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第三節(jié) 常見工程地質(zhì)問題及其處理方法

一、特殊地基

地基對建筑物的影響很大，工程建設(shè)難免遇到一些特殊地基必須加以處理。

(一)松散、軟弱土層。對不滿足承載力要求的松散土層，如砂和砂礫石地層等，可挖除，也可采用固結(jié)灌漿、預(yù)制樁或灌注樁、地下連續(xù)墻或沉井等加固;對不滿足抗?jié)B要求的，可灌水泥漿或水泥黏土漿，或地下連續(xù)墻防滲;對于影響邊坡穩(wěn)定的，可噴射混凝土或用土釘支護(hù)。

對不滿足承載力的軟弱土層，如淤泥及淤泥質(zhì)土，淺層的挖除，深層的可以采用振沖等方法用砂、沙礫、碎石或塊石等置換。

(二)風(fēng)化、破碎巖層。風(fēng)化一般在地基表層，可以挖除。破碎巖層有的較淺，可以挖除。有的埋藏較深，如斷層破碎帶，可以用水泥漿灌漿加固或防滲;風(fēng)化、破碎處于邊坡影響穩(wěn)定的，可根據(jù)情況采用噴混凝土或掛網(wǎng)噴混凝土護(hù)面，必要時(shí)配合灌漿和錨桿加固。

(三)斷層、泥化軟弱夾層。對充填膠結(jié)差，影響承載力或抗?jié)B要求的斷層，淺埋的盡可能清除回填，深埋的灌水泥漿處理;泥化夾層可能影響承載能力，淺埋的盡可能清除回填，深埋的一般不影響承載能力。

斷層、泥化軟弱夾層可能是基礎(chǔ)或邊坡的滑動控制面，對于不便清除回填的，根據(jù)埋深和厚度，可采用錨桿、抗滑樁、預(yù)應(yīng)力錨索等進(jìn)行抗滑處理。

在滑坡體上方修筑截水設(shè)施，在滑坡體下方筑好排水設(shè)施;經(jīng)過論證方可以在滑坡體的上部刷方減重以防止滑坡，未經(jīng)論證不要輕易擾動滑坡體。不能在上部刷方減重的，可考慮在滑坡體坡腳采用擋土墻、抗滑樁等支擋措施，也可采用固結(jié)灌漿等措施改善滑動面和滑坡體的抗滑性能。

(四)巖溶與土洞。巖溶是可溶性巖層被水長期溶蝕而形成的各種地質(zhì)現(xiàn)象和形態(tài)，又稱喀斯特。選擇巖溶地區(qū)地基處理方法時(shí)，應(yīng)考慮地基、基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的共同作用。巖溶地區(qū)地基處理與施工時(shí)，應(yīng)根據(jù)巖溶發(fā)育特征和地表水徑流、地下水賦存條件制定截流、防滲，堵漏或疏排措施。

對塌陷或淺埋溶(土)洞宜采用挖填夯實(shí)法、跨越法、充填法、墊層法進(jìn)行處理;對深埋溶(土)洞宜采用注漿法、樁基法、充填法進(jìn)行處理。對落水洞及淺埋的溶溝(槽)、 溶蝕(裂隙、漏斗)等，宜采用跨越法、充填法進(jìn)行處理。對于巖溶地區(qū)地貌、地質(zhì)、水文條件復(fù)雜及塌陷量大、影響范圍大的地段，可采用多種方法綜合處理。巖溶地基處理與施工時(shí)，應(yīng)對巖溶水進(jìn)行疏導(dǎo)或封堵，減少淘蝕、潛蝕。

二、地下水

地下水最常見的問題主要是對巖體的軟化、侵蝕和靜水壓力、動水壓力作用及其滲透破壞等。

(一)地下水對土體和巖體的軟化

地下水使土體尤其是非黏性土軟化，降低強(qiáng)度、剛度和承載能力。有侵蝕性的地下水使巖石發(fā)生化學(xué)變化，也可能導(dǎo)致巖石的強(qiáng)度降低，尤其是地下水使結(jié)構(gòu)面的粘結(jié)力 C 降低和摩擦角φ減小，使結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度降低，造成巖體的承載力和穩(wěn)定性下降。

(二)地下水位下降引起軟土地基沉降

一般在沿海軟土層中進(jìn)行基礎(chǔ)施工時(shí)，需要人工降低地下水位。若降水措施不當(dāng)，輕者造成鄰近建筑物或地下管線的不均勻沉降，重者使建筑物基礎(chǔ)下的土體顆粒流失，甚至掏空，導(dǎo)致建筑物開裂，進(jìn)而危及安全使用。

