泥頁巖力學性質(zhì)對基坑支護的影響.doc

泥質(zhì)巖巖石構(gòu)造在水化后對基坑支護的影響摘要：在基坑失穩(wěn)機理分析的基礎(chǔ)上, 經(jīng)室內(nèi)實驗及室外實際工作得出泥頁巖水化后巖石力學參數(shù)的變化規(guī)律及巖石傾角對基坑穩(wěn)定性的影響表明,泥頁巖基坑土層的計算應(yīng)進行相應(yīng)調(diào)整。關(guān)鍵詞: 基坑支護計算；泥頁巖水化；平面滑動；邊坡穩(wěn)定； 前言隨著科技的進步,現(xiàn)在建筑已越來越多向地下發(fā)展。地下室的面積越來越大，開挖深度也越來越深，在深基坑施工過程中出現(xiàn)的問題越來越多。但國內(nèi)現(xiàn)有的理論體系及計算方式，無法根據(jù)各種巖層在復雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)及環(huán)境下，準確地計算出基坑的變形結(jié)果。往往計算時是穩(wěn)定的，但在施工過程中卻會出現(xiàn)和基坑設(shè)計時計算結(jié)果大不一致的情況，導致基坑的安全問題比較突出。在此，主要探討一下泥質(zhì)巖對基坑變形的影響及設(shè)計時如何避免。泥頁巖水化對滑動面的影響泥質(zhì)巖常見結(jié)構(gòu)有：泥質(zhì)結(jié)構(gòu)。主要由小于4微米的顆粒組成,因而巖石致密均一。當含粉砂和砂時，則形成各種過渡類型結(jié)構(gòu)，如粉砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu)、砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu)等。鮞粒和豆粒結(jié)構(gòu)。粘土質(zhì)點圍繞核心凝聚而成，直徑小于2毫米的稱鮞粒，大于2毫米的稱豆粒，常見于膠體成因的粘土巖中。同生礫屑結(jié)構(gòu)。粘土物質(zhì)沉積后，尚未完全固結(jié)，受到流水沖刷形成礫屑，又被粘土物質(zhì)膠結(jié)而成。我們通常進行邊坡穩(wěn)定性分析時，廣泛采用的是剛體極限平衡分析法，剛體極限平衡分析法的基本思路是：假定巖土體破壞是由于在滑體內(nèi)的滑動面上發(fā)生滑動而造成的，滑動面上巖土體服從破壞條件，通過考慮由滑動面形成的隔離體的靜力平衡來分析邊坡的穩(wěn)定性。巖土體的破壞條件通常采用Mohr-Coulomb 準則，即 f t n s tan+c (1) 式中： f t ， n s 分別為破壞面上的剪應(yīng)力與正應(yīng)力；c， 為破壞面上的粘聚力與內(nèi)摩擦角。 邊坡滑動面的形狀可以是平面、圓弧面、對數(shù)螺旋面或其他不規(guī)則曲面。而泥頁巖的宏觀構(gòu)造中最顯著的是由于粘土礦物的定向排列而呈現(xiàn)出的剝裂性，在頁巖中最常見。常見的顯微構(gòu)造有：由極細小的鱗片狀粘土礦物雜亂分布而成的鱗片構(gòu)造，多見于泥巖中；由纖維狀粘土礦物錯綜交織而成的氈狀構(gòu)造和由片狀粘土礦物定向排列而成的定向構(gòu)造。根據(jù)大量的邊坡失穩(wěn)分析、調(diào)查、監(jiān)測證明：泥頁巖巖體邊坡常沿順層或軟弱夾層作平面滑動。 資料顯示：邊坡滑動體自重W所產(chǎn)生的側(cè)向滑動力應(yīng)小于或等于滑動面的抗滑阻力，根據(jù)剛體極限平衡原理，平面破壞邊坡的安全系數(shù)F可表示為 注：為內(nèi)摩擦角許多邊坡沿平面滑動前，在滑體后部產(chǎn)生張裂縫。