复杂层状地基岩体工程建模方法研究

李 金

(深圳中广核工程设计有限公司，广东深圳 518172)

0 引言

伴随国家经济发展和技术进步，大型基础设施建设也得到了突飞猛进的发展；我国幅员辽阔，不同地域的地质条件也千差万别，随着国家基础地质研究和施工技术的快速发展，复杂岩体结构地基上的大型工程建设得以实现。

从地质意义上来讲，岩石在形成过程中，其物理力学性质受成因、地质构造运动、变质作用及风化作用等因素影响，各类岩石的性质呈现出差异。从分析计算角度，首先要根据岩体中的岩层层面和结构面分布情况形成块体系统[1-3]，即对岩体进行简化。地基模型是进行地基计算的基础，模型中包含了地质体的归并和参数的简化，即需要将工程性质相同或相近的岩体划归为一个工程地质层(或称为工程地质分层)，试验数据按照一定统计学原理处理后赋值，再结合具体构筑物的实际特性进行地基计算和评价。

由于各种不连续面的影响，岩体一般表现为非均质[4]，建立正确合理的地质模型是围岩稳定性分析、抗震适应性评价、取得可靠计算结果的前提和基础[5-7]；岩体结构较为均一的岩浆岩等均质的硬质岩石及厚层沉积岩，若排除大的地质构造因素影响，岩石风化大部分比较均匀，同种风化程度岩体力学性质较为均一，此类岩石可按照岩体风化程度进行工程地质分层，必要时考虑岩体的破碎程度，即可建立基本合理的地基模型；但对于地层结构复杂的岩体，如复杂的层状沉积岩体、岩性多且岩相变化较大的岩体等，因沉积过程中受水动力条件及地壳运动的影响，沉积粒径差异形成不同岩性，褶皱等构造运动造成岩层弯曲变化，地层组成复杂多变，造成风化层的分布状态受多因素影响，风化界面起伏多变，此种岩石单纯按照风化程度不能得到准确的地基模型，该类岩体必须进行基于实际使用要求的合并简化。

在工程实践中，无论是岩性均一的块状结构岩体还是组成复杂的层状结构岩体，工程地质分层的最重要依据仍然是物理力学性质，衡量的指标主要包括岩石强度、地基强度和均匀性，复杂地基需要考虑采用更多、更精细的试验手段来分析论证。

本文以某核电工程为例，基于对地质背景的详细分析，研究了该场地复杂层状地基岩体的工程性质，分别在一期、二期工程的不同勘察阶段共采用了三种方法来简化地基模型，并通过工程实践的深化研究和验证，给出了符合本工程实际的地基模型简化方法。本研究成果对复杂层状岩体建立地基模型具有实际意义，对其他类似的复杂地基岩体的模型简化也可提供借鉴。

1 工程概况

某核电工程的主厂房坐落在复杂层状地基岩体上，岩石类型属于沉积岩，岩性主要为细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩、页岩等，砂岩呈中—厚层状，泥岩、页岩多呈薄层状分布，层理十分发育；场地地基岩体的风化程度为中等风化，其中细砂岩和粉砂岩强度较高，属于较硬岩；泥质粉砂岩、泥岩、页岩等饱和单轴抗压强度普遍相对较低，以软岩为主。本工程按规划分期建设，一期工程已完成建设并运行。

本项目一期工程厂区原始地貌为低山—丘陵、宽谷和滨海低丘的地貌组合，丘陵周围分布规模不等的冲沟，海岸地带分布沙滩、岩滩。场地原始地表高程最高约40 m，厂坪高程9.5 m(1985国家高程系统)，主厂房基底高程-2.0 m。

