湖北黃石某工程巖土特性及基坑開挖地質(zhì)災(zāi)害勘察研究

周淼

摘? 要：本文對(duì)湖北黃石風(fēng)化花崗質(zhì)片麻巖的成因、級(jí)配、分類及不同風(fēng)化狀態(tài)的巖土工程特性進(jìn)行了綜合研究。確定了在開挖過程中產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)化花崗質(zhì)片麻巖的巖土工程特征，包括粒度分布不均勻、殘積土水軟化和球形風(fēng)化巨石等。確定了存在流沙和管涌、地面沉降甚至坍塌、地下連續(xù)墻的挖溝困難等地質(zhì)災(zāi)害。提出了防治這些地質(zhì)災(zāi)害的對(duì)策，這些措施在基坑開挖工程中得到了應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：風(fēng)化花崗片麻巖? 巖土工程特點(diǎn)? 基坑開挖? 地質(zhì)災(zāi)害

中圖分類號(hào)：P694;TU753? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）02（a）-0007-05

Geotechnical Characteristics of a project in Huangshi， Hubei Province and Geological Hazard Investigation of? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Foundation pit Excavation

ZHOU Miao

（Wuhan survey and Design Co.， Ltd.， Wuhan， Hubei Province， 430000 China）

Abstract： In this paper， the genesis， gradation， classification and geotechnical engineering characteristics of weathered granitic gneiss in Huangshi， Hubei Province are comprehensively studied. The geotechnical characteristics of weathered granitic gneiss， which caused geological disasters during excavation， are determined， including uneven particle size distribution， water softening of residual soil and spherical weathered boulders. The geological disasters such as quicksand and piping， ground subsidence and even collapse， and difficulties in trenching underground diaphragm wall are determined. The countermeasures to prevent and control these geological disasters are put forward. These measures have been applied in foundation pit excavation engineering.

Key Words： Weathered granite gneiss; Geotechnical engineering characteristics; Foundation pit excavation; Geological hazard

1? 風(fēng)化花崗片麻巖工程特性研究

花崗質(zhì)片麻巖又稱黑云母鉀長(zhǎng)石片麻巖，是花崗巖變質(zhì)作用的產(chǎn)物?；◢弾r是花崗質(zhì)巖漿侵入沉積地層并冷卻形成的一種巖漿巖類型。在這個(gè)過程中，大量埋藏的酸性火山巖轉(zhuǎn)化為花崗巖。在巖石應(yīng)力作用下，花崗巖中的礦物被擠壓，最后再結(jié)晶成花崗質(zhì)片麻巖。因此，花崗質(zhì)片麻巖的礦物成分在化學(xué)上與花崗巖相似，花崗巖由長(zhǎng)石、黑云母、石英和角閃石組成。其特點(diǎn)是明暗相間的層狀結(jié)構(gòu)。未風(fēng)化花崗質(zhì)片麻巖致密堅(jiān)硬，抗壓強(qiáng)度高，抗腐蝕性好。然而，花崗質(zhì)片麻巖一旦暴露在地表，與水、空氣和陽光接觸，就會(huì)沿著其層狀結(jié)構(gòu)的薄弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切滑移破壞。經(jīng)過物理和化學(xué)風(fēng)化作用，不斷變化，最終形成各種風(fēng)化狀態(tài)的風(fēng)化花崗質(zhì)片麻巖。風(fēng)化花崗質(zhì)片麻巖呈塊狀，粗粒成分為石英、長(zhǎng)石、云母，充填物以風(fēng)化長(zhǎng)石為主的粘土礦物。一些花崗巖風(fēng)化剖面直接暴露在地表，但大部分被沖積物覆蓋。風(fēng)化狀態(tài)分級(jí)作為花崗巖類的一種，花崗片麻巖的風(fēng)化狀態(tài)與風(fēng)化花崗巖具有相同的工程分級(jí)。一般而言，研究人員將花崗巖風(fēng)化剖面分為五種風(fēng)化狀態(tài)：新鮮巖石、輕度風(fēng)化、中度風(fēng)化、高度風(fēng)化和完全風(fēng)化，主要根據(jù)花崗巖風(fēng)化剖面的地質(zhì)描述，以及點(diǎn)荷載、地震波速度和標(biāo)準(zhǔn)貫入值等指標(biāo)對(duì)風(fēng)化狀態(tài)進(jìn)行分類。

