湖北黄石某工程岩土特性及基坑开挖地质灾害勘察研究

周淼

摘  要：本文对湖北黄石风化花岗质片麻岩的成因、级配、分类及不同风化状态的岩土工程特性进行了综合研究。确定了在开挖过程中产生地质灾害的风化花岗质片麻岩的岩土工程特征，包括粒度分布不均匀、残积土水软化和球形风化巨石等。确定了存在流沙和管涌、地面沉降甚至坍塌、地下连续墙的挖沟困难等地质灾害。提出了防治这些地质灾害的对策，这些措施在基坑开挖工程中得到了应用。

关键词：风化花岗片麻岩  岩土工程特点  基坑開挖  地质灾害

中图分类号：P694;TU753                    文献标识码：A                    文章编号：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  风化花岗片麻岩工程特性研究

花岗质片麻岩又称黑云母钾长石片麻岩，是花岗岩变质作用的产物。花岗岩是花岗质岩浆侵入沉积地层并冷却形成的一种岩浆岩类型。在这个过程中，大量埋藏的酸性火山岩转化为花岗岩。在岩石应力作用下，花岗岩中的矿物被挤压，最后再结晶成花岗质片麻岩。因此，花岗质片麻岩的矿物成分在化学上与花岗岩相似，花岗岩由长石、黑云母、石英和角闪石组成。其特点是明暗相间的层状结构。未风化花岗质片麻岩致密坚硬，抗压强度高，抗腐蚀性好。然而，花岗质片麻岩一旦暴露在地表，与水、空气和阳光接触，就会沿着其层状结构的薄弱结构面发生剪切滑移破坏。经过物理和化学风化作用，不断变化，最终形成各种风化状态的风化花岗质片麻岩。风化花岗质片麻岩呈块状，粗粒成分为石英、长石、云母，充填物以风化长石为主的粘土矿物。一些花岗岩风化剖面直接暴露在地表，但大部分被冲积物覆盖。风化状态分级作为花岗岩类的一种，花岗片麻岩的风化状态与风化花岗岩具有相同的工程分级。一般而言，研究人员将花岗岩风化剖面分为五种风化状态：新鲜岩石、轻度风化、中度风化、高度风化和完全风化，主要根据花岗岩风化剖面的地质描述，以及点荷载、地震波速度和标准贯入值等指标对风化状态进行分类。

随着风化程度的增加，花岗质片麻岩风化剖面岩芯样品由深灰色柱状变为黄色碎屑岩块，最后变为紫红色砂土。从土壤成分来看，长石和黑云母已被化学风化成粘土矿物，而原生矿物主要是由石英物理风化而成的碎屑。定量指标（点荷载强度、纵波波速、标准贯入试验值）均随风化程度的增加由高变低。

黄石地区花岗质片麻岩风化剖面高度发育，厚度10～50m，深度可达100m，主要属于“富铝”风化群，是最新风化阶段的产物。

黄石花岗岩的风化带由花岗岩片麻岩，砂页岩和变质砂岩组成。新鲜的岩石和稍微风化的花岗岩片麻岩保持了基岩的结构和性质。它们紧凑且坚固，足以用作大型工业项目的负载层。对于中等侵蚀的部分，花岗岩片麻岩的50%～90%被中等侵蚀。尽管中度风化的花岗岩片麻岩已形成明显的裂隙，但仍保持了岩石结构和基岩的完整性。因此，中度风化的花岗岩片麻岩仍具有较高的抗压强度和良好的自稳定性，可以用作一般的工程支撑层。当新鲜的岩石降解为风化程度较高的花岗岩片麻岩时，花岗岩片麻岩中主要长石的矿物中有50%～70%会高度降解或完全降解。影响高风化花岗岩片麻岩抗压强度的主要因素是风化制品的强度，而不是花岗岩片麻岩的岩石结构。由于高解理作用和很少的粘土矿物填满裂缝，严重侵蚀断面的渗透率高于其他侵蚀状态下的花岗岩片麻岩。在严重侵蚀的花岗岩片麻岩裂缝中，通常会有大量的裂缝水。因此，重度风化区含有水和渗透水，通常被认为是承压含水层。完全风化的花岗岩片麻岩及其残留土壤（残留的花岗岩片麻岩土壤）阻碍并严重危害了风化花岗岩片麻岩山脉的建设。退化的土壤主要是硬砂质粘土，强度中等，可压缩性低。由于粘土矿物含量高，完全降解的土壤相对不可渗透。渗透系数通常在1×10-6～1×10-4cm/s之间，这与土壤中的粘土含量有关。完全降解的花岗岩片麻岩及其残留土壤的主要岩土工程特征如下。

