泥页岩力学性质对基坑支护的影响

泥质岩岩石构造在水化后对基坑支护的影响摘要：在基坑失稳机理分析的基础上,经室内实验及室外实际工作得出泥页岩水化后岩石力学参数的变化规律及岩石倾角对基坑稳定性的影响表明,泥页岩基坑土层的计算应进行相应调整。关键词:基坑支护计算；泥页岩水化；平面滑动；边坡稳定；前言随着科技的进步,现在建筑已越来越多向地下发展。地下室的面积越来越大，开挖深度也越来越深，在深基坑施工过程中出现的问题越来越多。但国内现有的理论体系及计算方式，无法根据各种岩层在复杂的地质结构及环境下，准确地计算出基坑的变形结果。往往计算时是稳定的，但在施工过程中却会出现和基坑设计时计算结果大不一致的情况，导致基坑的安全问题比较突出。在此，主要探讨一下泥质岩对基坑变形的影响及设计时如何避免。泥页岩水化对滑动面的影响泥质岩常见结构有：①泥质结构。主要由小于4微米的颗粒组成,因而岩石致密均一。当含粉砂和砂时，则形成各种过渡类型结构，如粉砂泥质结构、砂泥质结构等。②鲕粒和豆粒结构。粘土质点围绕核心凝聚而成，直径小于2毫米的称鲕粒，大于2毫米的称豆粒，常见于胶体成因的粘土岩中。③同生砾屑结构。粘土物质沉积后，尚未完全固结，受到流水冲刷形成砾屑，又被粘土物质胶结而成。我们通常进行边坡稳定性分析时，广泛采用的是刚体极限平衡分析法，刚体极限平衡分析法的基本思路是：假定岩土体破坏是由于在滑体内的滑动面上发生滑动而造成的，滑动面上岩土体服从破坏条件，通过考虑由滑动面形成的隔离体的静力平衡来分析边坡的稳定性。岩土体的破坏条件通常采用Mohr-Coulomb准则，即ft＝ns·tanφ+c(1)式中：ft，ns分别为破坏面上的剪应力与正应力；c，φ为破坏面上的粘聚力与内摩擦角。边坡滑动面的形状可以是平面、圆弧面、对数螺旋面或其他不规则曲面。而泥页岩的宏观构造中最显著的是由于粘土矿物的定向排列而呈现出的剥裂性，在页岩中最常见。常见的显微构造有：由极细小的鳞片状粘土矿物杂乱分布而成的鳞片构造，多见于泥岩中；由纤维状粘土矿物错综交织而成的毡状构造和由片状粘土矿物定向排列而成的定向构造。根据大量的边坡失稳分析、调查、监测证明：泥页岩岩体边坡常沿顺层或软弱夹层作平面滑动。资料显示：边坡滑动体自重W所产生的侧向滑动力应小于或等于滑动面的抗滑阻力，根据刚体极限平衡原理，平面破坏边坡的安全系数F可表示为注：｛为内摩擦角许多边坡沿平面滑动前，在滑体后部产生张裂缝。该张裂缝对边坡的稳定性有很大的影响，特别是在暴雨情况下，由于张裂缝底部排水不畅，张裂缝可能临时充水达一定高度，沿张裂缝及滑动面产生静水压力U和水的张浮力V，使滑动力突然增大，如图4，边坡高度为H；边坡倾角为г；假定张性断裂走向与边坡面走向平行，裂纹内充水，裂缝深度为z，水深为zw；滑面倾角为a。其边坡的安全系数F可表示为图2注：｛为内摩擦角由于泥页岩具有岩石的共同特点,而且具有独特的水化性,因此在基坑开挖土层遇到泥质岩时，基坑的稳定和计算结果经常相左。当基坑暴露的时间过长或遭遇雨季时，泥页岩水化引起岩石力学参数发生变化,岩石力学参数的变化反过来引起岩石受力状态发生变化,岩石逐步遭破坏，沿定向构造方向出现基坑失稳。因此,在研究影响基坑稳定的力学因素时,必须研究水化对岩石力学参数特别是岩石坡面方向的影响规律。根据国内现有的对泥质岩水化的实验研究结果，我们了解到：泥页岩岩石强度等参数随岩石含水量的增加变化十分显著。饱和含水量岩样的单轴抗压强度值仅为其干燥状态下的31.5%,降低幅度高达68.5%;弹性模量的降低幅度也超过50%;而泊松比则大幅度上升,上升幅度达375%。根据现有的钻井工程中井壁的稳定性实验数据，我们可以得知水化对泥页岩岩石内聚力C、内摩擦角φ的影响。是随Rc的减少,C逐渐减少,最大衰减幅度可达50%，而φ值逐渐增加，增加幅度最大为12%。因此，我们在涉及泥页岩的基坑计算中需根据岩面的倾角调整内聚力C、内摩擦角φ的取值，计算边坡的安全系数。工程实例下面以工程实例进行说明：某市一商业广场，由一栋25层办公楼，一栋30层公寓式酒店，5层商业裙楼及两层地下室组成。均设两层地下室，拟建项目总占地面积约为22000m2。现场地自然地面平均标高约为33.50-38.60m，拟建建筑物±0.00=34.50m。基础采用筏基加抗浮锚杆桩基础，基础埋置深度为-9.00m，地下室底板顶埋置深度为-9.30m，相对自然地面开挖深度为8.10m、14.30m（含底板、垫层）。该建筑场地位于长江Ⅲ级阶地。