花岗岩残积土工程特性及地铁深基坑设计技术研究

发布时间：2019-04-19 19:26

【摘要】：花岗岩类岩石是大陆上分布最广泛的岩石之一,是构成大陆地壳的重要组成部分。由于花岗岩节理发育,沿着节理进行的风化作用,可以向岩体内部深入,形成很厚的红色风化壳,这是我国东南部花岗岩地貌的一大特点。残积土是风化壳顶部岩石经强烈物理、化学和生物风化作用,原岩结构基本消失而残留在原地的土层。作为红色风化壳的一种类型,花岗岩风化壳由于风化的强烈不均一性和工程地质因素的地带性而受到广泛的关注。花岗岩残积土是一种特殊土,有其独有的组成和结构特征及突出的工程特性。由于花岗岩风化残积土具有特殊的工程特性,其遇水后容易导致土体强度尚失、软化、崩解,引发地质灾害,常常给工程建设带来巨大的风险和经济损失。随着我国城市化进程的加快发展,许多城市着手开展大规模的轨道交通建设以缓解交通压力。在南部沿海地区城市地铁、城际轨道交通工程建设中,为避免大面积占用土地,多数采用地下埋设的方式建设车站及区间隧道,在花岗岩残积土地区修建地下工程引发的工程地质问题随之大量涌现出来,引起的工程事故数量愈加增多。花岗岩残积土地基软化、桩基失效、边坡失稳、隧道坍塌、基坑变形等等工程事故频繁发生。从现实工程的实际需要出发,开展花岗岩残积土的工程特性及工程问题研究,通过全面、系统地开展花岗岩残积土的工程特性研究,深入了解其产生工程地质问题的根源,尤其是如何解决花岗岩残积土的工程问题,预防工程事故的发生,无疑是一个重要而急迫的研究课题,不仅具有重要的现实意义,也具有重大的经济价值。本文以广州地铁在花岗岩残积土地区建设的工程实例为基础,依托广州市地下铁道总公司的科研基金资助,开展了广州地区花岗岩残积层的岩土工程特性分析及地铁施工方法的研究课题,通过深入系统地研究花岗岩残积土的工程特性、地铁明挖基坑设计、花岗岩残积土的处理措施等,有效解决上述存在的问题,为在花岗岩残积土地区开展的工程建设提供设计和施工的参考。通过资料收集整理、室外钻探取样、室内试验、统计分析等方法对广州地区花岗岩残积土的成因、粒度组成、物理力学性质、崩解软化的工程特性进行了研究；通过广州地铁多个基坑设计的总结、力学计算、数值模拟、现场实验等方法,以广州地铁六号线二期工程萝岗站基坑的花岗岩风化层基坑为例,深入系统地研究了基坑内降水技术解决花岗岩残积土的处理技术,有效解决广州地铁花岗岩残积土基坑设计与施工中遇到的问题。对广州地铁的工程建设具有重要的指导意义,也为其他城市类似条件下的地铁基坑建设提供参考。主要研究成果有：(1)花岗岩残积土主要是化学风化阶段的产物,其粒组成分特点反映了物理风化的不彻底性。花岗岩残积十的崩解、软化性高于混合花岗岩残积土,当粘粒(d0.005mm)含量大于30%时,花岗岩残积土的特性比较稳定,基本不发生软化、崩解。(2)花岗岩残积土的天然含水量与其产出环境密切相关,隐伏花岗岩残积土的含水量比出露地表的花岗岩残积土的含水量高。天然状态下花岗岩残积土多呈现硬塑一可塑状态,属低液限土；具有中等压缩性；具弱-微透水性；其自由膨胀率较低,不属于膨胀土。其微观结构主要有架状结构、絮状结构和充填结构三个类型。(3)花岗岩残积土和混合花岗岩残积土的力学性质存在较大的差异。花岗岩的残积土赋存的空间不同,其力学指标也相差较大。天然状态下与饱和状态下的内聚力和内摩擦角的变化与天然状态下土体的饱和度有关,由于南方地区地下水位较高,花岗岩残积层长期位于地下水位以下,已经接近饱和,因此其天然状态下与饱和状态下的内聚力和内摩擦角的变化不大。