復雜層狀地基巖體工程建模方法研究

李 金

(深圳中廣核工程設計有限公司，廣東深圳 518172)

0 引言

伴隨國家經濟發展和技術進步，大型基礎設施建設也得到了突飛猛進的發展；我國幅員遼闊，不同地域的地質條件也千差萬別，隨著國家基礎地質研究和施工技術的快速發展，復雜巖體結構地基上的大型工程建設得以實現。

從地質意義上來講，巖石在形成過程中，其物理力學性質受成因、地質構造運動、變質作用及風化作用等因素影響，各類巖石的性質呈現出差異。從分析計算角度，首先要根據巖體中的巖層層面和結構面分布情況形成塊體系統[1-3]，即對巖體進行簡化。地基模型是進行地基計算的基礎，模型中包含了地質體的歸并和參數的簡化，即需要將工程性質相同或相近的巖體劃歸為一個工程地質層(或稱為工程地質分層)，試驗數據按照一定統計學原理處理后賦值，再結合具體構筑物的實際特性進行地基計算和評價。

由于各種不連續面的影響，巖體一般表現為非均質[4]，建立正確合理的地質模型是圍巖穩定性分析、抗震適應性評價、取得可靠計算結果的前提和基礎[5-7]；巖體結構較為均一的巖漿巖等均質的硬質巖石及厚層沉積巖，若排除大的地質構造因素影響，巖石風化大部分比較均勻，同種風化程度巖體力學性質較為均一，此類巖石可按照巖體風化程度進行工程地質分層，必要時考慮巖體的破碎程度，即可建立基本合理的地基模型；但對于地層結構復雜的巖體，如復雜的層狀沉積巖體、巖性多且巖相變化較大的巖體等，因沉積過程中受水動力條件及地殼運動的影響，沉積粒徑差異形成不同巖性，褶皺等構造運動造成巖層彎曲變化，地層組成復雜多變，造成風化層的分布狀態受多因素影響，風化界面起伏多變，此種巖石單純按照風化程度不能得到準確的地基模型，該類巖體必須進行基于實際使用要求的合并簡化。

在工程實踐中，無論是巖性均一的塊狀結構巖體還是組成復雜的層狀結構巖體，工程地質分層的最重要依據仍然是物理力學性質，衡量的指標主要包括巖石強度、地基強度和均勻性，復雜地基需要考慮采用更多、更精細的試驗手段來分析論證。

本文以某核電工程為例，基于對地質背景的詳細分析，研究了該場地復雜層狀地基巖體的工程性質，分別在一期、二期工程的不同勘察階段共采用了三種方法來簡化地基模型，并通過工程實踐的深化研究和驗證，給出了符合本工程實際的地基模型簡化方法。本研究成果對復雜層狀巖體建立地基模型具有實際意義，對其他類似的復雜地基巖體的模型簡化也可提供借鑒。

1 工程概況

某核電工程的主廠房坐落在復雜層狀地基巖體上，巖石類型屬于沉積巖，巖性主要為細砂巖、粉砂巖、泥質粉砂巖、泥巖、頁巖等，砂巖呈中—厚層狀，泥巖、頁巖多呈薄層狀分布，層理十分發育；場地地基巖體的風化程度為中等風化，其中細砂巖和粉砂巖強度較高，屬于較硬巖；泥質粉砂巖、泥巖、頁巖等飽和單軸抗壓強度普遍相對較低，以軟巖為主。本工程按規劃分期建設，一期工程已完成建設并運行。

本項目一期工程廠區原始地貌為低山—丘陵、寬谷和濱海低丘的地貌組合，丘陵周圍分布規模不等的沖溝，海岸地帶分布沙灘、巖灘。場地原始地表高程最高約40 m，廠坪高程9.5 m(1985國家高程系統)，主廠房基底高程-2.0 m。