隨著風(fēng)化程度的增加，花崗質(zhì)片麻巖風(fēng)化剖面巖芯樣品由深灰色柱狀變?yōu)辄S色碎屑巖塊，最后變?yōu)樽霞t色砂土。從土壤成分來看，長(zhǎng)石和黑云母已被化學(xué)風(fēng)化成粘土礦物，而原生礦物主要是由石英物理風(fēng)化而成的碎屑。定量指標(biāo)（點(diǎn)荷載強(qiáng)度、縱波波速、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)值）均隨風(fēng)化程度的增加由高變低。

黃石地區(qū)花崗質(zhì)片麻巖風(fēng)化剖面高度發(fā)育，厚度10～50m，深度可達(dá)100m，主要屬于“富鋁”風(fēng)化群，是最新風(fēng)化階段的產(chǎn)物。

黃石花崗巖的風(fēng)化帶由花崗巖片麻巖，砂頁巖和變質(zhì)砂巖組成。新鮮的巖石和稍微風(fēng)化的花崗巖片麻巖保持了基巖的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。它們緊湊且堅(jiān)固，足以用作大型工業(yè)項(xiàng)目的負(fù)載層。對(duì)于中等侵蝕的部分，花崗巖片麻巖的50%～90%被中等侵蝕。盡管中度風(fēng)化的花崗巖片麻巖已形成明顯的裂隙，但仍保持了巖石結(jié)構(gòu)和基巖的完整性。因此，中度風(fēng)化的花崗巖片麻巖仍具有較高的抗壓強(qiáng)度和良好的自穩(wěn)定性，可以用作一般的工程支撐層。當(dāng)新鮮的巖石降解為風(fēng)化程度較高的花崗巖片麻巖時(shí)，花崗巖片麻巖中主要長(zhǎng)石的礦物中有50%～70%會(huì)高度降解或完全降解。影響高風(fēng)化花崗巖片麻巖抗壓強(qiáng)度的主要因素是風(fēng)化制品的強(qiáng)度，而不是花崗巖片麻巖的巖石結(jié)構(gòu)。由于高解理作用和很少的粘土礦物填滿裂縫，嚴(yán)重侵蝕斷面的滲透率高于其他侵蝕狀態(tài)下的花崗巖片麻巖。在嚴(yán)重侵蝕的花崗巖片麻巖裂縫中，通常會(huì)有大量的裂縫水。因此，重度風(fēng)化區(qū)含有水和滲透水，通常被認(rèn)為是承壓含水層。完全風(fēng)化的花崗巖片麻巖及其殘留土壤（殘留的花崗巖片麻巖土壤）阻礙并嚴(yán)重危害了風(fēng)化花崗巖片麻巖山脈的建設(shè)。退化的土壤主要是硬砂質(zhì)粘土，強(qiáng)度中等，可壓縮性低。由于粘土礦物含量高，完全降解的土壤相對(duì)不可滲透。滲透系數(shù)通常在1×10-6～1×10-4cm/s之間，這與土壤中的粘土含量有關(guān)。完全降解的花崗巖片麻巖及其殘留土壤的主要巖土工程特征如下。

（1）粒徑分布不均。在完全降解的花崗片麻巖中，粗顆粒（0.1mm大?。┖图?xì)顆粒（0.05mm大小）是主要顆粒組成，而土壤顆粒介于0.05和0.1mm小得多。由于這種特殊的粒度分布，退化的土壤具有沙土和粘性土的特征。這種特殊的粒度分布允許細(xì)顆粒在高動(dòng)態(tài)壓力下流過粗顆粒之間的孔隙。因此，在完全降解的花崗巖片麻巖中開挖時(shí)，有必要采取預(yù)防措施來避免管道和流沙。