該張裂縫對邊坡的穩(wěn)定性有很大的影響，特別是在暴雨情況下，由于張裂縫底部排水不暢，張裂縫可能臨時充水達一定高度，沿張裂縫及滑動面產(chǎn)生靜水壓力U和水的張浮力V，使滑動力突然增大，如圖 4，邊坡高度為 H；邊坡傾角為 ；假定張性斷裂走向與邊坡面走向平行，裂紋內(nèi)充水，裂縫深度為 z，水深為 zw；滑面傾角為a 。其邊坡的安全系數(shù)F可表示為圖2注：為內(nèi)摩擦角由于泥頁巖具有巖石的共同特點, 而且具有獨特的水化性, 因此在基坑開挖土層遇到泥質(zhì)巖時，基坑的穩(wěn)定和計算結(jié)果經(jīng)常相左。當基坑暴露的時間過長或遭遇雨季時，泥頁巖水化引起巖石力學參數(shù)發(fā)生變化, 巖石力學參數(shù)的變化反過來引起巖石受力狀態(tài)發(fā)生變化, 巖石逐步遭破壞，沿定向構(gòu)造方向出現(xiàn)基坑失穩(wěn)。因此, 在研究影響基坑穩(wěn)定的力學因素時, 必須研究水化對巖石力學參數(shù)特別是巖石坡面方向的影響規(guī)律。根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有的對泥質(zhì)巖水化的實驗研究結(jié)果，我們了解到：泥頁巖巖石強度等參數(shù)隨巖石含水量的增加變化十分顯著。飽和含水量巖樣的單軸抗壓強度值僅為其干燥狀態(tài)下的 31.5% , 降低幅度高達 68.5%; 彈性模量的降低幅度也超過50%; 而泊松比則大幅度上升, 上升幅度達375%。根據(jù)現(xiàn)有的鉆井工程中井壁的穩(wěn)定性實驗數(shù)據(jù)，我們可以得知水化對泥頁巖巖石內(nèi)聚力C、 內(nèi)摩擦角的影響。是隨R c 的減少, C 逐漸減少, 最大衰減幅度可達50%，而值逐漸增加，增加幅度最大為12%。因此，我們在涉及泥頁巖的基坑計算中需根據(jù)巖面的傾角調(diào)整內(nèi)聚力C、 內(nèi)摩擦角的取值，計算邊坡的安全系數(shù)。工程實例下面以工程實例進行說明：某市一商業(yè)廣場，由一棟25層辦公樓，一棟30層公寓式酒店，5層商業(yè)裙樓及兩層地下室組成。均設(shè)兩層地下室，擬建項目總占地面積約為22000m2?，F(xiàn)場地自然地面平均標高約為33.50-38.60m，擬建建筑物0.00=34.50m?；A(chǔ)采用筏基加抗浮錨桿樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋置深度為-9.00m，地下室底板頂埋置深度為-9.30m，相對自然地面開挖深度為8.10m、14.30m（含底板、墊層）。該建筑場地位于長江級階地。地勢西低東高，地層結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，除填土層外，其下為第四系沖洪積沉積物，下伏基巖為志留系泥巖。下面僅對與基坑支護相關(guān)的地層描述如下：（1）雜填土（Q4ml）：雜色，濕，松散，分布地表，厚0.34。.5m，均有分布。（2）粘土（Q3pl+al）：黃褐色紅褐色，稍濕，硬塑，厚1.08.8m，均有分布。（3）殘積土（Q2el）：黃褐色棕紅色，稍濕，硬塑、層厚0.52.1m，偶有缺失。（4-1）強風化泥頁巖（S）：褐黃、灰白色，堅硬,巖體破碎, 可見原巖結(jié)構(gòu)，裂隙發(fā)育。強度不高，手捏易碎，屬軟質(zhì)巖石，巖體基本質(zhì)量級為級。層厚0.83.8m，均有分布。（4-2）中風化泥頁巖（S）：褐黃、灰綠、灰白色，泥質(zhì)膠結(jié),裂隙發(fā)育。