本項目廠區是按照建(構)筑物的建設要求布置。主廠區重要建筑物均布置在丘陵區，以確保地基條件符合設計要求，地基均為層狀沉積巖，巖層走向以NE向為主，傾角有40°～70°及0°～20°兩種優勢產狀。巖層厚度0.01～0.60 m，最大厚度約1.2 m，受地質構造作用影響，地層產狀多變，各巖層厚度一般較薄，三種巖性多以互層狀出現，巖性變化頻繁；基坑開挖后，基底以下巖體主要為中等風化巖，局部見強風化透鏡體，典型工程地質剖面如圖1所示；在基坑開挖清理后，可見巖體層理十分發育，有明顯的褶皺現象(見圖2)，顯示出巖體結構的復雜性。

圖1 典型工程地質剖面

圖2 現場巖體照片

2 不同勘察階段的地質簡化

2.1 可研階段的巖組模型

核電廠可研階段勘察核心目的是研究建設適宜性，排除顛覆性因素，為安全分析論證提供依據。按有關巖土工程勘察規范要求，該階段鉆孔間距不大于150 m[8]，其中主廠房等重要區域的鉆孔間距控制在100 m左右；可研階段限于勘探工作量較少，故對于地基巖體的認識也是較為宏觀的。

通過工程地質測繪、鉆探揭露，巖體呈現薄層狀、巖性種類多、多巖性互層狀分布、產狀變化大等特征，已無法按照自然層進行力學分析，需要進行一定的力學簡化，對地基巖體進行適當工程簡化后建立計算模型。

現場調查和勘察結果顯示，廠區的沉積巖地層巖性種類多，巖層厚度0.01～0.60 m，各種巖性多呈互層或夾層狀分布，這種復雜的巖性組合已無法按照單一巖性進行力學分層。參考沉積巖地區的工程經驗，考慮巖性及組合關系、沉積韻律和巖體的物理力學性質指標等進行初步分類，即場地滿足大致同一層面上的各種巖土的物理力學參數基本相近的條件，基本認可為均勻地基[9]，基于可研階段的勘察精度和論證需要進行初步地層簡化。具體操作上，巖體按照巖性占比不同及沉積韻律，將巖層劃分為粉砂巖組、泥質粉砂巖組和泥頁巖組，每一巖組內同時包含多種巖性，只是占比不同。而且，地層顯示具有一定的沉積韻律，所劃分的每一個分組在巖性上均是由粉砂巖過渡到泥質粉砂巖再到泥頁巖，在礦物顆粒上均是由粗顆粒向細顆粒變化，在層厚上均是由厚層向薄層過渡，空間組合上由夾層向互層過渡(見圖3)。本階段按巖組所建立地基模型顯然較為粗略，但已滿足可研階段宏觀安全分析的基本需求。

圖3 巖組劃分示意圖

2.2 詳勘階段的巖類模型

詳勘階段，建(構)筑物布置已最終確定，需要按照建(構)筑物或建(構)筑地段進行地基評價和設計計算，通過增加鉆孔密度、增加測試和試驗手段，進一步提高地基模型的精度，特別是對于主廠房地段，鉆孔間距基本控制在30～40 m之間。

圍繞著本階段的研究目標，開展了大量的鉆探及室內試驗、原位測試，綜合分析認為，該場地的沉積巖以薄層狀居多，各種巖性相互穿插、互層狀分布，單純以巖性分層無法進行明確劃分，也不具有工程意義；且因構造作用影響，巖層產狀變化大。為如實反應地基巖體的客觀實際狀態，結合大量的試驗、測試數據，在地質分析時，對巖體在可研階段巖組劃分的基礎上進行細化，即根據鉆探所反映的地基巖體內各巖性所占比例，再根據各巖類的工程性質進行綜合分析與評價。

首先，從地質意義上，在可研階段巖組劃分的基礎上，按照巖體內各巖性所占比例，結合各巖性或巖性組合的物理力學性質指標，將巖體進一步劃分為三種巖類：砂巖類、泥質粉砂巖類和泥頁巖類，三種巖類無論是宏觀還是微觀尺度，做不到按照單一巖性進行工程地質劃分，即使按照巖類劃分，對某一種巖類而言，其巖性仍是以該種巖性為主，但同時包含有其它巖性[10]。