本项目厂区是按照建(构)筑物的建设要求布置。主厂区重要建筑物均布置在丘陵区，以确保地基条件符合设计要求，地基均为层状沉积岩，岩层走向以NE向为主，倾角有40°～70°及0°～20°两种优势产状。岩层厚度0.01～0.60 m，最大厚度约1.2 m，受地质构造作用影响，地层产状多变，各岩层厚度一般较薄，三种岩性多以互层状出现，岩性变化频繁；基坑开挖后，基底以下岩体主要为中等风化岩，局部见强风化透镜体，典型工程地质剖面如图1所示；在基坑开挖清理后，可见岩体层理十分发育，有明显的褶皱现象(见图2)，显示出岩体结构的复杂性。

图1 典型工程地质剖面

图2 现场岩体照片

2 不同勘察阶段的地质简化

2.1 可研阶段的岩组模型

核电厂可研阶段勘察核心目的是研究建设适宜性，排除颠覆性因素，为安全分析论证提供依据。按有关岩土工程勘察规范要求，该阶段钻孔间距不大于150 m[8]，其中主厂房等重要区域的钻孔间距控制在100 m左右；可研阶段限于勘探工作量较少，故对于地基岩体的认识也是较为宏观的。

通过工程地质测绘、钻探揭露，岩体呈现薄层状、岩性种类多、多岩性互层状分布、产状变化大等特征，已无法按照自然层进行力学分析，需要进行一定的力学简化，对地基岩体进行适当工程简化后建立计算模型。

现场调查和勘察结果显示，厂区的沉积岩地层岩性种类多，岩层厚度0.01～0.60 m，各种岩性多呈互层或夹层状分布，这种复杂的岩性组合已无法按照单一岩性进行力学分层。参考沉积岩地区的工程经验，考虑岩性及组合关系、沉积韵律和岩体的物理力学性质指标等进行初步分类，即场地满足大致同一层面上的各种岩土的物理力学参数基本相近的条件，基本认可为均匀地基[9]，基于可研阶段的勘察精度和论证需要进行初步地层简化。具体操作上，岩体按照岩性占比不同及沉积韵律，将岩层划分为粉砂岩组、泥质粉砂岩组和泥页岩组，每一岩组内同时包含多种岩性，只是占比不同。而且，地层显示具有一定的沉积韵律，所划分的每一个分组在岩性上均是由粉砂岩过渡到泥质粉砂岩再到泥页岩，在矿物颗粒上均是由粗颗粒向细颗粒变化，在层厚上均是由厚层向薄层过渡，空间组合上由夹层向互层过渡(见图3)。本阶段按岩组所建立地基模型显然较为粗略，但已满足可研阶段宏观安全分析的基本需求。

图3 岩组划分示意图

2.2 详勘阶段的岩类模型

详勘阶段，建(构)筑物布置已最终确定，需要按照建(构)筑物或建(构)筑地段进行地基评价和设计计算，通过增加钻孔密度、增加测试和试验手段，进一步提高地基模型的精度，特别是对于主厂房地段，钻孔间距基本控制在30～40 m之间。

围绕着本阶段的研究目标，开展了大量的钻探及室内试验、原位测试，综合分析认为，该场地的沉积岩以薄层状居多，各种岩性相互穿插、互层状分布，单纯以岩性分层无法进行明确划分，也不具有工程意义；且因构造作用影响，岩层产状变化大。为如实反应地基岩体的客观实际状态，结合大量的试验、测试数据，在地质分析时，对岩体在可研阶段岩组划分的基础上进行细化，即根据钻探所反映的地基岩体内各岩性所占比例，再根据各岩类的工程性质进行综合分析与评价。

首先，从地质意义上，在可研阶段岩组划分的基础上，按照岩体内各岩性所占比例，结合各岩性或岩性组合的物理力学性质指标，将岩体进一步划分为三种岩类：砂岩类、泥质粉砂岩类和泥页岩类，三种岩类无论是宏观还是微观尺度，做不到按照单一岩性进行工程地质划分，即使按照岩类划分，对某一种岩类而言，其岩性仍是以该种岩性为主，但同时包含有其它岩性[10]。

