土巖結(jié)合地質(zhì)條件下的深基坑設(shè)計分析

1、土巖結(jié)合地質(zhì)條件下的深基坑設(shè)計分析摘要：本文對堅硬巖質(zhì)基坑邊坡3種常見的滑動模式進(jìn)行了介紹，并總結(jié)了其 整體穩(wěn)定性的計算公式。重點闡述了極射赤平投影法在分析基坑邊坡穩(wěn)定性中的 應(yīng)用。對土巖結(jié)合地質(zhì)條件下基坑邊坡的滑動破壞模式進(jìn)行了分析，分析認(rèn)為， 土巖結(jié)合地質(zhì)條件下的基坑邊坡穩(wěn)定性受土層的強(qiáng)度因素和巖體結(jié)構(gòu)面因素雙重 控制，由此提出了兩種常見的滑動模式，并探討了不同滑動模式下相對應(yīng)的基坑 支護(hù)措施。關(guān)鍵詞：土巖結(jié)合；基坑邊坡；結(jié)構(gòu)面；極限平衡法；極射赤平投影法0引言基坑的支護(hù)形式與地質(zhì)條件密切相關(guān)，在特定的地質(zhì)條件下，往往需 要有與其地質(zhì)條件相適應(yīng)的支護(hù)形式。堅硬巖質(zhì)基坑邊坡與土質(zhì)基坑邊坡不同

2、， 巖體由于受結(jié)構(gòu)面、裂隙、節(jié)理、層間錯動帶等切割，塊體極不規(guī)則，巖體邊坡 穩(wěn)定有其獨(dú)特的特性1。相比于土體，巖體具有強(qiáng)度高、承載力高等特點，巖石 地區(qū)的基坑邊坡自穩(wěn)能力相對較好，但巖體由于經(jīng)歷各種內(nèi)外力地質(zhì)作用，發(fā)育 了各種類型的結(jié)構(gòu)面，由于巖體結(jié)構(gòu)類型的不同，其巖石的類型、結(jié)構(gòu)面的特性 也不相同，巖體的變形破壞機(jī)理和工程地質(zhì)特性也有較大的差異2。巖質(zhì)基坑邊 坡的滑動面不同于土質(zhì)邊坡，土質(zhì)邊坡的滑動面按瑞典條分法理論是一段圓弧， 而巖質(zhì)基坑邊坡由于結(jié)構(gòu)面的存在，結(jié)構(gòu)面常常是邊坡失穩(wěn)的破壞面。當(dāng)邊坡沿 著結(jié)構(gòu)面破壞時，由于沒法考慮結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度因素，常規(guī)的基坑設(shè)計軟件所采用 的瑞典條分法已不再適

3、用。本文以鎮(zhèn)江市某基坑工程為背景，重點探討土巖結(jié)合地質(zhì)條件下基坑邊坡穩(wěn) 定的定性分析方法和定量計算方法。并對此種地質(zhì)條件下的基坑支護(hù)設(shè)計進(jìn)行總 結(jié)。1極射赤平投影法在定性分析邊坡穩(wěn)定性中的應(yīng)用由于地質(zhì)構(gòu)造的作用，巖 層在地表的出露形態(tài)各種各樣，地質(zhì)學(xué)中采用走向、傾向、傾角來描述巖層的產(chǎn) 狀。由于巖層產(chǎn)狀的差異，加上不同產(chǎn)狀的結(jié)構(gòu)面與地層相互切割，常常在基坑 邊坡上形成不穩(wěn)定塊體。極射赤平投影是利用一個球體作為投影工具，將物體的 幾何要素（點、線、面），通過極射投影于赤平面上，在投影面上研究空間結(jié)構(gòu) 面和臨空面的相互切割關(guān)系3。此種定性圖解的分析方法簡便、直觀、形象，在 邊坡、隧洞、水利水電等工

4、程中得到了廣泛的應(yīng)用4。以下總結(jié)了幾種常見的基 坑邊坡與巖層產(chǎn)狀的關(guān)系，并利用赤平投影法分析基坑邊坡的穩(wěn)定性。由圖4可以看出，兩組結(jié)構(gòu)面的投影弧的交線與邊坡的傾向一致，其傾角小 于邊坡坡角，兩組結(jié)構(gòu)面的走向與邊坡的走向的夾角小于40，屬于不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)， 由于結(jié)構(gòu)面的切割作用，共形成3種不穩(wěn)定塊體。實際工程中，由于巖體結(jié)構(gòu)的 復(fù)雜性及不連續(xù)性，結(jié)構(gòu)面、節(jié)理等往往大于2組，同理，可以把不同的結(jié)構(gòu)面 投影到同一赤平面上，采用極射赤平投影法分析基坑邊坡的穩(wěn)定性，簡單、直觀， 具有較好的實用性。2堅硬巖質(zhì)基坑邊坡穩(wěn)定性計算2.1沿一組結(jié)構(gòu)面滑動此種滑動為基坑邊坡 中常見的滑動類型，特別對于巖層傾向與邊坡的