其次，從地基計算而言，為方便地基計算，對地基巖體的力學結構進行了進一步的綜合簡化，即綜合地層空間展布形態、巖性組合特征、風化特征，按力學性質差異對地基巖體提出了分段的概念，將力學性質相近的各種巖性劃分在一起，各段內巖體綜合巖土設計參數相當(視為同一力學層)；提出了反應巖體力學特征的綜合性參數；整體來講仍是按照風化程度進行劃分，對于局部地段、性質有明顯差異地段再單獨劃分，地基分段情況見表1，分段后的地質斷面見圖4。

表1 地基分段表

圖4 分段后的地質斷面示意圖

圖4所示的地基巖體中，1號建筑建基面以砂巖類為主(占比64%～74%)，2號建筑建基面以泥質粉砂巖類為主(占比59%～65%)。各分段的地基特征見表2。

表2 各分段地基特征表

巖土參數是衡量地基模型是否合理的重要指標之一；劃分為同一工程地質分層內巖體的物理力學指標偏離程度應該處于合理水平，詳勘階段建立的地基模型主要參數的離散性分析結果見表3。

表3 各分段主要參數統計表

2.3 依據變形監測結果的校正

一期工程建設過程中，在筏板基礎內部埋設了變形監測點(見圖5)，從筏板施工結束后即開始變形監測，直至變形穩定為止，變形穩定是以變形曲線在較長時間內維持收斂為標志。

圖5 LX廠房變形監測點布置圖

在設計階段，按照簡單地基的一維彈性理論進行了變形計算，按照整體筏板的均勻變形為基礎，計算的變形量為7.8 mm；實際變形監測發現，實際變形值大于計算變形值；而且，同一建筑物的不同地段還呈現出一定的差異變形現象(見表4)。

表4 變形監測結果

通過對地基變形的專門分析研究發現，由于同種風化程度中包含了多種巖性，各種巖性在巖體內的比例及空間分布狀態存在差別，在將地層進行合并簡化后，同一地基分段的地基參數均一化，在一定程度上掩蓋了地基巖體的不均勻特性，造成實際變形結果與計算值的偏離。

分析研究中采用了機理分析、依據實際觀測數據的反演及借鑒其他工程經驗等多種研究手段，基于對基本地質條件的深入分析及巖土參數的精細化研究，因中等風化巖為地基持力層，對詳勘階段的中等風化巖地基分段進行了修正，修正后的模型見表5。

工程實踐表明，結合各種類型巖體的聲波測試、力學試驗數據，按照巖性組合進行工程地質分層，并分別提供了各分層的巖土設計參數，實踐證明更符合工程實際[11]。

3 不同階段地基模型的對比分析

研究結果顯示，基于不同的勘察精度和應用目的建立了基于不同尺度的簡化地基模型，在地質簡化的基礎上，分別賦予了相應的地基參數；研究發現，雖然受制于勘察精度、尺度效應及對巖體性質的精細化考量，建立了不同的模型，但對于場地地質背景的認識是基本明確的，差異只是主要體現在地基綜合條件的精細化研究上。研究認為，必須要結合具體的地質條件，主要依據勘察取得的有關的巖體物理力學性質指標，并充分考慮相類似巖體的工程實踐經驗，來綜合確定地基模型。

在可研階段，基于當時對該區域復雜層狀地基條件的基本認識，并參考了當地的工程經驗，考慮巖體的沉積韻律，將復雜的層狀地基，按照某種巖性占比進行了初步的工程分組，可以說，初步解決了工程項目的安全評估的工作需要；但是，該階段未提出準確的巖土參數，地基模型尚不足以用于設計計算。

到了詳勘階段，項目進入實質設計階段，該階段需要精確的模型(包括合理的工程地質分層和巖土設計參數)，本階段基于大量的現場勘察資料，并借助于專題單位豐富的工程經驗判斷，將可研階段初步的分組模型細化至分段模型；該階段的分析著重考慮勘察中基礎數據的分析、統計，地基模型更加精細，參與統計的巖土參數更多、更加準確，滿足了設計計算的基本需求。