巖層傾角5070；巖體較完整，巖芯多呈1020cm的柱狀、不規(guī)則短柱狀，少量碎塊狀，多沿層面斷裂，錘擊聲沉悶，易斷，失水后易開裂，屬軟巖，巖體完整程度為較完整，巖體基本質(zhì)量級別為級。層厚4.613.0m，未揭穿，均有分布。與基坑支護設(shè)計相關(guān)地層的巖土設(shè)計參數(shù)取值如下:層序及巖性重 度（kN/m3）凝聚力（kPa）內(nèi)磨擦角（）雜填土18.58.010粘土19.24217殘積土19.13115-1強風化泥頁巖20.05020-2中風化泥頁巖20.012030擬建場區(qū)地下水為：雜填土中的上層滯水，上層滯水主要是大氣降水及生活散水滲透補給，無統(tǒng)一的自由水面；水位隨季節(jié)變化幅度較大，勘察期間測得的靜止水位埋深為1.0m。本次基坑開挖深度8.115.15米，基坑開挖后，應(yīng)根據(jù)季節(jié)及周邊來水情況及時設(shè)置排水溝、集水井，隨時抽排，以免造成基坑周邊環(huán)境的破壞。施工設(shè)計中我們在部分區(qū)段采用了放坡+土釘掛網(wǎng)噴砼處理，進行整體穩(wěn)定性分析時采用圓弧滑動面法，按式6.2.8計算(圖3)下滑力T、抗滑力R和抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)khd。（6.2.8-1）（6.2.8-2） （6.2.8-3）kkk 式中：cki , jki 第i土條底面的按總應(yīng)力法確定的粘聚力(kPa)、內(nèi)摩擦角（ ）標準值； li 第i土條底面的弧長(m)；Qi 第i土條頂面的超載標準值(kN/m)；Wi 第i土條的自重加權(quán)平均值(kN/m)；圖3圓弧滑動面法分析i 第i土條底中點切線與水平線的夾角(), i 為負值時取正值；n, n1分別為分條總數(shù)、主動側(cè)分條數(shù)?？够€(wěn)定安全系數(shù)khd對于重要性等級為一、二、三級的基坑分別應(yīng)不小于1.30、1.15、1.05。下面是二個開挖深度不同的坡段運用計算軟件計算圖：通過上圖可以看出圖4開挖深度為13.75米，開挖方向和巖層坡面垂直，圖5開挖深度為8.6米，開挖方向和巖層坡面同向。計算時未考慮坡面走向，土層計算參數(shù)取值相同。穩(wěn)定性全部滿足要求。當基坑開挖至底板標高，正武漢秋汛季節(jié)，因上部施工隊未及時進場進行墊層施工，連續(xù)一個多星期的大雨，造成圖5計算坡段順向坡面中風化泥頁巖沿巖石坡面滑動，引起整個坡體下滑，坍塌面積為300平米。由此可見，巖層的走向和基坑的穩(wěn)定關(guān)系極大。結(jié)論及建議（1）當基坑開挖暴露土層中有泥質(zhì)巖巖層時，必須考慮水化對泥頁巖巖石力學性質(zhì)的影響, 一般規(guī)律是隨含水量增加, 泊松比L、 內(nèi)摩擦角增加, 而單軸抗壓強度R c、 彈性模量E、 內(nèi)聚力C 減小。（2）水化時間越長，泥頁巖坍塌壓力隨之呈動態(tài)變化。實驗結(jié)果表明，具有高初始強度、低坍塌壓力的泥頁巖, 隨水化發(fā)展會逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛷姸?、高坍塌壓? 因此及時的封閉暴露巖層可以有效地控制泥頁巖的吸水量與吸水進程, 使基坑邊坡在較長一段時間內(nèi)保持穩(wěn)定。（3）由于坍塌壓力呈動態(tài)規(guī)律變化, 基坑設(shè)計時應(yīng)調(diào)整內(nèi)聚力C、 內(nèi)摩擦角的取值，特別是基坑開挖方向和巖面走向一致時，建議C值以建議值的50%計算，值以建議值的70%計算。（4）該項計算還須進一步完善計算方法, 便于實際邊坡工程穩(wěn)