陕西延安某老滑坡场地上建筑物破坏机理分析

聂永鹏，倪万魁，刘 魁，赵 阳，李 康

(1.长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054；2.信息产业部电子综合勘察研究院，陕西 西安 710054)

0 引言

按滑坡形成时代划分，老滑坡即是指全新世以来发生的滑坡[1]。而在实际工程地质勘察中，老滑坡即指发生在现阶段之前且目前(暂时)处于基本稳定状态的滑坡体[2]，此类滑坡主要分布于山区河谷地带，常把岸坡地貌改变为相对平缓开阔的斜坡，为施工提供了相对可利用的场地。

戴敬儒等[3]曾就山丘区工程滑坡进行了分类，并在此基础上提出相应的灾害防治措施以及优选方案；陆玉珑[4]探讨了老滑坡的工程地质特征，并结合近年来的实际工程案例，提出只要充分运用老滑坡发展规律，对其合理利用便可获得显著的经济、环保及社会效益；朱福春与杨德宏分别以重庆市仪表厂和西延高铁为案例，对老滑坡在铁路和公路等线性工程上的利用进行了研究，并提出了道路路基选择方式以及滑坡防治对策[5-6]；WALTER G KUTSCHKE[7],在研究穿越老滑坡的道路路基形式时，发现老滑坡的复活很大程度上是由于开挖工作面埋置桩基时造成的，为此他提出将锚杆与截排水系统相结合的边坡防治措施，并在桩基侧边坡进行密切监测的方案，经过实践证明这种监防结合的手段不但花费较低，而且有效的提高了边坡稳定性，取得了非常良好的社会与经济反响；卢大卫[8]则在前人的基础上对穿越老滑坡的道路路基形式进行了优化；此外还有众多学者对老滑坡的工程地质特征及演化机理做了不同研究[9-13]。

综上可见，目前国内外对于老滑坡的研究，主要集中在老滑坡工程地质特征及其演化机理研究、老滑分类、公路铁路等线性工程穿越老滑坡体诱发灾害原因分析与诱发灾害防治措施研究等方面，涉及老滑坡上民用房屋建设及民用房屋病害成因机理研究甚少。

近年来，随着陕北城市人口数量急剧增加，原城区土地已无法满足城市的发展需要，向周边黄土丘陵地区进行城区扩张开发建设[14]、在一些老滑坡体上进行民用房屋建设已成趋势。此举虽然有效地利用了土地资源，但民用房屋建成一段时间后出现的墙体开裂、墙面前鼓等病害，如不加以重视，势必对人民的生命财产安全构成威胁。

有鉴于此，本文以延安市某处老滑坡上的建筑群为例，在分析其结构变形破坏特征的基础上，采用数值模拟方法开展老滑坡场地上的建筑物变形破坏机理研究，研究结果不仅可以为建筑物维修和加固提供依据，还可为老滑坡场地上民居的开发利用提供参考。

1 老滑坡基本特征及稳定性分析

1.1 老滑坡基本特征

延安某老滑坡位于西包公路西北侧，长约300 m，宽约150 m，边界清晰，轮廓明显，平面上呈簸箕形，下宽上窄，；两侧稍低，主滑方向为130°，整体地势为北高南低，后缘高约1 030 m，前缘高约970 m，总体积约为8×105m3，属于大型老滑坡(图1)。

滑体平均厚约15 m，主要由黄土状土构成，土质坚硬，孔隙不发育；滑体表面原有3处较大沉陷坑和5条地面裂缝，沉陷坑及地面裂缝被人工填土掩埋处理，填土最厚处可达8 m，而且这些杂乱分布的人工填土并未经过系统的压实处理，土质疏松，孔隙发育，工程性质较差。此外，滑体表面经人工整平为五级台阶状，其上建有6排房屋(图1)，其中第4排房屋为2层建筑物，其余皆为3层。

滑面总体上陡下缓，前段近水平；滑床为Q1-2老黄土，下部为微风化砂岩(图2、图3)。

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

图2 老滑坡横剖面图Fig.2 Transverse section plan of the old landslide

图3 老滑坡纵剖面图Fig.3 Longitudinal section plan of the old landslide

1.2 老滑坡稳定性分析

老滑坡形成于全新世早期，目前整体无失稳变形迹象。

表1是老滑坡人工填土及黄土状土物理力学参数。

以图3为代表，采用极限平衡法对该老滑坡稳定性进行定算，建筑物荷载按二层房屋100 kPa，三层房屋150 kPa计。

老滑坡稳定性极限平衡计算表明，无建筑物的自然工况下，滑坡整体稳定系数K=1.701；有建筑物加载工况下，滑坡整体稳定系数K=1.20；有建筑物加载加暴雨极端工况下，滑坡整体稳定系数K=1.09。