(三)動水壓力產(chǎn)生流沙和潛蝕

當(dāng)?shù)叵滤膭铀畨毫Υ笥谕亮５母∪葜鼗虻叵滤乃ζ露却笥谂R界水力坡度時(shí)，就會產(chǎn)生流沙。其嚴(yán)重程度按現(xiàn)象可分三種：

1.輕微流沙，細(xì)小的土顆粒會隨著地下水滲漏穿過縫隙而流入基坑;

2.中等流沙，在基坑底部，尤其是靠近圍護(hù)樁墻的地方，出現(xiàn)粉細(xì)砂堆及其許多細(xì)小土粒緩慢流動的滲水溝紋;

3.嚴(yán)重流沙，流沙冒出速度增加，甚至像開水初沸翻泡。

流沙易產(chǎn)生在細(xì)沙、粉沙，粉質(zhì)黏土等土中，致使地表塌陷或建筑物的地基破壞，能給施工帶來很大困難，或直接影響工程建設(shè)及附近建筑物的穩(wěn)定。因此，必須進(jìn)行處治。

常用的處置方法有人工降低地下水位和打板樁等，特殊情況下也有采取化學(xué)加固法、爆炸法及加重法等。在基槽開挖的過程中局部地段突然出現(xiàn)嚴(yán)重流沙時(shí)，可立即拋入大塊石等阻止流沙。

潛蝕作用可分為機(jī)械潛蝕和化學(xué)潛蝕兩種。

如果地下水滲流產(chǎn)生的動水壓力小于土顆粒的有效重度，即滲流水力坡度小于臨界水力坡度，雖然不會發(fā)生流沙現(xiàn)象，但是土中細(xì)小顆粒仍有可能穿過粗顆粒之間的孔隙被滲流攜帶流失。在土層中將形成管狀空洞，使土體結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度降低，壓縮性增加，這種現(xiàn)象稱之為機(jī)械潛蝕。

化學(xué)潛蝕是指地下水溶解土中的易溶鹽分，破壞土粒間的結(jié)合力和土的結(jié)構(gòu)，土粒被水帶走，形成洞穴的作用。這兩種作用一般是同時(shí)進(jìn)行的。在地基土層內(nèi)如具有地下水的潛蝕作用時(shí)，將會破壞地基土的強(qiáng)度，形成空洞，產(chǎn)生地表塌陷，影響建筑工程的穩(wěn)定。在我國的黃土層及巖溶地區(qū)的土層中，常有潛蝕現(xiàn)象產(chǎn)生。

對潛蝕的處理可以采用堵截地表水流入土層、阻止地下水在土層中流動、設(shè)置反濾層、改良土的性質(zhì)、減小地下水流速及水力坡度等措施。

(四)地下水的浮托作用

當(dāng)建筑物基礎(chǔ)底面位于地下水位以下時(shí)，地下水對基礎(chǔ)底面產(chǎn)生靜水壓力，即產(chǎn)生浮托力。如果基礎(chǔ)位于粉土、砂土、碎石土和節(jié)理裂隙發(fā)育的巖石地基上，則按地下水位 100%計(jì)算浮托力;如果基礎(chǔ)位于節(jié)理裂隙不發(fā)育的巖石地基上，則按地下水位 50%計(jì)算浮托力;如果基礎(chǔ)位于黏性土地基上，其浮托力較難確切地確定，應(yīng)結(jié)合地區(qū)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)考慮。

(五)承壓水對基坑的作用

當(dāng)基坑底為隔水層且層底作用有承壓水時(shí)，應(yīng)進(jìn)行坑底突涌驗(yàn)算，必要時(shí)可采取水平封底隔滲或鉆孔減壓措施，保證坑底土層穩(wěn)定。當(dāng)坑底含承壓水層且上部土體壓重不足以抵抗承壓水水頭時(shí)，應(yīng)布置降壓井降低承壓水水頭壓力，防止承壓水突涌，確?；娱_挖施工安全。

(六)地下水對鋼筋混凝土的腐蝕

地下水對混凝土建筑物的腐蝕是一項(xiàng)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，在一定的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件下，對建筑材料的耐久性影響很大。

三、邊坡穩(wěn)定

(一)影響邊坡穩(wěn)定的因素

影響邊坡穩(wěn)定性的因素有內(nèi)在因素與外在因素兩個(gè)方面。

內(nèi)在因素有組成邊坡巖體的性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力等，它們常常起著主要的控制作用;外在因素有地表水和地下水的作用、地震、風(fēng)化作用、人工挖掘、爆破以及工程荷載等。