（2）水變軟。風(fēng)化花崗巖片麻巖殘留土壤中的泥沙和粘土含量高達(dá)20%。在其自然狀態(tài)下，殘留土壤受其結(jié)構(gòu)和礦物成分的控制，并具有良好的機(jī)械性能。但是，當(dāng)土壤受到水的交替影響（例如洪水和建筑自來水）時(shí)，水會(huì)軟化并分解，最終失去其承載能力。廣州地區(qū)完全降解的花崗片麻巖的軟化系數(shù)一般小于0.36。花崗巖片麻巖的長(zhǎng)石是殘留土壤中淤泥和粘土的主要來源。因?yàn)樗梢燥L(fēng)化并形成粘土礦物，所以母體巖石中的長(zhǎng)石越多，退化的土壤就越容易交替水分。

（3）球面老化。在風(fēng)化過程中，長(zhǎng)花崗巖（占花崗巖片麻巖的2/3）首先水解并碳化成高嶺石，然后在退化的土壤中分解。同時(shí)，由于石英等礦物質(zhì)不易抵抗和分解，因此花崗巖片麻巖中的這些礦物質(zhì)通常形成單一巖石。當(dāng)這些巖石暴露在外時(shí)，它們的壁架很容易遭受來自不同方向的風(fēng)化和侵蝕。結(jié)果，單個(gè)石英巖逐漸降解為接近球形的巖石。侵蝕的巖石或所謂的巨石分布在嚴(yán)重侵蝕的區(qū)域和完全侵蝕的區(qū)域，分布不均，不利于基坑開挖和保護(hù)隧道的建設(shè)。因此，必須在施工前進(jìn)行預(yù)處理。

2? 施工現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)勘察

本研究以黃石某大型商場(chǎng)為研究對(duì)象。該建筑基坑的總體設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為342.3m，寬度為29.7m，深度為11m。場(chǎng)地地質(zhì)與水文地質(zhì)本施工場(chǎng)地地質(zhì)條件復(fù)雜。周圍地層基本為中三疊世至晚侏羅世巖石，燕山構(gòu)造階段多期巖漿侵入逐漸形成。圖1為地質(zhì)剖面圖。從第四紀(jì)的殘積花崗巖、片麻巖（主要為第四紀(jì)殘積巖和片麻巖）組成的松散的花崗巖層和上覆片麻巖。該區(qū)域的巨石主要聚集在設(shè)計(jì)的地下連續(xù)墻區(qū)域周圍、殘積土和全風(fēng)化花崗質(zhì)片麻巖中，圖2顯示了巖芯鉆探巖芯樣品。

土樣在垂直方向上的特征變化很大。地表土壤相對(duì)干燥，已風(fēng)化成顆粒狀。地下5～15m，該層土壤飽和、可塑，滲透性差。除此之外，地層主要由不同程度風(fēng)化的花崗片麻巖組成，如圖2所示。

圖3總結(jié)了整個(gè)研究場(chǎng)地的巖土工程概況和底土的土壤性質(zhì)。該場(chǎng)地土層含水量為22.2～49.1%，滲透性為5.8×10-8～39×10-4，粘聚力主要在5.42～35kpa之間，而微風(fēng)化花崗質(zhì)片麻巖的粘聚力可達(dá)1200kpa。場(chǎng)地地下水可分為第四系松散層孔隙水和基巖裂隙裂隙水兩類?？紫端饕詽撍问酱嬖谟跍\表松散砂層中，主要受降雨補(bǔ)給。在強(qiáng)風(fēng)化花崗質(zhì)片麻巖裂隙中發(fā)現(xiàn)裂隙水。本場(chǎng)地全風(fēng)化土的滲透性約為3×10-6m/s，強(qiáng)風(fēng)化花崗質(zhì)片麻巖的滲透性約為4×10-5m/s，因此，全風(fēng)化花崗質(zhì)片麻巖是一個(gè)相對(duì)不透水層，強(qiáng)風(fēng)化花崗片麻巖層裂隙水被認(rèn)為是承壓水。

