土岩结合地质条件下的深基坑设计分析

1、土岩结合地质条件下的深基坑设计分析摘要：本文对坚硬岩质基坑边坡3种常见的滑动模式进行了介绍，并总结了其 整体稳定性的计算公式。重点阐述了极射赤平投影法在分析基坑边坡稳定性中的 应用。对土岩结合地质条件下基坑边坡的滑动破坏模式进行了分析，分析认为， 土岩结合地质条件下的基坑边坡稳定性受土层的强度因素和岩体结构面因素双重 控制，由此提出了两种常见的滑动模式，并探讨了不同滑动模式下相对应的基坑 支护措施。关键词：土岩结合；基坑边坡；结构面；极限平衡法；极射赤平投影法0引言基坑的支护形式与地质条件密切相关，在特定的地质条件下，往往需 要有与其地质条件相适应的支护形式。坚硬岩质基坑边坡与土质基坑边坡不同

2、， 岩体由于受结构面、裂隙、节理、层间错动带等切割，块体极不规则，岩体边坡 稳定有其独特的特性1。相比于土体，岩体具有强度高、承载力高等特点，岩石 地区的基坑边坡自稳能力相对较好，但岩体由于经历各种内外力地质作用，发育 了各种类型的结构面，由于岩体结构类型的不同，其岩石的类型、结构面的特性 也不相同，岩体的变形破坏机理和工程地质特性也有较大的差异2。岩质基坑边 坡的滑动面不同于土质边坡，土质边坡的滑动面按瑞典条分法理论是一段圆弧， 而岩质基坑边坡由于结构面的存在，结构面常常是边坡失稳的破坏面。当边坡沿 着结构面破坏时，由于没法考虑结构面的强度因素，常规的基坑设计软件所采用 的瑞典条分法已不再适

3、用。本文以镇江市某基坑工程为背景，重点探讨土岩结合地质条件下基坑边坡稳 定的定性分析方法和定量计算方法。并对此种地质条件下的基坑支护设计进行总 结。1极射赤平投影法在定性分析边坡稳定性中的应用由于地质构造的作用，岩 层在地表的出露形态各种各样，地质学中采用走向、倾向、倾角来描述岩层的产 状。由于岩层产状的差异，加上不同产状的结构面与地层相互切割，常常在基坑 边坡上形成不稳定块体。极射赤平投影是利用一个球体作为投影工具，将物体的 几何要素（点、线、面），通过极射投影于赤平面上，在投影面上研究空间结构 面和临空面的相互切割关系3。此种定性图解的分析方法简便、直观、形象，在 边坡、隧洞、水利水电等工

4、程中得到了广泛的应用4。以下总结了几种常见的基 坑边坡与岩层产状的关系，并利用赤平投影法分析基坑边坡的稳定性。由图4可以看出，两组结构面的投影弧的交线与边坡的倾向一致，其倾角小 于边坡坡角，两组结构面的走向与边坡的走向的夹角小于40，属于不稳定结构， 由于结构面的切割作用，共形成3种不稳定块体。实际工程中，由于岩体结构的 复杂性及不连续性，结构面、节理等往往大于2组，同理，可以把不同的结构面 投影到同一赤平面上，采用极射赤平投影法分析基坑边坡的稳定性，简单、直观， 具有较好的实用性。2坚硬岩质基坑边坡稳定性计算2.1沿一组结构面滑动此种滑动为基坑边坡 中常见的滑动类型，特别对于岩层倾向与边坡的

5、坡向相同的情况。考虑结构面的 粘聚力及内摩擦角，按照刚体极限平衡理论，其计算模型图如图5。3土岩结合地质条件下的基坑支护分析土岩结合地质条件下的基坑是指整个 基坑侧壁上部为土层，下部为岩层的基坑。此种地层在邻近山边的基坑工程中比 较常见。上部的土层及土岩接触面上的全风化层呈散粒状分布，自立性较差，开 挖后容易出现滑动，需采用常规的支护措施。下部的基岩，特别是中、弱风化的 基岩，其强度高，自稳能力相对较好，如沿用上部土层的支护形式，往往会造成 经济上的浪费，且在土质条件中的施工工艺不适合于岩质地层5。但如上所述， 岩质边坡又有其本身的特点，岩质边坡的稳定性与其结构面的特性息息相关。对 于土岩结合

6、的基坑，以下分析两种常见的滑动模式。3.1圆弧-平面滑动模式当下浮基岩倾向与边坡倾向相同，且外倾结构面倾角 8小于坡面角a时，如图8（a），基坑上部的土体形成圆弧滑动面，上部土体的 下滑力减去自身的抗滑力作用在下部的岩体上，岩块沿结构面发生平面滑动，此 种滑动常常形成较大的滑动面，对于基坑周边空间较大且保护要求不高的基坑， 可以采用坡率法放坡开挖，确保外倾结构面倾角8大于坡面角a，坡面可采用挂 网喷砼护坡处理。对于基坑周边空间较小且保护要求较高的基坑，可采用格构梁 +预应力锚杆（索）、抗滑桩+预应力锚杆（索）或抗滑桩+内支撑的支护形式。图8 土岩结合边坡滑动面示意图3.2圆弧滑动模式圆弧滑动模