地势西低东高，地层结构相对稳定，除填土层外，其下为第四系冲洪积沉积物，下伏基岩为志留系泥岩。下面仅对与基坑支护相关的地层描述如下：（1）杂填土（Q4ml）：杂色，湿，松散，分布地表，厚0.3～4。.5m，均有分布。（2）粘土（Q3pl+al）：黄褐色～红褐色，稍湿，硬塑，厚1.0～8.8m，均有分布。（3）残积土（Q2el）：黄褐色～棕红色，稍湿，硬塑、层厚0.5～2.1m，偶有缺失。（4-1）强风化泥页岩（S）：褐黄、灰白色，坚硬,岩体破碎,可见原岩结构，裂隙发育。强度不高，手捏易碎，属软质岩石，岩体基本质量级为Ⅴ级。层厚0.8～3.8m，均有分布。（4-2）中风化泥页岩（S）：褐黄、灰绿、灰白色，泥质胶结,裂隙发育。岩层倾角50～70°；岩体较完整，岩芯多呈10～20cm的柱状、不规则短柱状，少量碎块状，多沿层面断裂，锤击声沉闷，易断，失水后易开裂，属软岩，岩体完整程度为较完整，岩体基本质量级别为Ⅳ级。层厚4.6～13.0m，未揭穿，均有分布。与基坑支护设计相关地层的岩土设计参数取值如下:层序及岩性重度γ（kN/m3）凝聚力Ｃ（kPa）内磨擦角φ（°）①杂填土18.58.010°②粘土19.24217°③残积土19.13115°④-1强风化泥页岩20.05020°④-2中风化泥页岩20.012030°拟建场区地下水为：杂填土中的上层滞水，上层滞水主要是大气降水及生活散水渗透补给，无统一的自由水面；水位随季节变化幅度较大，勘察期间测得的静止水位埋深为1.0m。本次基坑开挖深度8.1～15.15米，基坑开挖后，应根据季节及周边来水情况及时设置排水沟、集水井，随时抽排，以免造成基坑周边环境的破坏。施工设计中我们在部分区段采用了放坡+土钉挂网喷砼处理，进行整体稳定性分析时采用圆弧滑动面法，按式6.2.8计算(图3)下滑力T、抗滑力R和抗滑稳定安全系数khd。()∑α11iiiisinnWQT=+=（6.2.8-1）()()sintancos∑αα∑∑n1n1iiiikii1iii1iiki+===++++=WQWQlcnnR（6.2.8-2）TRkhd/=（6.2.8-3）式中：cki,ki——第i土条底面的按总应力法确定的粘聚力(kPa)、内摩擦角（°）标准值；li——第i土条底面的弧长(m)；Qi——第i土条顶面的超载标准值(kN/m)；Wi——第i土条的自重加权平均值(kN/m)；αi——第i土条底中点切线与水平线的夹角(°),αi为负值时取正值；n,n1——分别为分条总数、主动侧分条数。抗滑稳定安全系数khd对于重要性等级为一、二、三级的基坑分别应不小于1.30、1.15、1.05。下面是二个开挖深度不同的坡段运用计算软件计算图：orQccWcroQcqWiOii(a)(b)图5.2.8圆弧滑动面法分析iqOiikkk图3圆弧滑动面法分析通过上图可以看出图4开挖深度为13.75米，开挖方向和岩层坡面垂直，图5开挖深度为8.6米，开挖方向和岩层坡面同向。计算时未考虑坡面走向，土层计算参数取值相同。稳定性全部满足要求。当基坑开挖至底板标高，正武汉秋汛季节，因上部施工队未及时进场进行垫层施工，连续一个多星期的大雨，造成图5计算坡段顺向坡面中风化泥页岩沿岩石坡面滑动，引起整个坡体下滑，坍塌面积为300平米。由此可见，岩层的走向和基坑的稳定关系极大。结论及建议（1）当基坑开挖暴露土层中有泥质岩岩层时，必须考虑水化对泥页岩岩石力学性质的影响,一般规律是随含水量增加,泊松比L、内摩擦角φ增加,而单轴抗压强度Rc、弹性模量E、内聚力C减小。（2）水化时间越长，泥页岩坍塌压力随之呈动态变化。实验结果表明，具有高初始强度、低坍塌压力的泥页岩,随水化发展会逐步转变为低强度、高坍塌压力,因此及时的封闭暴露岩层可以有效地控制泥页岩的吸水量与吸水进程,使基坑边坡在较长一段时间内保持稳定。（3）由于坍塌压力呈动态规律变化,基坑设计时应调整内聚力C、内摩擦角φ的取值，特别是基坑开挖方向和岩面走向一致时，建议C值以建议值的50%计算，φ值以建议值的70%计算。（4）该项计算还须进一步完善计算方法,便于实际边坡工程稳定性分析时应用，确保现场生产作业的安全。参考文献路保平林永学张传进水化对泥页岩力学性质影响的实验研究地质力学学报1999.（3）蒋斌松蔡美峰都浩平面滑动边坡稳定性的解析计算岩石力学与工程学报2004（1）龚晓南.土工计算机分析[M].北京：中国建筑工业出版社，2000，215～222建筑基坑支护技术规程基坑工程技术规程DB42/159-2004