其次，从地基计算而言，为方便地基计算，对地基岩体的力学结构进行了进一步的综合简化，即综合地层空间展布形态、岩性组合特征、风化特征，按力学性质差异对地基岩体提出了分段的概念，将力学性质相近的各种岩性划分在一起，各段内岩体综合岩土设计参数相当(视为同一力学层)；提出了反应岩体力学特征的综合性参数；整体来讲仍是按照风化程度进行划分，对于局部地段、性质有明显差异地段再单独划分，地基分段情况见表1，分段后的地质断面见图4。

表1 地基分段表

图4 分段后的地质断面示意图

图4所示的地基岩体中，1号建筑建基面以砂岩类为主(占比64%～74%)，2号建筑建基面以泥质粉砂岩类为主(占比59%～65%)。各分段的地基特征见表2。

表2 各分段地基特征表

岩土参数是衡量地基模型是否合理的重要指标之一；划分为同一工程地质分层内岩体的物理力学指标偏离程度应该处于合理水平，详勘阶段建立的地基模型主要参数的离散性分析结果见表3。

表3 各分段主要参数统计表

2.3 依据变形监测结果的校正

一期工程建设过程中，在筏板基础内部埋设了变形监测点(见图5)，从筏板施工结束后即开始变形监测，直至变形稳定为止，变形稳定是以变形曲线在较长时间内维持收敛为标志。

图5 LX厂房变形监测点布置图

在设计阶段，按照简单地基的一维弹性理论进行了变形计算，按照整体筏板的均匀变形为基础，计算的变形量为7.8 mm；实际变形监测发现，实际变形值大于计算变形值；而且，同一建筑物的不同地段还呈现出一定的差异变形现象(见表4)。

表4 变形监测结果

通过对地基变形的专门分析研究发现，由于同种风化程度中包含了多种岩性，各种岩性在岩体内的比例及空间分布状态存在差别，在将地层进行合并简化后，同一地基分段的地基参数均一化，在一定程度上掩盖了地基岩体的不均匀特性，造成实际变形结果与计算值的偏离。

分析研究中采用了机理分析、依据实际观测数据的反演及借鉴其他工程经验等多种研究手段，基于对基本地质条件的深入分析及岩土参数的精细化研究，因中等风化岩为地基持力层，对详勘阶段的中等风化岩地基分段进行了修正，修正后的模型见表5。

工程实践表明，结合各种类型岩体的声波测试、力学试验数据，按照岩性组合进行工程地质分层，并分别提供了各分层的岩土设计参数，实践证明更符合工程实际[11]。

3 不同阶段地基模型的对比分析

研究结果显示，基于不同的勘察精度和应用目的建立了基于不同尺度的简化地基模型，在地质简化的基础上，分别赋予了相应的地基参数；研究发现，虽然受制于勘察精度、尺度效应及对岩体性质的精细化考量，建立了不同的模型，但对于场地地质背景的认识是基本明确的，差异只是主要体现在地基综合条件的精细化研究上。研究认为，必须要结合具体的地质条件，主要依据勘察取得的有关的岩体物理力学性质指标，并充分考虑相类似岩体的工程实践经验，来综合确定地基模型。

在可研阶段，基于当时对该区域复杂层状地基条件的基本认识，并参考了当地的工程经验，考虑岩体的沉积韵律，将复杂的层状地基，按照某种岩性占比进行了初步的工程分组，可以说，初步解决了工程项目的安全评估的工作需要；但是，该阶段未提出准确的岩土参数，地基模型尚不足以用于设计计算。

到了详勘阶段，项目进入实质设计阶段，该阶段需要精确的模型(包括合理的工程地质分层和岩土设计参数)，本阶段基于大量的现场勘察资料，并借助于专题单位丰富的工程经验判断，将可研阶段初步的分组模型细化至分段模型；该阶段的分析着重考虑勘察中基础数据的分析、统计，地基模型更加精细，参与统计的岩土参数更多、更加准确，满足了设计计算的基本需求。

