泥頁巖力學(xué)性質(zhì)對基坑支護(hù)的影響.doc

泥質(zhì)巖巖石構(gòu)造在水化后對基坑支護(hù)的影響摘要：在基坑失穩(wěn)機(jī)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(xué)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(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。關(guān)鍵詞: 基坑支護(hù)計算；泥頁巖水化；平面滑動；邊坡穩(wěn)定； 前言隨著科技的進(jìn)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(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)及環(huán)境下，準(zhǔn)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(dǎo)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(dāng)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(jìn)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(zhǔn)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(xì)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(dá)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(dú)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(dāng)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(xué)參數(shù)發(fā)生變化, 巖石力學(xué)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(xué)因素時, 必須研究水化對巖石力學(xué)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(qiáng)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(qiáng)度值僅為其干燥狀態(tài)下的 31.5% , 降低幅度高達(dá) 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(dá)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(dá)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(jìn)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。現(xiàn)場地自然地面平均標(biāo)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(hù)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(qiáng)風(fēng)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(qiáng)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(fēng)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(hù)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(qiáng)風(fēng)化泥頁巖20.05020-2中風(fēng)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(bǔ)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)值； li 第i土條底面的弧長(m)；Qi 第i土條頂面的超載標(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(yùn)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(dāng)基坑開挖至底板標(biāo)高，正武漢秋汛季節(jié)，因上部施工隊未及時進(jìn)場進(jìn)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(fēng)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(dāng)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(xué)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(qiáng)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(qiáng)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?qiáng)度、高坍塌壓力, 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(jìn)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(jìn)一步完善計算方法, 便于實際邊坡工程穩(wěn)