1.地貌條件

深切峽谷地區(qū)，陡峭的岸坡是容易發(fā)生邊坡變形和破壞的地形條件。崩塌現(xiàn)象均發(fā)生在坡度大于 60°的斜坡上。

2.地層巖性

(1)深成侵入巖、厚層堅(jiān)硬的沉積巖以及片麻巖、石英巖等構(gòu)成的邊坡，一般穩(wěn)定程度是較高的。只有在節(jié)理發(fā)育、有軟弱結(jié)構(gòu)面穿插且邊坡高陡時(shí)，才易發(fā)生崩塌或滑坡現(xiàn)象。

(2)噴出巖邊坡，如玄武巖、凝灰?guī)r、火山角礫巖、安山巖等，其原生的節(jié)理，尤其是柱狀節(jié)理發(fā)育時(shí)，易形成直立邊坡并易發(fā)生崩塌。

(3)含有黏土質(zhì)頁巖、泥巖、煤層、泥灰?guī)r、石膏等夾層的沉積巖邊坡，最易發(fā)生順層滑動，或因下部蠕滑而造成上部巖體的崩塌。

(4)千枚巖、板巖及片巖，巖性較軟弱且易風(fēng)化，在產(chǎn)狀陡立的地段，臨近斜坡表部容易出現(xiàn)蠕動變形現(xiàn)象。當(dāng)受節(jié)理切割遭風(fēng)化后，常出現(xiàn)順層(或片理)滑坡。

(5)具有垂直節(jié)理且疏松透水性強(qiáng)的黃土，浸水后易崩解濕陷。當(dāng)受水浸泡或作為水庫岸邊時(shí)，極易發(fā)生崩塌或塌滑現(xiàn)象。

(6)崩塌堆積、坡積及殘積層地區(qū)，其下伏基巖面常常是一個(gè)傾向河谷的斜坡面。當(dāng)有地下水在此受阻，并有黏土質(zhì)成分沿其分布時(shí)，極易形成滑動面，從而使上部松散堆積物形成滑坡。

3.地質(zhì)構(gòu)造與巖體結(jié)構(gòu)

4.地下水

地下水是影響邊坡穩(wěn)定最重要、最活躍的外在因素，絕大多數(shù)滑坡都與地下水的活動有關(guān)。地下水的作用是很復(fù)雜的，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)地下水會使巖石軟化或溶蝕，導(dǎo)致上覆巖體塌陷，進(jìn)而發(fā)生崩塌或滑坡。

(2)地下水產(chǎn)生靜水壓力或動水壓力，促使巖體下滑或崩倒。

(3)地下水增加了巖體重量，可使下滑力增大。

(4)在寒冷地區(qū)，滲入裂隙中的水結(jié)冰，產(chǎn)生膨脹壓力，促使巖體破壞傾倒。

(5)地下水產(chǎn)生浮托力，使巖體有效重量減輕，穩(wěn)定性下降。

(二)不穩(wěn)定邊坡的防治措施

1.防滲和排水

防滲和排水是整治滑坡的一種重要手段，只要布置得當(dāng)、合理，均能取得較好效果。為了防止大氣降水向巖體中滲透，一般是在滑坡體外圍布置截水溝槽，以截?cái)嗔髦粱麦w上的水流。應(yīng)在大的滑坡體上布置一些排水溝，同時(shí)要整平坡面，防止有積水的坑洼，以利于降水迅速排走。針對已滲入滑坡體的水，通常是采用地下排水廊道，截住滲透的水流或?qū)⒒麦w中的積水排出滑坡體以外。

2.削坡

削坡是將陡傾的邊坡上部的巖體挖除，一部分使邊坡變緩，同時(shí)也可使滑體重量減輕，以達(dá)到穩(wěn)定的目的。削減下來的土石，可填在坡腳，起反壓作用，更有利于穩(wěn)定。

3.支擋建筑

支擋建筑主要是在不穩(wěn)定巖體的下部修建擋墻或支撐墻(或墩)，也是一種應(yīng)用廣泛而有效的方法。材料用混凝土、鋼筋混凝土或砌石。支擋建筑物的基礎(chǔ)要砌置在滑動面以下。若在擋墻后增加排水措施，效果更好。

