贵州岩溶地区层状岩质基坑破坏模式研究_雷建海

岩土工程界 第12卷 第4期
探讨与分析
收稿日期 2008-05-29
贵州岩溶地区层状岩质基坑破坏模式研究
雷建海
1,2
,宋建波
1
(1.贵州大学喀斯特环境与地质灾害防治教育部重点实验室,贵阳 550003;
2.贵州交通职业技术学院,贵阳 550008)
摘 要 通过分析岩质基坑坑壁边坡特点、基坑类型、岩体稳定性影响因素及其变形破坏机制,归纳了层
状岩质基坑6种可能的破坏模式。

关键词 岩溶地区 层状 岩质基坑 破坏模式
中图分类号:TU 457 文献标识码:A 文章编号:1009-5098(2009)04-0017-03
岩体的变形与破坏,在 工程地质分析原理 中
将其定义为:岩体承受应力,就会在体积、形状或宏观连续性方面发生某种变化,宏观连续性无显著变
化者称为变形;否则,称为破坏[1]。

依据工程岩体在变形破坏时所表现出的不同形式,可将其划分为多种不同的破坏模式。

研究岩体可能发生的破坏模式是进行工程岩体稳定性分析和确定经济合理的治理方案的首要研究内容。

贵州是我国碳酸盐岩分布面积最广、岩溶强烈发育的地区,也是以沉积岩为主、以层状岩体为特色的省份。

岩体的层状结构和因溶蚀作用而受到的不同程度的损坏,导致岩体结构的进一步破坏和力学性能的下降。

在这类岩体中开挖基坑后,由于岩体产生卸荷回弹,必将引起应力重分布和应力集中等效应,继而在各种荷载的作用下,基坑岩体可能发生多种形式的破坏。

全面系统地总结层状岩质基坑可能发生的各种破坏模式将为基坑的支护方案研究提供科学依据。

1 岩质基坑坑壁边坡与岩质边坡
对矩形基坑而言,岩质基坑开挖后将形成4个
开挖壁边坡。

岩质基坑坑壁边坡与一般的岩质边坡均以边坡岩体作为研究对象。

因此,二者在破坏机理、破坏模式、岩体稳定性影响因素、稳定性评价方法、工程支护措施等方面都表现出不同程度的相似性,但也有较大的不同。

现就二者之间主要的异同作如下分析:
(1)相同之处:1)研究对象相同:均以边坡岩体作为研究对象;2)组合因素相同:边坡与基坑壁均可按边坡的坡角、边坡走向、岩层倾角、岩层走向、岩层倾向等5个因素之间的不同组合而形成特定的
工程。

(2)不同之处:1)边界约束条件不同:从立面看,边坡工程一般只有底部为固定约束,其余均为自由边界;基坑壁边坡除上部为自由边界外,其余3边均为固定约束边界;2)规模不同:边坡工程一般高度大、面积广、岩体破坏规模大,破坏后果严重;基坑坑壁边坡在开挖深度、开挖宽度与岩体破坏规模方面都相对较小,但其破坏后果却可能非常严重,严重者会致使周边建筑物倾斜、倒塌;3)初始应力不同:边坡工程规模大,地应力的影响往往很明显;基坑工程一般情况下赋存深度较浅,地应力影响相对较小;4)外部荷载不同:岩质边坡表面一般无外荷载作用,岩体主要承受重力、水压力、地震力等作用;基坑壁岩体受力相对复杂,除须承受重力、水压力、地震力等力的作用外,往往还须受到周边建筑物、地表堆积物等静载和施工机械、汽车等动载的作用。

2 层状岩质基坑类型
根据选取的划分依据,可将层状岩质基坑划分为多种不同的类型。

划分依据与基坑开挖坑壁边坡坡角、岩层走向、岩层倾向等有关。

(1)根据基坑开挖坑壁边坡坡角的不同,可将岩质基坑划分为直立坑壁基坑和倾斜坑壁基坑。

开挖坑壁坡角为90 的称为直立坑壁基坑(图1a),开挖坑壁坡角小于90 的称为倾斜坑壁基坑(图1b)。

图1 据坑壁开挖坡角划分基坑类型
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(2)根据基坑开挖坑壁边坡走向与岩层走向之间的关系,可以将基坑开挖坑壁走向与岩层走向平行(或近平行)的称为平行基坑(图2a);基坑开挖坑壁走向与岩层走向垂直的称为正交基坑(图2b);介于平行基坑与正交基坑之间的称为切向基坑(图2c)。