3? 基坑施工中的潛在地質(zhì)災(zāi)害及防治措施

3.1 地面沉降和塌陷

完全風(fēng)化的花崗巖片麻巖對(duì)水軟化的敏感性以及存儲(chǔ)在高度風(fēng)化的花崗巖片麻巖中的承壓水是風(fēng)化花崗巖片麻巖段建設(shè)的兩個(gè)主要威脅。在自然狀態(tài)下，嚴(yán)重侵蝕的花崗巖片麻巖的頂部堅(jiān)硬，多沙且有泥土，基巖結(jié)構(gòu)的一部分保留在底部，該底部為脆性礫石。裂縫水通常發(fā)生在嚴(yán)重侵蝕的巖石裂縫中。該層與嚴(yán)重侵蝕的花崗巖片麻巖頂部的沙褐色粘土與完全侵蝕的層分開。但是，當(dāng)該層被打孔或受到干擾時(shí)，嚴(yán)重侵蝕的含水層中的加壓水將沖入完全侵蝕的層及其殘留土壤中，穿過土壤空間。完全風(fēng)化的花崗巖片麻巖在水的交替作用下會(huì)迅速軟化并分解，從而失去土壤結(jié)構(gòu)和承載力。這會(huì)導(dǎo)致基坑周圍的土壤沉降和坍塌。由于完全降解的花崗巖片麻巖的滲透率低，儲(chǔ)存在高度降解的花崗巖片麻巖中的壓裂水處于壓力之下。

如果不采取預(yù)防措施使沉淀物進(jìn)入密閉的含沙含水層中，則會(huì)導(dǎo)致土壤沉降甚至土壤塌陷。在排水過程中，嚴(yán)重侵蝕的花崗巖片麻巖的排水會(huì)導(dǎo)致密閉的沙層壓實(shí)，導(dǎo)致土壤沉降。在正常條件下，這些井在施工過程中會(huì)繼續(xù)排泄在嚴(yán)重風(fēng)化的花崗巖片麻巖中的水分。但是，如果地下地下連續(xù)墻泄漏，井外第四紀(jì)地層孔隙中的水也會(huì)流失，薄弱層也會(huì)相應(yīng)地固結(jié)。這兩個(gè)含水層的固結(jié)和沉降將導(dǎo)致基坑周圍嚴(yán)重的土壤沉降，從而危及附近的建筑物和交通。排水造成的另一種危害是流沙。該區(qū)域的承壓含水層是一層沙子。中型谷物（0.05～0.1mm）相對(duì)小于粗粒和細(xì)粒。在泵送過程中，來自這些地層的細(xì)顆粒（例如淤泥）在流體動(dòng)壓作用下很容易穿過粗粒沙，從而形成流沙和管道。嚴(yán)重的流沙和管道將大量的水和土壤推入基坑，導(dǎo)致地面坍塌并破壞周圍的建筑物。

為防止這些潛在的地質(zhì)災(zāi)害，應(yīng)采取諸如化學(xué)灌漿等加固措施來加固土壤。另外，為減少對(duì)周圍土壤的干擾，建議在排水井鉆進(jìn)時(shí)使用速度控制鉆進(jìn)方法。調(diào)速鉆井方法如下：（1）當(dāng)發(fā)現(xiàn)薄弱層時(shí)，鉆機(jī)應(yīng)在低壓低速下進(jìn)行鉆探;（2）進(jìn)入花崗巖風(fēng)化區(qū)后，應(yīng)提高鉆井速度以縮短軟層與地下水的接觸時(shí)間。排水坑的頂部裝有粘土球，以將軟化水層與井水隔離。事實(shí)證明，這種鉆探方法適用于研究地點(diǎn)內(nèi)分布的特定地層。

3.2 地下連續(xù)墻挖溝和格構(gòu)柱施工

這些巨石嚴(yán)重危害了基坑施工的安全性，使連續(xù)的地下墻難以開挖，因此在施工前必須將其清除。為了消除巨石的影響，必須鉆更多的井以對(duì)巨石的分布進(jìn)行詳細(xì)的巖土研究。對(duì)于小于800mm的巨石，建議使用挖溝機(jī)直接拆除。對(duì)于較大的巖石，深孔爆破是一種合適而有效的方法。鉆孔后，必須將PVC管插入勘探井以提供支撐并為炸藥提供通道。在噴砂區(qū)域周圍，應(yīng)鉆出空心孔作為高壓噴砂的釋放通道。炸藥爆炸后，將巖石破碎成小于300mm的碎片，然后輕松將其清除。深層爆破后，回收巖心樣品以驗(yàn)證爆破效果。在深孔爆破過程中，沒有礫石從孔中出來，對(duì)周圍環(huán)境影響很小。因此，深孔爆破是安全無害處理巖石的有效方法。

