贵州龙洞堡机场、云南长水机场等。与常规回填土地基相比, 山区高填方地基具有以下特点。

1) 填土厚度大, 一些工程填土厚度超过100m。

2) 边坡高度大, 边坡稳定风险大。

3) 填方工程量大, 很多项目面积超过10km², 填料运输及施工困难, 往往就地取材以达到挖填平衡。

4) 地面标高变化大, 加剧填筑压实的难度。

5) 填土厚度差异大, 易产生不均匀沉降。

6) 地下水排水系统复杂, 水处理难度大。

对于山区高填土地基, 常常出现的工程事故包括工后不均匀沉降或过大沉降、沉降稳定时间长、滑坡等问题, 从而引发上部建 (构) 筑物、道路、管线、停机坪开裂、下沉等各种工程事故^{[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]}。本文结合一些工程案例, 分析山地高填方地基事故原因及设计、施工和检测需注意的一些问题。

云南某项目位于丘陵谷盆地地貌区, 三面环山, 厂区内场地长约2.4km, 宽1.1km, 地势东高西低, 南北高中间低, 自然地面相对高差64.7m, 原始场地标高如图1所示。

整平后的场地依然表现出了东高西低、南北高中间低的特征。场地高差10.3m, 采用强夯作为地基处理手段。对比场区平整前后高程, 可以看出, 填方区域集中在场区中部、西部, 如图2灰色部分所示。黑色线条表示原通过场地的无名河, 流向为东南向西北, 沿着无名河流向填土厚度逐渐增加, 最大填土厚度20m;河两岸与流向正交的方向上, 随着离开无名河距离的增加, 填土厚度逐渐减小。

厂区工程项目内容包括厂内和厂外工程两大部分:厂内工程包括16个装置区以及相应的辅助设施等;厂外工程包括供电线路、给水设施、排水设施、道路及防护工程、铁路等。自2014年下半年起, 厂区内一些设施基础陆续出现较大沉降, 最大沉降接近500mm。通过大量的资料分析, 发现场区出现较大沉降及不均匀沉降现象有多种原因, 具体分析如下。

从时间上来说, 发生较大沉降是在2014年下半年, 主要是场区内部及周边地下水条件的变化造成的。这种地下水条件的改变有两方面因素:气象 (大气降水量增加) 与场区内的地下水渗流。

该厂区2014年开始, 降雨量较过去50年明显增加。厂区大部分地面的硬化时间在2015年下半年。2014年开始, 地面还未硬化, 大量雨水入渗, 在填土上层形成非常丰富的上层滞水, 即使地面硬化工作完成后, 混凝土地面下的上层滞水不易蒸发, 仍会滞留在回填土内, 在一定程度上导致填土地基湿化变形, 对地基土的物理力学性质的影响很大。

由于对原厂区内无名河进行填埋, 改变了原有地表水的排水路径。虽然场区整平后, 对无名河进行改道, 但通过分析发现部分位置排水设施出现了淤堵、排水沟渠侧壁外土被雨水掏空等情况 (见图3) 。部分地表水并未进入排水渠, 而是从渠、沟周边土裂隙渗入到厂区回填土地基中, 一部分径流至厂区地基土中。

山区地基在削山填沟过程中破坏了原有过水通道, 使地下水无法沿着原有渠道流走, 但还会以一定渠道流向低洼回填土地基。如果场地内排水不畅, 室外地坪未及时硬化, 遇暴雨时水流集中, 雨水下渗无法排出, 浸入填土, 在基岩面渗流, 地基土体及下伏泥岩长期浸水后必然软化造成承载力下降。经分析发现, 本厂区填土的含水量普遍增加, 而承载力、压缩模量显著下降也验证了以上说法。强夯处理的填土地基因大气降水入渗而产生的软化变形是造成场区内构筑物大量沉降的主要原因。

填土来源为场区内部以及周边山区, 补充勘察报告揭示了填土的主要成分及特点。

红黏土和砂岩风化后形成的黄白色黏土构成, 同时大部分填土含角砾及碎石, 母岩成分多为白云岩、粉砂岩及少量硅质岩组成, 力学性质差异较大。局部红黏土具有弱膨胀性, 分布不均匀。强夯后裂隙分布较多, 浸水后强度急剧降低, 具有明显的湿化软化特性。在降雨入渗以及地下水渗流影响下, 场区内填土物理力学性质明显下降, 也说明了填土填料对水有很强的敏感性。

红黏土与常规黏性土工程特性相比具有较大的差异性, 表现在红黏土的比表面积大、颗粒之间相互吸附能力强, 具有液限及塑性指数高、孔隙比大的特点。当红黏土含水率较低时, 往往表现出很高的强度, 当含水量较高时, 土体强度急剧降低, 在自重和外部荷载作用下产生沉降。红黏土的上述特性主要原因是土颗粒之间的薄膜水增厚, 使土颗粒之间传递力的能力减弱, 即使强夯加固后已满足设计要求, 也容易在使用期间由于含水量改变引发变形和水稳性问题。