在工程实施阶段，在重要厂房基础上设置了变形监测点，按照一定的周期进行变形监测，监测结果显示了变形与设计计算的差异；分析研究认为，该场地的地基岩体属于软岩，具有明显的非线性变形特征[12-13]，同一建筑物基底以下的主要受力岩体存在不同程度的蠕变特性，各种岩性的不同蠕变特性是导致岩体变形差异的主要原因之一，基于不同厂房、同一厂房不同位置的变形监测结果，对地基岩体构成进行详细分析，进一步细化了工程地质分层，参考了在水利水电等行业的工程实践经验数据和经验关系，并结合实际监测参数反演，最终提出了符合地基特征的岩土设计参数。

同时，施工过程中由于爆破震动、卸荷松弛等因素影响，表层岩体也会因损伤具有一定的非线性变形特征[14]；所以，该类岩体变形问题的考虑是衡量地基模型合理性的重要指标。

4 后期工程的应用

本项目从可研阶段到工程建造完成，地基模型经历了从粗到细、从理论计算到实际应用反馈修正的演变过程，最终也形成了该场地的地基建模方法；分析论证结果显示，基本符合一期工程的地基变形特性。

由于层状软岩易受扰动影响，且要求试件尺寸较大，使之能包含足够结构面以具有地质代表性[1]，在二期工程中，充分吸收和借鉴了一期工程的经验反馈，在详细勘察阶段进行了精细的策划，针对关键岩土设计参数设定了恰当的勘察方法，开展了蠕变试验、现场岩基载荷试验、现场岩体剪切等现场试验，对变形模量等关键参数的获取奠定了基础。

对于重要关键参数的获取，地表的承压板变形试验，无法获取不同深度岩体的参数，在核电工程领域实际应用较少[15-16]，目前一般通过室内岩石试验、钻孔弹模试验确定核电站地基岩体变形设计参数[17-22]。

二期工程与一期工程具有相同的地质背景，地质条件基本相当，在设计时借助三维数值计算方法，采用岩土力学分析软件进行了变形预测，预测的最大变形量是21.5 mm，与一期工程实际的变形监测结果基本相当。

5 结论

客观合理的地基岩体模型是进行数值化分析研究的基础，也是推动项目实施的重要一环。通过对某核电项目变形问题的分析研究结果，对于复杂层状地基建模需要考虑尺度效应、各向异性及非线性等众多因素，本文重点讨论了地基岩体建模方法和思路，主要结论如下：

(1)地基岩体的建模分析，有必要在充分掌握区域地质背景的基础上，宏观了解建设场地与区域的关系；加强对建设场地的现场调查和勘探工作，微观上查明岩性构成及组合关系；并充分收集和利用相关的工程经验，参考和借鉴相关工程的经验反馈，最大限度地避免考虑问题的偏差。

(2)地基模型是基于对各方面资料的综合分析结果，不仅要反映实际的天然地质条件，提出合理可信的岩土设计参数，还要考虑设计使用方便。

(3)地基模型中的重要关键参数的获取，需要采取具有针对性的勘察方法和测试方法；由于岩性、成因及地质构造等的不同，需要针对岩土工程条件的差异，恰当选择勘察手段来解决具体项目的实际岩土工程问题，甚至需要多种方法的互相印证和修正。

(4)从具体工程分析来看，该场地的复杂层状软岩地基具有非线性变形特征，从地基模型的精细化、客观性需求考虑，多采用三维地质模型，可视化的三维模型为地基模型验证和设计地基计算提供更直观的体验。

(5)工程实施阶段及运行阶段，加强地基变形监测和反馈，必要时对地基模型进行修正；通过工程经验积累，为客观合理分析复杂地基特性奠定坚实基础。