7、式可分为两种 情况，第一，对于土层下岩层呈软质、碎裂状、散粒状时，如全风化或者强风化 的花岗岩，由于风化作用，岩体中的构造特征已不复存在，此时基坑边坡的稳定 性可按瑞典条分法进行计算，形成一条贯穿土层和岩层的圆弧状滑动面。第二， 如果土层下的岩层为坚硬较坚硬层状结构岩体，且下浮基岩倾向与边坡倾向相 反，如图8 （b），此时下浮的岩体呈稳定状态，基坑边坡只会在上部土层上形成 圆弧状滑动面，计算时可采用瑞典条分法进行计算。基坑支护设计应重点考虑上 部土质边坡的稳定性，一般可采用土钉墙或复合土钉墙的支护形式，对于下部的 岩质边坡，可采用挂网喷锚支护。4工程实例4.1工程概况镇江市某工程拟建建筑地上6

8、层，该建筑西侧邻近 山脚，室外场地形成高差较大的陡坡，西侧为3层地下室，东侧为1层地下室。 本工程0.000=61.000m （1985国家高程基准）。本基坑基本呈长方形，南北方向 长约230m，东西方向宽约100m。地下室底板标垫层底标高为-15.300m，整个场 地西高东低，西侧地面标高为-0.200m，东侧地面标高为-10.500m，西侧基坑开挖 深度为15.1m，东侧基坑开挖深度为4.8m。东侧基坑为土质边坡，西侧基坑侧壁 上部为土层，下部为岩层，为典型的土岩结合基坑。4.2基坑支护设计本基坑各侧较空旷，无需要保护的建筑物及管线。基坑开 挖涉及的岩土层情况自上而下依次为：素填土，平均层

9、厚1.0m，松散，主要 为粘性土混角砾等组成；粉质粘土，平均层厚约3.0m，硬塑状；碎石夹粉 质粘土，平均层厚约2.5m，密实，粉质粘土可塑硬塑状；全风化凝灰岩， 平均层厚约2.5m，密实，为凝灰岩风化后形成的碎屑状、砂土状物，局部风化不 均匀，含角砾；强风化凝灰岩，平均层厚约3.0m，岩芯较破碎，以碎块状为 主，岩芯强度较低，轻击可碎。层中风化凝灰岩，平均层厚约9.0m，层状构 造，岩芯一般呈碎块状或柱状，岩石坚硬程度为较软岩，较完整。岩层产状为 NW280匕35 ，裂隙较发育，优势裂隙产状为NE80Z 40 45。其下部岩体基坑 边坡和其岩层产状的关系图及赤平投影图如图9。基坑坑底坐落在中

10、风化凝灰岩上，该层岩体呈层状构造，从赤平投影图可 以看出，岩层的走向和边坡的走向相同，倾向相反，结构面的投影弧与边坡面的 投影弧在不同侧，属于稳定结构，优势节理裂隙赤平投影弧位于边坡投影弧之外， 局部被NE向节理切割的岩块不稳定。基坑下部的岩体不会产生滑动，上部的土质边坡会产圆弧滑动，因此本基坑上部土质边坡的稳定是基坑支护应重点考虑的 问题。根据基坑周边环境、地质条件、开挖深度、基坑边坡破坏模式，本基坑西 侧上部土质边坡采用土钉墙和格构梁+预应力锚索相结合的支护形式，下部的岩 质基坑边坡，为防止岩块沿北东向节理发生脱落掉块，采用挂网喷锚支护。上部 土质基坑边坡整体稳定性采用瑞典条分法进行计算，

11、西侧基坑支护剖面图如图10。5结论（1）土岩结合地质条件下的基坑边坡稳定分析应根据边坡岩土工程地 质条件对边坡的可能破坏方式作出判断，岩质基坑边坡的稳定性与岩层的产状、 岩体的结构面、岩体介质的强度、岩体构造密切相关，判别基坑边坡可能的破坏 方式应同时考虑到受岩土体强度控制的破坏和受结构面控制的破坏。（2）在定性判别了基坑边坡的可能破坏方式的基础上，应采用与之相适应 的定量的边坡稳定性计算方法，对于硬质岩体沿结构面滑动破坏可采用刚体极限 平衡法进行计算，对于土质边坡、极软岩边坡、破碎或极破碎岩质基坑边坡，可 采用瑞典圆弧条分法进行计算；对于土岩结合地质条件下的基坑边坡，可按照圆 弧-平面滑动模式，采用条分法和极限刚体平衡法相结合来计算基坑边坡的稳定性。（3）对于硬质的岩石基坑边坡，采用极射赤平投影法分析基坑边坡的稳定性简 单明了，具有较好的实用性。（4）土岩结合地质条件下的基坑支护应综合考虑基坑边坡的破坏模式及施 工的可行性，在确保基坑安全的前提下以达到经济效益的最大化。参考文献1徐志英.岩石力学M.北京：中国水利水电出版