4.錨固

錨固措施，有錨桿(或錨索)和混凝土錨固樁兩種類型，其原理都是提高巖體抗滑(或抗傾倒)能力。

預(yù)應(yīng)力錨索或錨桿錨固不穩(wěn)定巖體的方法，適用于加固巖體邊坡和不穩(wěn)定巖塊。錨固樁(或稱抗滑樁)適用于淺層或中厚層的滑坡體。它是在滑坡體的中、下部開挖豎井或大口徑鉆孔，然后澆灌鋼筋混凝土。垂直于滑動方向布置一排或兩排，樁徑通常為 1～3m，深度一般要求滑動面以下樁長占全樁長的 1/4—1/3。

四、圍巖穩(wěn)定

(一)地下工程位置選則的影響因素

地下工程位置的選擇，除取決于工程目的要求外，還需要考慮區(qū)域穩(wěn)定、山體穩(wěn)定及地形、巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水、地應(yīng)力等五個(gè)因素的影響。

(1)地形條件

在地形上要求山體完整，地下工程周圍包括洞頂及傍山側(cè)應(yīng)有足夠的山體厚度。如選擇隧洞位置時(shí)，隧洞進(jìn)出口地段的邊坡應(yīng)下陡上緩，無滑坡、崩塌等現(xiàn)象存在。洞口巖石應(yīng)直接出露或坡積層薄，巖層最好傾向山里以保證洞口坡的安全。

(2)巖性條件

堅(jiān)硬完整的巖體，圍巖一般是穩(wěn)定的，能適應(yīng)各種斷面形狀的地下工程。而軟弱巖體，如黏土巖類、破碎及風(fēng)化巖體、吸水易膨脹的巖體等，通常力學(xué)強(qiáng)度低，遇水易軟化、崩解及膨脹等，不利于圍巖的穩(wěn)定。

因此，地下工程位置應(yīng)盡量選在堅(jiān)硬完整巖石中。一般而言，巖漿巖、厚層堅(jiān)硬的沉積巖及變質(zhì)巖，圍巖的穩(wěn)定性好，適于修建大型的地下工程。凝灰?guī)r、黏土巖、頁巖、膠結(jié)不好的砂礫巖、千枚巖及某些片巖，穩(wěn)定性差，不宜建大型地下工程。

(3)地質(zhì)構(gòu)造條件

1)褶皺的影響。在背斜核部，巖層呈上拱形，有利于洞頂?shù)姆€(wěn)定。向斜核部巖層呈倒拱形，易于塌落。原則上應(yīng)避開褶皺核部，若必須在褶皺巖層地段修建地下工程，可以將地下工程放在褶皺的兩側(cè)。

2)斷裂的影響。斷層破碎帶及斷層交匯區(qū)穩(wěn)定性極差，地下工程開挖如遇較大規(guī)模的斷層，基本上都會產(chǎn)生塌方甚至冒頂(洞頂大規(guī)模突然坍塌破壞)。一般而言，應(yīng)避免地下工程軸線沿?cái)鄬訋Р贾谩６叵鹿こ梯S線垂直或近于垂直斷裂帶，所需穿越的不穩(wěn)定地段較短，但也可能產(chǎn)生塌方。因此，在選址時(shí)應(yīng)盡量避開大斷層。

3)巖層產(chǎn)狀的影響。對于地下工程軸線與巖層走向垂直的情況，圍巖的穩(wěn)定性較好，特別是對邊墻穩(wěn)定有利。在水平巖層中布置地下工程時(shí)，應(yīng)盡量使地下工程位于均質(zhì)厚層的堅(jiān)硬巖層中。當(dāng)洞身穿過軟硬相間或破碎的傾斜巖層時(shí)，順傾向一側(cè)的圍巖易于變形或滑動，造成很大的偏壓，逆傾向一側(cè)圍巖側(cè)壓力小，有利于穩(wěn)定。

(4)地下水

在選址時(shí)最好選在地下水位以上的干燥巖體內(nèi)，或地下水量不大、無高壓含水層的巖體內(nèi)。

(5)地應(yīng)力

初始應(yīng)力狀態(tài)是決定圍巖應(yīng)力重分布的主要因素。

(二)圍巖的工程地質(zhì)分析

(1)圍巖穩(wěn)定性分析

變形與破壞的五種形式：

1)脆性破裂，經(jīng)常產(chǎn)生于高地應(yīng)力地區(qū)。存儲有很大彈性應(yīng)變能的巖體，在開挖卸荷后，能量突然釋放形成的。

2)塊體滑移，是塊狀結(jié)構(gòu)圍巖常見的破壞形式，常以結(jié)構(gòu)面交匯切割組合成不同形狀的塊體滑移、塌落等形式出現(xiàn)。

3)巖層的彎曲折斷，是層狀圍巖變形失穩(wěn)的主要形式。在傾斜層狀圍巖中，當(dāng)層間結(jié)合不良時(shí)，順傾向一側(cè)拱腳以上部分巖層易彎曲折斷，逆傾向一側(cè)邊墻或頂拱易滑落掉塊。在陡傾或直立巖層中，因洞周的切向應(yīng)力與邊墻巖層近于平行，所以邊墻容易凸邦彎曲。