图2 据坑壁与岩层走向之间关系划分基坑类型
(3)根据坑壁倾向与岩层倾向之间的关系,可进一步将岩质基坑划分为水平基坑、顺倾基坑和反倾基坑。

岩层倾角在0~10 之间的称为水平基坑(图3a),岩层倾向与坑壁倾向相同的称为顺倾基坑(图3b,c),岩层倾向与坑壁倾向相反的称为反倾基坑(图3d)。

图3 据坑壁与岩层倾向之间关系划分基坑类型
可将岩质基坑类型划分的上述3种划分依据视为边坡坡角、基坑开挖坑壁边坡走向与岩层走向之间的关系、坑壁倾向与岩层倾向之间的关系3个参数,任一具体的岩质基坑工程均由以上3个参数的不同组合确定。

3 层状岩质基坑稳定性影响因素
影响层状岩质基坑稳定性的因素有很多,归纳起来主要来自三方面:(1)基坑工程本身的影响,如开挖深度、开挖宽度和边坡形式等;(2)基坑所赋存地质环境的影响,如地层岩性、岩体结构、结构面、层组类型、地下水、地应力等;(3)外部荷载的影响,如基坑周围建筑物荷载、地表堆载、动荷载等。

4 岩体变形破坏机制
在分析工程岩体稳定性、划分岩体破坏类型时,首先要涉及岩体变形破坏机制的研究。

岩体变形破坏机制是指岩体变形破坏的力学作用过程[2]。

岩体在变形和破坏的过程中,一方面使岩体的内部结构和外形不断发生变化;另一方面使其应力状态也随之不断调整,并产生弹性能的积存和释放等效应。

因此,研究岩体变形破坏机制及过程是分析评价岩体稳定问题的重要理论基础。

通过对贵州岩溶地区层状岩质基坑变形破坏力学过程的理论分析,岩溶地区层状岩质基坑的变形破坏主要有以下几种力学机制:
(1)滑移(蠕滑):主要发生在具有力学性能较差的层面或软弱夹层、且有横向节理发育的顺倾向层状岩体,或被几组结构面切割而成的岩块中。

表现为一定形状的岩体沿岩体中的弱面或潜在剪切面的蠕滑。

(2)剪断-滑移:主要发生在具有力学性能较差的层面或软弱夹层、且无横向节理的顺倾向层状岩体中。

表现为一定的岩体在两侧坑壁被剪断后沿弱面向下滑移。

(3)蠕滑-拉裂:主要发生在被众多结构面所切割、岩体破碎的水平或反倾向层状岩体中。

表现为岩体向临空方向发生剪切蠕变,其后缘发育自坡面向深部发展的拉裂。

(4)塑流-弯曲-拉裂:这类模式主要是由于其下伏软弱夹层向临空面方向的塑性流动而使上覆岩体下部悬空,形成岩体简支梁,使层状岩体在自重和外加荷载的共同作用下产生弯曲,继而在岩体中部和端部产生拉裂缝,致使岩体断裂。

(5)弯曲-拉裂:主要发生在反倾向层状岩体中,尤其是薄层状岩体中。

表现为层状岩体经卸荷回弹后,在自重和外加荷载的共同作用下发生向临空方向的悬臂梁弯曲,并于其后缘产生拉裂。

另外,在水平或近水平层状岩体中,基坑坑底岩体在高地应力作用下也可能发生弯曲,并产生拉裂。

5 层状岩质基坑破坏模式
在岩质基坑工程中,工程开挖形成边坡壁,岩体产生临空面。

因卸荷作用破坏了基坑岩体的受力状态,使岩体松弛、强度降低,基坑岩体在自重力、地应力、地下水、外荷载等共同作用下,极可能产生不同形式的破坏。

尽管岩体的破坏从机制上可划分为剪切破坏和张性(或拉断)破坏两大类[1],但其最后所表现出的破坏模式却各不相同。

结合贵州岩溶地区部分层状岩质基坑工程失稳实例,并考虑层状岩质边坡和地下洞室中岩体的破坏模式,将层状岩质基坑的破坏归纳为以下6种破坏模式。

(1)平面滑动:如图4所示,指基坑开挖壁的岩体沿单一滑动面滑移的破坏现象。

滑面一般为岩体中力学性能较差的层面、软弱夹层等,主要发生在顺倾向层状岩质基坑工程中。

岩体沿岩层面滑动和壁岩强度、层面表面形态与粗糙度、层间充填物及其力
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学特性等有关。