表1 土体物理力学参数表Table 1 Physical and mechanical parameters of the soils

显然，老滑坡整体稳定性较好，并未发生整体复活。

2 建筑物变形破坏特征

老滑坡体上的民用房屋，属一处废弃的经济适用房小区。民用房屋为东北-西南走向，砖混结构，条形基础，基础置于经灰土垫层处理的天然地基上。

第2～6排房屋存在不同程度的变形破坏，主要表现为房屋墙身出现宽度不等的裂缝以及部分房屋出现墙面前鼓。

(1)4-1号房后墙墙面出现严重裂缝，裂缝对称出现在纵墙两端，裂缝倾角约为45°，呈八字形状(图4a)；

(2)3-2号房部分走向墙体出现羽状排列斜裂缝，倾向以西南为主(图4b)；

(3)第4排房屋前墙墙面前鼓，以4-2号房为明显(图4c)。

图4 建筑物变形破坏特征Fig.4 Deformation characteristics of the buildings

调查发现，墙面出现裂缝的房屋，其地基主要分为两种形式，即半填半挖地基和厚度不均匀填土地基。3-2号房横跨人工填土和黄土状土两种土层，表2是黄土状土和填土的物理力学参数。

不难发现，房屋东北侧(人工填土)地基土的压缩系数大，房屋西南侧(黄土状土)的地基土的压缩系数小，两侧土体压缩系数差异导致了在相同压力下变形量的差异[15]，东北侧地基沉降量和沉降速率都明显大于西南侧，差异沉降导致灰土垫层、条形基础、墙体沿人工填土与黄土状土分界线拉张变形、开裂乃至拉断，裂缝倾向东北(图5a)。

表2 物理力学性质指标比较表Table 2 Comparison of physical and mechanical properties of the two soils

4-1号房的地基持力层为上覆于黄土状土的人工填土，且填土在房屋中段厚两端薄。两端地基土的工程性能要优于中段地基土，房屋中部地基沉降速率和沉降量大于两侧地基，差异沉降致使房屋中部灰土垫层、条形基础和墙体拉张变形、开裂直至拉断，形成“八”字形裂缝(图5b)。

第4排房屋地基持力层整体为黄土状土，房屋距前方台阶有3 m，较之其它排房屋距前方台阶距离(≥7 m)小，边坡荷载对坡体下滑力的贡献大于对抗滑力的贡献，临近台阶处黄土状土体失稳可能性更大[16-17]。结合未建房屋前老滑坡未曾发生过局部乃至整体滑动，可以认为，第4排房屋前台阶沿新的滑面发生滑动，带动第4排房屋前端水平移动，导致墙面前鼓(图5c)。

图5 建筑物变形破坏机理简图Fig.5 Schematic diagram of the buildings’ deformation mechanism

3.2 建筑物地基和滑坡变形破坏的机理分析

基于FLAC3D采用显示差分法求解微分方程在模拟材料塑性破坏方面的优势[18-19],本文采用有限差分软件FLAC3D对滑坡及地基沉降进行分析计算。

表3为现场取样试验获得的岩土体力学参数指标。

图6为根据实际情况进行合适化处理后建立的半填半挖地基、厚度不均匀填土地基和均匀黄土状土地基三种模型，模型长70 m，宽1 m，高20 m。

表3 岩土体力学参数Table 3 Mechanical parameters of the soils and rock of the lideslides

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

为便于比较，皆加载100 kPa(两层房屋基底压力)，加载范围长30 m，宽1 m。

图7是模拟发到的竖直方向位移(沉降)和拉应力结果如下:

图7 应力和变形模拟结果Fig.7 Stress and deformation of foundation soils by FLAD3D simulation

图8是3个模型中(20，0，20)、(25，0，20)、(30，0，20)、(35，0，20)、(40，0，20)、(45，0，20)和(50，0，20)监测点沉降和拉应力检测结果。

图8 监测点的追踪结果Fig.8 Stress and settlement of monitoring points of the foundation soils

沉降监测结果表明：

(1)在厚度不均匀填土地基中，填土厚度较薄处沉降明显小于填土厚度较厚处的沉降，其差异沉降最大可达9 cm；

(2)在半填半挖地基中，填土地段沉降显著大于黄土状土段沉降，且由黄土状土段过渡到填土段时沉降量差值可达7 cm；

(3)均匀黄土状土地基最大沉降量仅为3.5 cm，差异沉降最大亦仅为1 cm左右。

实际上，当地基土为中低压缩性土时，砌体承重结构基础的局部倾斜不得大于0.002，即砌体承重结构沿纵向6～10 m内基础两点的沉降差与距离的比值不超过0.002[20]。模拟结果表明，在这两种不均匀地基上的建筑物局部倾斜都要超过允许值，显然沉降差无法达到安全要求。