（1）粒径分布不均。在完全降解的花岗片麻岩中，粗颗粒（0.1mm大小）和细颗粒（0.05mm大小）是主要颗粒组成，而土壤颗粒介于0.05和0.1mm小得多。由于这种特殊的粒度分布，退化的土壤具有沙土和粘性土的特征。这种特殊的粒度分布允许细颗粒在高动态压力下流过粗颗粒之间的孔隙。因此，在完全降解的花岗岩片麻岩中开挖时，有必要采取预防措施来避免管道和流沙。

（2）水變软。风化花岗岩片麻岩残留土壤中的泥沙和粘土含量高达20%。在其自然状态下，残留土壤受其结构和矿物成分的控制，并具有良好的机械性能。但是，当土壤受到水的交替影响（例如洪水和建筑自来水）时，水会软化并分解，最终失去其承载能力。广州地区完全降解的花岗片麻岩的软化系数一般小于0.36。花岗岩片麻岩的长石是残留土壤中淤泥和粘土的主要来源。因为它可以风化并形成粘土矿物，所以母体岩石中的长石越多，退化的土壤就越容易交替水分。

（3）球面老化。在风化过程中，长花岗岩（占花岗岩片麻岩的2/3）首先水解并碳化成高岭石，然后在退化的土壤中分解。同时，由于石英等矿物质不易抵抗和分解，因此花岗岩片麻岩中的这些矿物质通常形成单一岩石。当这些岩石暴露在外时，它们的壁架很容易遭受来自不同方向的风化和侵蚀。结果，单个石英岩逐渐降解为接近球形的岩石。侵蚀的岩石或所谓的巨石分布在严重侵蚀的区域和完全侵蚀的区域，分布不均，不利于基坑开挖和保护隧道的建设。因此，必须在施工前进行预处理。

2  施工现场水文地质勘察

本研究以黄石某大型商场为研究对象。该建筑基坑的总体设计长度为342.3m，宽度为29.7m，深度为11m。场地地质与水文地质本施工场地地质条件复杂。周围地层基本为中三叠世至晚侏罗世岩石，燕山构造阶段多期岩浆侵入逐渐形成。图1为地质剖面图。从第四纪的残积花岗岩、片麻岩（主要为第四纪残积岩和片麻岩）组成的松散的花岗岩层和上覆片麻岩。该区域的巨石主要聚集在设计的地下连续墙区域周围、残积土和全风化花岗质片麻岩中，图2显示了岩芯钻探岩芯样品。

土样在垂直方向上的特征变化很大。地表土壤相对干燥，已风化成颗粒状。地下5～15m，该层土壤饱和、可塑，渗透性差。除此之外，地层主要由不同程度风化的花岗片麻岩组成，如图2所示。

图3总结了整个研究场地的岩土工程概况和底土的土壤性质。该场地土层含水量为22.2～49.1%，渗透性为5.8×10-8～39×10-4，粘聚力主要在5.42～35kpa之间，而微风化花岗质片麻岩的粘聚力可达1200kpa。场地地下水可分为第四系松散层孔隙水和基岩裂隙裂隙水两类。孔隙水主要以潜水形式存在于浅表松散砂层中，主要受降雨补给。在强风化花岗质片麻岩裂隙中发现裂隙水。本场地全风化土的渗透性约为3×10-6m/s，强风化花岗质片麻岩的渗透性约为4×10-5m/s，因此，全风化花岗质片麻岩是一个相对不透水层，强风化花岗片麻岩层裂隙水被认为是承压水。

3  基坑施工中的潜在地质灾害及防治措施

3.1 地面沉降和塌陷

完全风化的花岗岩片麻岩对水软化的敏感性以及存储在高度风化的花岗岩片麻岩中的承压水是风化花岗岩片麻岩段建设的两个主要威胁。在自然状态下，严重侵蚀的花岗岩片麻岩的顶部坚硬，多沙且有泥土，基岩结构的一部分保留在底部，该底部为脆性砾石。裂缝水通常发生在严重侵蚀的岩石裂缝中。该层与严重侵蚀的花岗岩片麻岩顶部的沙褐色粘土与完全侵蚀的层分开。但是，当该层被打孔或受到干扰时，严重侵蚀的含水层中的加压水将冲入完全侵蚀的层及其残留土壤中，穿过土壤空间。完全风化的花岗岩片麻岩在水的交替作用下会迅速软化并分解，从而失去土壤结构和承载力。这会导致基坑周围的土壤沉降和坍塌。由于完全降解的花岗岩片麻岩的渗透率低，储存在高度降解的花岗岩片麻岩中的压裂水处于压力之下。

如果不采取预防措施使沉淀物进入密闭的含沙含水层中，则会导致土壤沉降甚至土壤塌陷。在排水过程中，严重侵蚀的花岗岩片麻岩的排水会导致密闭的沙层压实，导致土壤沉降。在正常条件下，这些井在施工过程中会继续排泄在严重风化的花岗岩片麻岩中的水分。但是，如果地下地下连续墙泄漏，井外第四纪地层孔隙中的水也会流失，薄弱层也会相应地固结。这两个含水层的固结和沉降将导致基坑周围严重的土壤沉降，从而危及附近的建筑物和交通。排水造成的另一种危害是流沙。该区域的承压含水层是一层沙子。中型谷物（0.05～0.1mm）相对小于粗粒和细粒。在泵送过程中，来自这些地层的细颗粒（例如淤泥）在流体动压作用下很容易穿过粗粒沙，从而形成流沙和管道。严重的流沙和管道将大量的水和土壤推入基坑，导致地面坍塌并破坏周围的建筑物。