由水引起的堅(jiān)硬土壤的崩解也將威脅到整個(gè)建筑物的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。為了避免可能的邊坡破壞和大的墻體變形，可以使用高壓裂縫灌漿來穩(wěn)定連續(xù)地下墻周圍的區(qū)域。沿著連續(xù)地下墻的內(nèi)邊緣，對(duì)正方形區(qū)域進(jìn)行灌漿和加固，以固定連續(xù)地下墻。在墻外，縫隙灌漿用于灌漿，以在擋土墻外形成楔形區(qū)域，以保護(hù)土壤和建筑物靠近墻。楔形灌漿區(qū)域用作擋土墻，與內(nèi)部正方形的區(qū)域重疊5m以防止其向前傾斜。

處理后，監(jiān)測(cè)了隔膜墻的橫向變形和附近建筑物的沉降。觀測(cè)點(diǎn)的橫向變形范圍為0～17.5mm，小于警告值24mm。另一個(gè)觀察結(jié)果是，通過壁的內(nèi)邊緣灌漿，深壁變形不會(huì)突出到底板中，這與先前研究中看到的擴(kuò)展形狀不同。5個(gè)受監(jiān)視建筑物的基本條件和最終沉降表明，這些建筑物的所有沉降都低于15mm的警告值。因此，高壓裂縫灌漿有效地減少了土壤的沉降，同時(shí)減少了對(duì)鄰近土壤的影響。

4? 結(jié)語

通過對(duì)風(fēng)化花崗片麻巖地質(zhì)巖土工程特征及開挖過程中潛在的地質(zhì)災(zāi)害分析，得出以下結(jié)論。

（1）在研究區(qū)內(nèi)，風(fēng)化花崗質(zhì)片麻巖的以下巖土工程特性可能在開挖過程中誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害：全風(fēng)化花崗質(zhì)片麻巖粒度分布不均勻;殘積土的水軟化;球形風(fēng)化。由于中等粒徑顆粒（0.05～0.1mm）較少，細(xì)顆粒很容易通過大顆粒形成的孔隙流動(dòng)，這將在地下水抽水過程中造成流沙和管道危害?；◢徠閹r殘積土在自然狀態(tài)下具有穩(wěn)定的力學(xué)行為。然而，在浸水或流水施工時(shí)，會(huì)使水軟化、分解，引起地面沉降甚至坍塌?；◢徠閹r球狀風(fēng)化的存在，可能導(dǎo)致地下連續(xù)墻開溝困難和格構(gòu)柱失穩(wěn)。

（2）花崗巖風(fēng)化剖面分為新鮮巖石、微風(fēng)化巖石、中風(fēng)化巖石、強(qiáng)風(fēng)化巖石和全風(fēng)化巖石五個(gè)等級(jí)。微風(fēng)化和中風(fēng)化花崗片麻巖保持了新鮮巖石的基本巖石結(jié)構(gòu)，抗壓強(qiáng)度高，自穩(wěn)定性好。由于強(qiáng)風(fēng)化花崗質(zhì)片麻巖中發(fā)育了許多裂隙，因此它的透水性比其他四個(gè)等級(jí)高。因此，承壓含水層大多形成于強(qiáng)風(fēng)化花崗片麻巖中。全風(fēng)化花崗質(zhì)片麻巖粘土顆粒含量高，導(dǎo)水率低。

（3）為防止開挖過程中出現(xiàn)上述地質(zhì)災(zāi)害，建議采取以下措施：通過排水井的速率控制鉆井;擋土墻兩側(cè)灌漿;大粒徑殘礫孤石的深孔爆破。通過控制降水井的鉆進(jìn)速度，避免了殘積土的水軟化，減少了對(duì)上覆軟粘土的擾動(dòng)。采用高壓裂縫灌漿，在擋土墻外側(cè)形成楔形區(qū)域，以擋土墻附近的泥土和建筑物。采用深孔控制爆破，將巨石破碎成小于300mm的塊體，以避免巨石阻礙地下連續(xù)墻和格構(gòu)柱的施工。這些措施在基坑開挖的施工實(shí)踐中證明是有效的，可為類似場(chǎng)地的工程實(shí)踐提供良好的參考。

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