5、坡向相同的情況?？紤]結(jié)構(gòu)面的 粘聚力及內(nèi)摩擦角，按照剛體極限平衡理論，其計算模型圖如圖5。3土巖結(jié)合地質(zhì)條件下的基坑支護(hù)分析土巖結(jié)合地質(zhì)條件下的基坑是指整個 基坑側(cè)壁上部為土層，下部為巖層的基坑。此種地層在鄰近山邊的基坑工程中比 較常見。上部的土層及土巖接觸面上的全風(fēng)化層呈散粒狀分布，自立性較差，開 挖后容易出現(xiàn)滑動，需采用常規(guī)的支護(hù)措施。下部的基巖，特別是中、弱風(fēng)化的 基巖，其強(qiáng)度高，自穩(wěn)能力相對較好，如沿用上部土層的支護(hù)形式，往往會造成 經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)，且在土質(zhì)條件中的施工工藝不適合于巖質(zhì)地層5。但如上所述， 巖質(zhì)邊坡又有其本身的特點，巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性與其結(jié)構(gòu)面的特性息息相關(guān)。對 于土巖結(jié)合

6、的基坑，以下分析兩種常見的滑動模式。3.1圓弧-平面滑動模式當(dāng)下浮基巖傾向與邊坡傾向相同，且外傾結(jié)構(gòu)面傾角 8小于坡面角a時，如圖8（a），基坑上部的土體形成圓弧滑動面，上部土體的 下滑力減去自身的抗滑力作用在下部的巖體上，巖塊沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生平面滑動，此 種滑動常常形成較大的滑動面，對于基坑周邊空間較大且保護(hù)要求不高的基坑， 可以采用坡率法放坡開挖，確保外傾結(jié)構(gòu)面傾角8大于坡面角a，坡面可采用掛 網(wǎng)噴砼護(hù)坡處理。對于基坑周邊空間較小且保護(hù)要求較高的基坑，可采用格構(gòu)梁 +預(yù)應(yīng)力錨桿（索）、抗滑樁+預(yù)應(yīng)力錨桿（索）或抗滑樁+內(nèi)支撐的支護(hù)形式。圖8 土巖結(jié)合邊坡滑動面示意圖3.2圓弧滑動模式圓弧滑動模

7、式可分為兩種 情況，第一，對于土層下巖層呈軟質(zhì)、碎裂狀、散粒狀時，如全風(fēng)化或者強(qiáng)風(fēng)化 的花崗巖，由于風(fēng)化作用，巖體中的構(gòu)造特征已不復(fù)存在，此時基坑邊坡的穩(wěn)定 性可按瑞典條分法進(jìn)行計算，形成一條貫穿土層和巖層的圓弧狀滑動面。第二， 如果土層下的巖層為堅硬較堅硬層狀結(jié)構(gòu)巖體，且下浮基巖傾向與邊坡傾向相 反，如圖8 （b），此時下浮的巖體呈穩(wěn)定狀態(tài)，基坑邊坡只會在上部土層上形成 圓弧狀滑動面，計算時可采用瑞典條分法進(jìn)行計算?；又ёo(hù)設(shè)計應(yīng)重點考慮上 部土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，一般可采用土釘墻或復(fù)合土釘墻的支護(hù)形式，對于下部的 巖質(zhì)邊坡，可采用掛網(wǎng)噴錨支護(hù)。4工程實例4.1工程概況鎮(zhèn)江市某工程擬建建筑地上6

8、層，該建筑西側(cè)鄰近 山腳，室外場地形成高差較大的陡坡，西側(cè)為3層地下室，東側(cè)為1層地下室。 本工程0.000=61.000m （1985國家高程基準(zhǔn)）。本基坑基本呈長方形，南北方向 長約230m，東西方向?qū)捈s100m。地下室底板標(biāo)墊層底標(biāo)高為-15.300m，整個場 地西高東低，西側(cè)地面標(biāo)高為-0.200m，東側(cè)地面標(biāo)高為-10.500m，西側(cè)基坑開挖 深度為15.1m，東側(cè)基坑開挖深度為4.8m。東側(cè)基坑為土質(zhì)邊坡，西側(cè)基坑側(cè)壁 上部為土層，下部為巖層，為典型的土巖結(jié)合基坑。4.2基坑支護(hù)設(shè)計本基坑各側(cè)較空曠，無需要保護(hù)的建筑物及管線?；娱_ 挖涉及的巖土層情況自上而下依次為：素填土，平均層