当基坑开挖深度大、且位于夹层型层状岩体中时,基坑岩体往往沿其下卧软弱夹层发
生滑动。

图4 平面滑动破坏模式
(2)弧面滑动:指基坑开挖壁边坡岩体沿近似弧形滑面滑动破坏。

这类滑动破坏常常发生在岩体被众多层面、节理面强烈切割成近于碎裂状或散体状的层状岩质基坑中。

在反倾向岩质基坑(图5a)、水平(近水平)产状岩质基坑(图5b)和切向岩质基
坑中均可能发生。

图5 弧面滑动破坏模式
(3)楔体(块体)破坏:楔体(块体)破坏是在顺倾向和切向岩质基坑工程中常见的一种破坏模式。

按破坏岩块几何形态的不同,可分为楔体和块体两类。

楔体为四面体或五面体,由两条或两条以上的结构面对岩体切割而形成,并沿两个结构面发生滑移,其滑移方向沿这两个结构面的组合交线方向,且该交线的倾角缓于边坡坡角(图6a ,b)。

块体为六面体(图6c),由3条或3条以上的结构面对岩体切割而形成,其滑移方向沿倾角小于坑壁坡角的结构
面交线方向。

图6 楔体(块体)破坏模式
(4)倾倒破坏:这是反倾向层状岩体基坑的一
种主要破坏模式(图7)。

Good m an 和Bray 于1976年将弯曲倾倒变形破坏归纳为弯曲倾倒、块体倾倒和块体弯曲倾倒这3种基本类型[3]。

对层状岩质基坑工程而言,因开挖壁边坡两侧均存在相邻开挖壁边坡并作为支挡约束,因而发生大面积整体弯曲
倾倒的可能性很小。

但当层状岩体除岩层层面外,还存在多组切割层间岩体的横向节理时,这3种基本类型均有可能发生。

图7 倾倒破坏模式
(5)坑壁沉降:主要发生在水平或近水平产状、且存在下伏软弱夹层的层状岩质基坑中(图8)。

基坑开挖后,坑壁下伏软弱夹层向临空面(坑内)塑性流动,致使上覆岩体下部悬空,层状岩体在自重和外加荷载等力的共同作用下产生弯曲、折断。

坑壁岩体断裂后,岩体本身虽不产生向坑内的滑动破坏,却可导致基坑周边地面产生不均匀沉降,致使地表建筑物倾斜,甚至破坏。

(6)坑底隆起:坑底隆起是水平或近水平产状岩质基坑工程常见的破坏形式之一(图9)。

岩质基坑处于以下两种地质环境中时,发生坑底隆起破坏的可能性较大。

一是基坑底部下伏较高水头压力的
承压水时,坑底岩体会在承压水水头压力作用下发生隆起、折断;另一种情况是基坑工程位于高地应力区内,基坑开挖引起坑底岩体卸荷回弹和应力释放,致使坑底岩体隆起破坏。

如加拿大安大略省的一个露天采坑,就是一个很好的实例。

此露天采坑是在水平状的灰岩层中开挖,采坑面积为(305 610)m 2
,当开挖深度达15m 时,坑底岩体突然在几秒钟内裂开,裂缝迅速延伸,裂缝两侧15m 范围内的岩
层向上隆起,最大高度达2.4m [1]。

图8 坑壁沉降破坏模式 图9 坑底隆起破坏模式
参
考文献
[1] 张倬元,王士天,王兰生.工程地质分析原理[M ].北京:地质
出版社,1994.
[2] 孙广忠.岩体结构力学[M ].北京:科学出版社,1988.
[3] 陈祖煜,汪小刚,杨 健,等.岩质边坡稳定分析 原理 方法
程序[M ].北京:中国水利水电出版社,2005.
19。