本场地填土层分布不均匀, 填土层厚度为0.0~20.0m, 主要分布在场区中西部, 而这些区域也是目前沉降较大的区域, 由于填土厚度的差异容易引起地基的不均匀沉降。

在较厚的填土作用下, 原场地土层会发生较大的沉降变形, 原场地土层厚度分布不均匀, 也是造成不均匀沉降的内因之一

不同区域回填土填料的来源及材质并不相同。填筑用料选用级配良好的碎石土或风化岩料区域沉降量较小;以黏性土为主要填料的区域沉降量较大。

以上分析可知, 填土层分布不均匀, 密实度差异较大, 不同区域填料不等是造成不均匀沉降的内因之一。

某电厂地处山区, 煤场场地为宽缓顺向坡, 坡面起伏, 相对高差达37m, 采用半挖半填。根据工程勘测及施工挡墙时基槽开挖揭露, 场地地层为残坡积细粒混合土, 下伏龙潭组砂泥岩夹煤层, 坡脚的基础底面局部发育有灰色软塑状黏性土^[12]。

2005年1月, 在场地平整回填过程中, 发现局部地段挡墙有1~2 cm的水平位移, 墙体出现纵向深度0.5 m左右的拉裂缝现象, 并且有发展的趋势, 其原因是挡墙未落到基岩上, 挡墙下局部灰黑色软泥未清除, 发生沉降和局部滑移变形破坏。为防止边坡出现滑坡, 在原设计挡墙脚以外4m处设置151根抗滑桩, 桩间设置挡板。桩、挡板与原来设计挡墙之间空挡部位采用土夹石回填。2005年5月底, 下了两场暴雨后, 于6月1日发现部分抗滑桩及挡板产生裂缝, 而且煤场零米标高处及坡脚外侧农田中也有裂缝, 如图4、图5所示, 其破坏原因是填土边坡沿软弱层面及下伏基岩面发生顺层滑移, 抗滑桩不能承受下滑推力, 说明当初抗滑桩设计参数取值不合理, 对灰色软泥认识不足, 因此, 进行第二次处理。在原设计的18~94号抗滑桩区段新增加48根抗滑桩, 为防止坡体受阻后沿桩前冲出, 桩前设计反压荷载。

该边坡失稳的主要原因如下。

1) 本项目场地存在一个12°~14°的顺层滑坡, 地形坡度与岩层倾角基本一致, 边坡存在顺坡滑移的可能性。

2) 边坡结构存在软弱结构面, 边坡结构中的灰黑色软塑状黏土强度低, 该灰黑色软泥是泥岩经地下水长期活动作用的结果, 灰黑色软泥即为潜在的滑动带 (面) 。

3) 高填方回填土质量不满足要求, 透水性极强, 煤场地面和其下的边坡表面未设临时排水设施, 永久性排水设施还未完成, 连续几天下大雨后, 雨水便沿高填方强透水体渗入至软泥及泥岩层内, 软泥及泥岩遇水软化, 饱水后, 其抗剪强度急剧下降, 在上覆土压力的作用下, 剪应力增加, 强度迅速降低, 加上渗透力作用, 土体失稳。

基于上述原因, 边坡下滑力增大, 安全系数降低, 虽然由于抗滑桩及挡板的存在, 未产生大面积滑坡, 但由于抗滑桩及挡板的强度不够, 产生了上述的变形和裂缝。

由于山区高填方地基具有填筑厚度大、边坡高度高、填方工程量大、填土厚度差异大、地下水影响复杂、易产生不均匀沉降等特点, 需选用适宜的地基处理方法以确保上部建构筑的安全。强夯作为一种经济实惠的地基处理措施受到工程界的欢迎, 但随着大量工程的应用, 确实出现了很多高填方地基经强夯处理后出现不均匀沉降以及建构筑物倾斜、开裂的情况, 以下对山区高填方地基强夯处理的可行性及注意事项等进行说明, 以利于工程事故的预防。

强夯加固地基的原理主要利用夯击能和冲击波, 使土体中孔隙减小、密实度提高, 从而降低土体压缩性、提高土体强度。山区填土地基大多为就地取材的开山石, 填土渗透性好, 且一般地下水位低, 适宜采用强夯处理。另外, 强夯加固方法设备简便、工艺要求不高且工期短, 是比较经济的一种地基处理方式。在选用正确的强夯参数, 安排好施工顺序后, 用强夯法加固山区填土地基是适宜的。

对于山区填土地基, 如采用分层碾压, 当填土厚度较大时, 则分层数目多, 工程量大, 工期长, 造价高。

为避免前面提到的山区高填方地基工程事故的发生, 强夯处理应注意以下几方面问题。

为保证高填方地基的稳定性, 对于自然坡度较大可能引起滑坡的场地, 应将斜坡的坡面挖成若干台阶, 并清除地表可能引起滑坡或在填土自重作用下产生较大沉降的植被、耕植土、腐殖土和淤泥。对于清除有困难且承载力不满足要求的情况, 应进行地基处理, 使其满足设计要求。