9、厚1.0m，松散，主要 為粘性土混角礫等組成；粉質(zhì)粘土，平均層厚約3.0m，硬塑狀；碎石夾粉 質(zhì)粘土，平均層厚約2.5m，密實，粉質(zhì)粘土可塑硬塑狀；全風(fēng)化凝灰?guī)r， 平均層厚約2.5m，密實，為凝灰?guī)r風(fēng)化后形成的碎屑狀、砂土狀物，局部風(fēng)化不 均勻，含角礫；強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r，平均層厚約3.0m，巖芯較破碎，以碎塊狀為 主，巖芯強(qiáng)度較低，輕擊可碎。層中風(fēng)化凝灰?guī)r，平均層厚約9.0m，層狀構(gòu) 造，巖芯一般呈碎塊狀或柱狀，巖石堅硬程度為較軟巖，較完整。巖層產(chǎn)狀為 NW280匕35 ，裂隙較發(fā)育，優(yōu)勢裂隙產(chǎn)狀為NE80Z 40 45。其下部巖體基坑 邊坡和其巖層產(chǎn)狀的關(guān)系圖及赤平投影圖如圖9?；涌拥鬃湓谥?/p>

10、風(fēng)化凝灰?guī)r上，該層巖體呈層狀構(gòu)造，從赤平投影圖可 以看出，巖層的走向和邊坡的走向相同，傾向相反，結(jié)構(gòu)面的投影弧與邊坡面的 投影弧在不同側(cè)，屬于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，優(yōu)勢節(jié)理裂隙赤平投影弧位于邊坡投影弧之外， 局部被NE向節(jié)理切割的巖塊不穩(wěn)定。基坑下部的巖體不會產(chǎn)生滑動，上部的土質(zhì)邊坡會產(chǎn)圓弧滑動，因此本基坑上部土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定是基坑支護(hù)應(yīng)重點考慮的 問題。根據(jù)基坑周邊環(huán)境、地質(zhì)條件、開挖深度、基坑邊坡破壞模式，本基坑西 側(cè)上部土質(zhì)邊坡采用土釘墻和格構(gòu)梁+預(yù)應(yīng)力錨索相結(jié)合的支護(hù)形式，下部的巖 質(zhì)基坑邊坡，為防止巖塊沿北東向節(jié)理發(fā)生脫落掉塊，采用掛網(wǎng)噴錨支護(hù)。上部 土質(zhì)基坑邊坡整體穩(wěn)定性采用瑞典條分法進(jìn)行計算，

11、西側(cè)基坑支護(hù)剖面圖如圖10。5結(jié)論（1）土巖結(jié)合地質(zhì)條件下的基坑邊坡穩(wěn)定分析應(yīng)根據(jù)邊坡巖土工程地 質(zhì)條件對邊坡的可能破壞方式作出判斷，巖質(zhì)基坑邊坡的穩(wěn)定性與巖層的產(chǎn)狀、 巖體的結(jié)構(gòu)面、巖體介質(zhì)的強(qiáng)度、巖體構(gòu)造密切相關(guān)，判別基坑邊坡可能的破壞 方式應(yīng)同時考慮到受巖土體強(qiáng)度控制的破壞和受結(jié)構(gòu)面控制的破壞。（2）在定性判別了基坑邊坡的可能破壞方式的基礎(chǔ)上，應(yīng)采用與之相適應(yīng) 的定量的邊坡穩(wěn)定性計算方法，對于硬質(zhì)巖體沿結(jié)構(gòu)面滑動破壞可采用剛體極限 平衡法進(jìn)行計算，對于土質(zhì)邊坡、極軟巖邊坡、破碎或極破碎巖質(zhì)基坑邊坡，可 采用瑞典圓弧條分法進(jìn)行計算；對于土巖結(jié)合地質(zhì)條件下的基坑邊坡，可按照圓 弧-平面滑動模式，采用條分法和極限剛體平衡法相結(jié)合來計算基坑邊坡的穩(wěn)定性。（3）對于硬質(zhì)的巖石基坑邊坡，采用極射赤平投影法分析基坑邊坡的穩(wěn)定性簡 單明了，具有較好的實用性。（4）土巖結(jié)合地質(zhì)條件下的基坑支護(hù)應(yīng)綜合考慮基坑邊坡的破壞模式及施 工的可行性，在確?；影踩那疤嵯乱赃_(dá)到經(jīng)濟(jì)效益的最大化。參考文獻(xiàn)1徐志英.巖石力學(xué)M.北京：中國水利水電出版