4)碎裂結(jié)構(gòu)巖體在張力和振動力作用下容易松動、解脫，在洞頂則產(chǎn)生崩落，在邊墻上則表現(xiàn)為滑塌或碎塊的坍塌。當(dāng)結(jié)構(gòu)面間夾泥時(shí)，往往會產(chǎn)生大規(guī)模的塌方，如不及時(shí)支護(hù)，將愈演愈烈，直至冒頂。

5)一般強(qiáng)烈風(fēng)化、強(qiáng)烈構(gòu)造破碎或新近堆積的土體，在重力、圍巖應(yīng)力和地下水作用下常產(chǎn)生冒落及塑性變形。

(2)圍巖的分類

主要是鑒于圍巖的穩(wěn)定性對圍巖進(jìn)行分類，不同建設(shè)行業(yè)對圍巖的分類尚不盡相同。例如，水利建設(shè)行業(yè)將圍巖分為五類，交通建設(shè)行業(yè)將圍巖分為六類。

(三)提高圍巖穩(wěn)定性的措施

(1)支撐與襯砌。

支撐是在地下工程開挖過程中用以穩(wěn)定圍巖用的臨時(shí)性措施。按照選用材料的不同，有木支撐、鋼支撐及混凝土支撐等。在不太穩(wěn)定的巖體中開挖，需及時(shí)支撐以防止圍巖早期松動。

襯砌是加固圍巖的永久性結(jié)構(gòu)，其作用主要是承受圍巖壓力及內(nèi)水壓力，有混凝土及鋼筋混凝土襯砌，也可以用漿砌條石襯砌。

(2)噴錨支護(hù)。噴錨支護(hù)是在地下工程開挖后，及時(shí)地向圍巖表面噴--薄層混凝土(一般厚度為 5～20cm)，有時(shí)再增加一些錨桿，從而部分地阻止圍巖向洞內(nèi)變形，以達(dá)到支護(hù)的目的。

噴錨支護(hù)能使混凝土噴層與圍巖緊密結(jié)合，并且噴層本身具有一定的柔性和變形特性，因而能及時(shí)有效地控制和調(diào)整圍巖應(yīng)力的重分布，最大限度地保護(hù)巖體的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)，防止圍巖的松動和坍塌。如果噴混凝土再配合錨桿加固圍巖，則會更有效地提高圍巖自身的承載力和穩(wěn)定性。

(四)各類圍巖的具體處理方法

(1)對于堅(jiān)硬的整體圍巖，巖塊強(qiáng)度高，整體性好，在下工程開挖后自身穩(wěn)定性好，基本上不存在支護(hù)向題。這種情況下噴混凝土的作用主要防止圍巖表面風(fēng)化，消除開挖后表面的凹凸不平及防止個(gè)別巖塊掉落，其噴層厚度一般 3～5cm。當(dāng)?shù)叵鹿こ虈鷰r中出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)時(shí)，應(yīng)采用錨桿穩(wěn)定圍巖。

(2)對于塊狀圍巖，這類圍巖的坍塌總是從個(gè)別石塊——“危石”掉落開始，再逐漸發(fā)展擴(kuò)大，只要及時(shí)有效地防止個(gè)別“危石”掉落，就能保證圍巖整體的穩(wěn)定性。一般而言，對于此類圍巖，噴混凝土支護(hù)即可，但對于邊墻部分巖塊可能沿某一結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)滑動時(shí)，應(yīng)該用錨桿加固。

(3)對于層狀圍巖，在開挖地下工程時(shí)，往往不易打成拱形(或圓形)，爆破后頂面經(jīng)常成平板狀，如不加支護(hù)，圍巖常常先發(fā)生彎曲張開，然后逐漸坍塌。因此對于此類圍巖，應(yīng)以錨桿為主要的支護(hù)手段。

(4)對于軟弱圍巖，相當(dāng)于圍巖分類中的 IV 類和 V 類圍巖，一般強(qiáng)度低、成巖不牢固的軟巖，破碎及強(qiáng)烈風(fēng)化的巖石。該類圍巖在地下工程開挖后一般都不能自穩(wěn)，所以必須立即噴射混凝土，有時(shí)還要加鋼筋網(wǎng)，然后打描桿才能穩(wěn)定圍巖。

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