拉应力监测结果表明：

(1)均匀黄土状土地基中拉应力增加较为平缓，监测点间的拉应力差值最大为20 kN；

(2)不均匀填土地基加载范围内两侧的拉应力为65 kN，随着填土深度的加大，在填土地基中心，拉应力急剧增大，与两侧差值达到了50 kN，悬殊的拉力差导致房屋中部拉张变形显然要大于两侧；

(3)在半填半挖地基中，填土与黄土状土分界处拉应力相差40 kN，其中填土段房屋受到更大拉力，拉张变形更快，导致房屋墙体首先在填土与黄土状土交界面开裂。

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

图9是老滑坡简化模型。考虑到对整个滑体而言，人工填土所占比例很小，且分布杂乱，因此建立模型时对其予以简化省略，把岩土体类型划分为砂泥岩、黄土和黄土状土等3种。

模型长、宽、高分别为320、50、80 m。滑坡表面处于自然无约束状态，滑坡后侧以x轴的左右方向位移约束，底部以z轴为法向约束，左右两侧以y轴为位移约束，初始应力场为自重应力。

两层建筑物基底压力取100 kPa，三层建筑物基底压力取150 kPa，加载范围长30 m，宽8 m。

图10和图11分别为保持其他建筑物荷载不变条件下滑坡体上无第四排房屋(假想工况)和有第四排建筑物(实际工况)采用FLAC3D软件模拟得到的老滑坡坡体塑性和剪应变增量结果。

图10 塑性图Fig.10 Plastic diagram of the old landslide

图11 剪应变增量图Fig.11 Shear strain increment diagram of the old landslide

由图10可以发现，两种工况中滑坡范围内剪切破坏塑性区主要分布在坡顶以及坡面处，假想工况中每级台阶都几乎不见塑性破坏，而在距离第四级台阶边缘3 m处新加荷载后可见该处台阶边缘同时受剪受拉，说明此处土体的抗剪性能大大减弱。

通常情况下，剪应变增量大的部分多是滑面所处位置；而剪应变增量小或无变化的位置说明该处滑面基本不存在，一般都处于稳定状态[21]。由图11(b)可以看出，假想工况下滑坡体的剪应变范围很广，主要分布在坡体表面加载范围和后缘部位，但增量值都很小，在第四级台阶处的剪应变增量几乎为零，可以认为此种工况下无论整体还是局部的滑动面都不存在；由图11(b)发现，在考虑第四排房屋荷载后，坡体的剪应变增量增大，且第四级台阶边缘剪切增量最大，出现了较为明显的剪切变形，可说是形成了局部的滑动面，坡体发生变形破坏大部分也是沿着该滑动面。

图12和图13 分别是在保持其他建筑物荷载不变条件下滑坡体上无第四排房屋(假想工况)和有第四排建筑物(实际工况)采用FLAC3D软件模拟得到的老滑坡坡体水平位移图和坡体五级台阶边缘处位移监测结果。

图12 水平位移图Fig.12 Horizontal displacement of old landslide

图13 监测点水平位移追踪结果Fig.13 The results of horizontal displacement of the monitoring points

由图12和图13可发现：

(1)水平位移为负值，即位移向临空面方向发生。

(2)不考虑第四排房屋荷载作用时老滑坡整体位移很小，位移最大值发生在滑坡后缘约为6.86 cm，台阶边缘的水平位移最大值为1.20 cm。

(3)考虑第四排房屋荷载作用时，老滑坡水平位移最大值发生在第四级台阶边缘处，约为0.36 m，明显比其他台阶位移大，与现场调查的变形破坏现象相吻合。

综上，距离台阶边缘最近的第四排房屋虽然没有造成老滑坡整体复活，但使得第四级台阶出现了新的剪切滑动面，坡体沿之发生滑动变形，从而带动建筑物墙体前鼓。

4 结语

(1)房屋条形基础置于老滑坡坡体上半挖半填、不均匀填土地基中，半挖半填和不均匀填土地基的差异沉降，是造成老滑坡坡体上民用房屋墙体开裂的主要原因；房屋距台阶边缘太近，是造成老滑坡坡体上民用房屋前墙前鼓的原因。

(2)在老滑坡体上修建的民用建筑的荷载作用下，老滑坡坡体虽然稳定系数有所下降，但整体稳定性依然良好，并未出现整体复活现象。

(3)严格控制建筑荷载、建筑与台阶边缘间距离，辅以必要的地基处理，在老滑坡体上修建建筑物是可行的，可达到充分利用土地资源的目的。