对于选用周边开山石回填时, 填料级配对强夯效果有很大影响, 为满足级配要求, 需控制最大粒径和颗粒级配, 一般要求最大粒径不大于夯锤直径的1/3。对于块石粒径较大时, 须对块石进行破碎处理, 如块石粒径不满足要求且现场不具备分解条件, 则宜将大块石填在地基深处, 或将大的块石和细小颗粒填料一起填筑, 形成级配较好地基填料。填料应尽量避免选用类似红黏土类对水灵敏度高的材料。

对于周围的山体或高地, 需在施工过程中设置临时排水通道, 将山体或高地上的水引开, 确保施工过程中周围的水不流入或渗入回填土地基, 在地基处理后应修建永久排水通道, 具体按GB50007—2001《建筑地基基础设计规范》中6.1节相关内容执行。

为尽可能减小填土厚度不均引起的差异沉降问题, 可以针对不同的填土厚度, 采用不同的填料和夯击能量来改变地基土的压缩模量, 使不同厚度处地基的总沉降接近, 来达到控制差异沉降的目的。当同一栋建筑部分基础落在挖方区域, 部分基础落在填土区域时, 可采用超挖挖方区回填和对填方区采用大能级强夯等措施来减小差异沉降。

由于强夯作用机理研究并不成熟, 且填料的差异性大, 原地质情况不同, 在正式强夯前应进行试夯, 待试夯结束后, 对试夯场地进行测试, 检验强夯效果, 确定工程采用的各项强夯参数。

应根据实际填土厚度、填料性质和试夯情况, 确定各个区域的施工参数, 由于山区地形复杂, 相邻区域的填土厚度可能差异较大, 需采取不同的强夯施工参数。

强夯后应对处理效果进行检验, 可采用静载试验、动力触探试验、现场灌砂、灌水法干密度试验、地质雷达及瑞利波检测、钻孔取土进行室内土工试验等手段进行检测。

在检测方法的选择上, 小型载荷板试验只反映表层土情况, 根据处理深度可选用大尺寸的载荷板进行试验;可以通过挖试坑的方式获得处理深度范围内上下表面一定厚度加固土的干密度, 检测判断强夯加固的均匀性;动力触探是检测强夯的有效加固深度行之有效的方法, 当遇到大块石动力触探钻进困难时可借助潜孔锤进行引孔钻进;瑞利波速检测深层地基土特性变化的结果尚欠精确, 但可以定性的判断地基土层的加固效果。由于碎石土地基检测离散型较大, 应综合多项检测结果得出检测结论。

每层回填土强夯之后, 必须经检测合格后, 方可进行下一层的回填和强夯施工。

一些山区高填方地基竣工后沉降时间长, 一些地基使用几年后突然出现较大沉降, 沉降的发生影响建 (构) 筑物的正常使用和安全。调查发现造成工后沉降大的重要的原因之一是水的影响, 填土场地一般都是低洼地, 虽然采取措施避免周围的水流入回填场地, 但由于水流动的复杂性, 实际工程中很难完全隔断周围水, 只是减少周围水的汇集量。另外, 场地排水管线也可能由于不均匀沉降开裂, 使场区地表水虽然汇集到排水管道, 但却从管道开裂处渗入填土地基中。

处在低洼地的填土就像一块大的海绵体, 吸纳来自周围和场地的水, 随着时间增加, 土的含水量增大。而含水量增高, 土的强度降低, 沉降随之增大。当含水量达到一定程度后, 可能会在回填土地基中形成渗流, 一旦渗流形成, 地下水的流动将带走一些细小颗粒, 引起土颗粒长期流失, 使地基土被掏空, 导致地基突然出现较大沉降和不均匀沉降。因此, 对于由于水的问题可能引起较大工后沉降的回填土地基, 如黏性土为主的回填土地基, 当建 (构) 筑物对沉降比较敏感时, 可采用桩基、CFG桩进行二次处理, 确保建 (构) 筑物安全和正常使用。

山区高填方地基较常规地基具有填土厚度大、边坡高度高、施工难度大、影响因素多等特点, 常出现工后沉降大、沉降时间长、易出现差异沉降和边坡失稳等问题。为避免以上工程事故发生, 在设计、施工和使用中注意以下几点。

1) 山区高填方地基应首先做好详细挖填和地基处理方案, 避免盲目挖填后再进行处理。

2) 水对于填土地基的处理和正常使用都有重大影响, 应在设计、施工和使用中高度重视。

3) 考虑填土自重对原场地地基的影响, 对于原场地土质条件差、承载力不足的情况, 特别是黏性土应进行地基处理。

4) 在挡墙面设计足够多的排水孔, 便于将雨水及时排除, 防止地基土及填土因浸水导致土体软化引起边坡安全。

5) 严格控制回填土的成分和夯实质量, 保证地基处理的均匀性, 防止出现不均匀沉降过大的问题。

6) 当高填方地基出现事故后, 为了建 (构) 筑物的安全使用, 必须采取有效的处理措施, 可采用注浆法、高压旋喷法、桩基托换法、设置抗滑桩或抗滑锚杆等措施进行灾害治理。