在工程實施階段，在重要廠房基礎上設置了變形監測點，按照一定的周期進行變形監測，監測結果顯示了變形與設計計算的差異；分析研究認為，該場地的地基巖體屬于軟巖，具有明顯的非線性變形特征[12-13]，同一建筑物基底以下的主要受力巖體存在不同程度的蠕變特性，各種巖性的不同蠕變特性是導致巖體變形差異的主要原因之一，基于不同廠房、同一廠房不同位置的變形監測結果，對地基巖體構成進行詳細分析，進一步細化了工程地質分層，參考了在水利水電等行業的工程實踐經驗數據和經驗關系，并結合實際監測參數反演，最終提出了符合地基特征的巖土設計參數。

同時，施工過程中由于爆破震動、卸荷松弛等因素影響，表層巖體也會因損傷具有一定的非線性變形特征[14]；所以，該類巖體變形問題的考慮是衡量地基模型合理性的重要指標。

4 后期工程的應用

本項目從可研階段到工程建造完成，地基模型經歷了從粗到細、從理論計算到實際應用反饋修正的演變過程，最終也形成了該場地的地基建模方法；分析論證結果顯示，基本符合一期工程的地基變形特性。

由于層狀軟巖易受擾動影響，且要求試件尺寸較大，使之能包含足夠結構面以具有地質代表性[1]，在二期工程中，充分吸收和借鑒了一期工程的經驗反饋，在詳細勘察階段進行了精細的策劃，針對關鍵巖土設計參數設定了恰當的勘察方法，開展了蠕變試驗、現場巖基載荷試驗、現場巖體剪切等現場試驗，對變形模量等關鍵參數的獲取奠定了基礎。

對于重要關鍵參數的獲取，地表的承壓板變形試驗，無法獲取不同深度巖體的參數，在核電工程領域實際應用較少[15-16]，目前一般通過室內巖石試驗、鉆孔彈模試驗確定核電站地基巖體變形設計參數[17-22]。

二期工程與一期工程具有相同的地質背景，地質條件基本相當，在設計時借助三維數值計算方法，采用巖土力學分析軟件進行了變形預測，預測的最大變形量是21.5 mm，與一期工程實際的變形監測結果基本相當。

5 結論

客觀合理的地基巖體模型是進行數值化分析研究的基礎，也是推動項目實施的重要一環。通過對某核電項目變形問題的分析研究結果，對于復雜層狀地基建模需要考慮尺度效應、各向異性及非線性等眾多因素，本文重點討論了地基巖體建模方法和思路，主要結論如下：

(1)地基巖體的建模分析，有必要在充分掌握區域地質背景的基礎上，宏觀了解建設場地與區域的關系；加強對建設場地的現場調查和勘探工作，微觀上查明巖性構成及組合關系；并充分收集和利用相關的工程經驗，參考和借鑒相關工程的經驗反饋，最大限度地避免考慮問題的偏差。

(2)地基模型是基于對各方面資料的綜合分析結果，不僅要反映實際的天然地質條件，提出合理可信的巖土設計參數，還要考慮設計使用方便。

(3)地基模型中的重要關鍵參數的獲取，需要采取具有針對性的勘察方法和測試方法；由于巖性、成因及地質構造等的不同，需要針對巖土工程條件的差異，恰當選擇勘察手段來解決具體項目的實際巖土工程問題，甚至需要多種方法的互相印證和修正。

(4)從具體工程分析來看，該場地的復雜層狀軟巖地基具有非線性變形特征，從地基模型的精細化、客觀性需求考慮，多采用三維地質模型，可視化的三維模型為地基模型驗證和設計地基計算提供更直觀的體驗。

(5)工程實施階段及運行階段，加強地基變形監測和反饋，必要時對地基模型進行修正；通過工程經驗積累，為客觀合理分析復雜地基特性奠定堅實基礎。