为防止这些潜在的地质灾害，应采取诸如化学灌浆等加固措施来加固土壤。另外，为减少对周围土壤的干扰，建议在排水井钻进时使用速度控制钻进方法。调速钻井方法如下：（1）当发现薄弱层时，钻机应在低压低速下进行钻探;（2）进入花岗岩风化区后，应提高钻井速度以缩短软层与地下水的接触时间。排水坑的顶部装有粘土球，以将软化水层与井水隔离。事实证明，这种钻探方法适用于研究地点内分布的特定地层。

3.2 地下连续墙挖沟和格构柱施工

这些巨石严重危害了基坑施工的安全性，使连续的地下墙难以开挖，因此在施工前必须将其清除。为了消除巨石的影响，必须钻更多的井以对巨石的分布进行详细的岩土研究。对于小于800mm的巨石，建议使用挖沟机直接拆除。对于较大的岩石，深孔爆破是一种合适而有效的方法。钻孔后，必须将PVC管插入勘探井以提供支撑并为炸药提供通道。在喷砂区域周围，应钻出空心孔作为高压喷砂的释放通道。炸药爆炸后，将岩石破碎成小于300mm的碎片，然后轻松将其清除。深层爆破后，回收岩心样品以验证爆破效果。在深孔爆破过程中，没有砾石从孔中出来，对周围环境影响很小。因此，深孔爆破是安全无害处理岩石的有效方法。

由水引起的坚硬土壤的崩解也将威胁到整个建筑物的长期稳定性。为了避免可能的边坡破坏和大的墙体变形，可以使用高压裂缝灌浆来稳定连续地下墙周围的区域。沿着连续地下墙的内边缘，对正方形区域进行灌浆和加固，以固定连续地下墙。在墙外，缝隙灌浆用于灌浆，以在挡土墙外形成楔形区域，以保护土壤和建筑物靠近墙。楔形灌浆区域用作挡土墙，与内部正方形的区域重叠5m以防止其向前倾斜。

处理后，监测了隔膜墙的横向变形和附近建筑物的沉降。观测点的横向变形范围为0～17.5mm，小于警告值24mm。另一个观察结果是，通过壁的内边缘灌浆，深壁变形不会突出到底板中，这与先前研究中看到的扩展形状不同。5个受监视建筑物的基本条件和最终沉降表明，这些建筑物的所有沉降都低于15mm的警告值。因此，高压裂缝灌浆有效地減少了土壤的沉降，同时减少了对邻近土壤的影响。

4  结语

通过对风化花岗片麻岩地质岩土工程特征及开挖过程中潜在的地质灾害分析，得出以下结论。

（1）在研究区内，风化花岗质片麻岩的以下岩土工程特性可能在开挖过程中诱发地质灾害：全风化花岗质片麻岩粒度分布不均匀;残积土的水软化;球形风化。由于中等粒径颗粒（0.05～0.1mm）较少，细颗粒很容易通过大颗粒形成的孔隙流动，这将在地下水抽水过程中造成流沙和管道危害。花岗片麻岩残积土在自然状态下具有稳定的力学行为。然而，在浸水或流水施工时，会使水软化、分解，引起地面沉降甚至坍塌。花岗片麻岩球状风化的存在，可能导致地下连续墙开沟困难和格构柱失稳。

（2）花岗岩风化剖面分为新鲜岩石、微风化岩石、中风化岩石、强风化岩石和全风化岩石五个等级。微风化和中风化花岗片麻岩保持了新鲜岩石的基本岩石结构，抗压强度高，自稳定性好。由于强风化花岗质片麻岩中发育了许多裂隙，因此它的透水性比其他四个等级高。因此，承压含水层大多形成于强风化花岗片麻岩中。全风化花岗质片麻岩粘土颗粒含量高，导水率低。

（3）为防止开挖过程中出现上述地质灾害，建议采取以下措施：通过排水井的速率控制钻井;挡土墙两侧灌浆;大粒径残砾孤石的深孔爆破。通过控制降水井的钻进速度，避免了残积土的水软化，减少了对上覆软粘土的扰动。采用高压裂缝灌浆，在挡土墙外侧形成楔形区域，以挡土墙附近的泥土和建筑物。采用深孔控制爆破，将巨石破碎成小于300mm的块体，以避免巨石阻碍地下连续墙和格构柱的施工。这些措施在基坑开挖的施工实践中证明是有效的，可为类似场地的工程实践提供良好的参考。

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