(4)由于花岗岩残积土物质组成、粒度成分、内部构造的影响,花岗岩残积土具有遇水软化、崩解、强度尚失的天然特性,在水的作用下,其崩解软化的现象是不可避免的,控制花岗岩残积士完全崩解时间的主要控制因素为含水量。天然含水量低,则崩解过程经历的时间很短。随压实度的增大,花岗岩残积土的崩解性相对较弱。根据灰色关联度计算结果,对花岗岩残积土崩解试验过程中各控制因子对崩解稳定阶段平均速率关联度从高到低排序如下：X4(有效空隙比)X5(有效空隙率)X2(压实度)xl(含水量)X3(温度),随着有效空隙率的增大,水对土的浸入程度增大,土的崩解速率也就相应增大,土的抗崩解性也随之降低。(5)花岗岩残积土强度指标c、φ值随着降水深度的增加而表现出增长趋势,但随着降水深度的增加,其增长幅度减小。降水有利于土体强度的增加,对开挖安全可起到有效的保护作用。各层土的纵向渗透系数随基坑开挖深度及降水深度的增加而增大；横向渗透系数随着基坑开挖深度及降水深度的增加而减小。分析原因,主要是基坑开挖卸载使得土体压力减小引起土体的孔隙比变大,从而造成纵向渗透系数变大；同时降水引起了土体孔隙的减小造成了横向渗透系数减小。土体含水率对花岗岩残积土的特性影响很大,进行基坑土方开挖时,必须提前把地下水位降到基坑底部以下。(6)由于地下连续墙的连续性好、适用于各种地层及地下水条件、止水效果好等优点,考虑到花岗岩残积土的崩解特性,在花岗岩残积土发育地区,地铁基坑的支护形式选取地下连续墙+内支撑支护型式。在相同条件下,“增量法”深基坑计算连续墙水平向位移结果比“全量法”计算结果大,而连续墙水平位移是衡量基坑稳定的重要因素,在花岗岩残积土地区的深基坑计算建议采用“增量法”深基坑分析计算软件进行计算。(7)在统一经济指标下进行了花岗岩风化层处理方案的比选,基坑内降水井处理花岗岩残积土的方案是最为经济合理的手段。基坑开挖前至少需要提前20天进行降水,降水井必须认真设计,施工时严格按照图纸施工,并严格进行施工管理才能达到基坑内降水解决花岗岩残积土软化崩解的目的。根据萝岗站的实际监测数据表明,降水井方案很好地达到了预期处理目标,成功地将基坑水位降至基底以下,有效地控制了花岗岩风化层的软化现象,保证了基坑的安全与稳定。(8)通过理论计算、数值模拟与现场实验等手段,以广州地铁萝岗站明挖基坑为研究对象,对围护结构地下连续墙的嵌固深度进行了研究：在不考虑花岗岩残积土软化影响时,将原设计为8m的地下连续墙嵌固深度调整为7m或6m后,基坑安全与结构稳定仍能得到保证。随着嵌固深度的增大,基坑向外变形的变化不大,向内的变形则逐步减小,钢支撑的轴力也逐步减小,表明随着嵌固深度的增大,基坑稳定的安全系数得到了提高。(9)通过数值模拟区分采用一次性降水方式还是采用分步降水方式,区分地下连续墙是否透水,对比分析了四种工况下的地下连续墙水平位移和竖向位移、地下连续墙的主应力、地下连续墙的弯矩、内撑轴力、坑底土体竖向位移、基坑外土体竖向位移等指标的变化特点。结果表明：逐步降水并逐步开挖的情况下,每一次降水均使地下连续墙下沉,而每一次坑内开挖均使地下连续墙上隆。地下连续墙竖向位移波动变化容易导致墙体开裂,也容易导致墙身和内撑的接头松脱,需引起注意。一次性降水下的地下连续墙顶最大沉降量至少是分步降水下的2倍,一次性降水下的地下连续墙最小主压应力是分步降水下的1.3倍。对比了地下连续墙水平位移、内支撑轴力的数值模拟结果和现场实测结果,表明现场实测结果和数值模拟结果相差较小,证明了数值模拟结果的参考价值。
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【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU753

【参考文献】