某精密仪器厂场地工程地质特征及稳定性评价

收稿日期：2023-12-24；修回日期：2024-03-14

作者简介：张政（1992- ），男，硕士，工程师，主要从事工程地质勘察研究与管理。E-mail： zhangzheng0705@126.com

引用格式：张政，2024.某精密仪器厂场地工程地质特征及稳定性评价［J］.城市地质，19（2）：233-241

摘 要：采用钻探、地球物理勘探、波速测量等方法，查明场地工程地质特征，评价了场地稳定性、地基均匀性和地震稳定性。采用赤平极射投影法定性分析开挖边坡最不利的岩土结构面，并利用圆弧滑动法对保留山体边坡和回填边坡的稳定性作出评价。结果表明：工程场地稳定性好，开挖边坡结构面组合交线倾角大于坡面，整体属于稳定型；保留山体边坡稳定安全系数符合规范允许值；回填边坡采用抗滑桩处理后，边坡稳定安全系数为1.436，满足规范要求，施工期基底沉降量最大值约250 mm。

关键词：精密仪器场地；地质特征；边坡；极射赤平投影，圆弧滑动法；稳定性分析

Stability evaluation and engineering geological characteristics of a precision instrument factory site

ZHANG Zheng

（Science City Development and Construction Bureau of Guangming District， Shenzhen 518107， Guangdong， China）

Abstract： To find out the engineering geological characteristics of a precision instrument construction project， applications were made of drilling， geophysical exploration and wave velocity measurement. The stability of the site， uniformity of the foundation， and seismic stability were evaluated. The most unfavorable rock and soil structural planes of the excavation slope were analyzed with the stereographic projection method. The stability of reserve mountain slopes and backfill slopes were evaluated by circular arc sliding method. The results show that the stability of the engineering site is good， and the dip angle of the combined intersection of structural planes of the excavated slope is larger than that of the slope， so the whole slope is stable. The stability safety factor of reserve mountain slope meets the allowable value of the code. After the backfill slope is treated with anti-slide piles， the safety factor of slope stability is 1.436， which meets the requirements of the code. The maximum settlement of the foundation during the construction period is about 250 mm. The research results have reference significance for the study of site selection and stability of similar precision factory projects.

Keywords： precision instrument site; geological characteristics; slope; polar equatorial projection; circular arc sliding method; stability analysis

精密设备建设项目的工程地质特征和场地稳定性对后期的建设及使用影响重大。近年来，国内专家、学者对相关市政建筑和重点工程的地质特征及稳定性分析做了大量研究，采用多种技术手段和方法分析工程地质特征、评价场地稳定性。传统的勘察手段主要为测绘、钻探、地球物理勘探等方法，如：彭卫平等（2005）采用地质测绘、钻探、地球物理勘探方法，查明了瘦狗岭断裂的分布和活动特征，并综合评价了广东奥林匹克体育中心场地稳定性；王健（2021）、刘杰（2024）通过跨孔弹性波CT物探方法，研究了岩溶地质特征对地铁站稳定性的影响；徐泰松等（2023）利用钻探、声波波速等方法对深圳某浅埋大跨度地下采空区稳定性进行了详细评价。定量分析方法主要采用极限平衡法计算安全系数，如：袁广祥等（2009）、赖波等（2024）以极限平衡理论为基础，研究了考虑地震工况下边坡的稳定性，提出边坡安全系数与地震加速度具有严格的指数相关关系；赖书名等（2018）结合seep/w数值分析对广元宝珠村滑坡成因机制展开研究；王小波等（2019）利用Geo-Slope/W中的极限平衡分析法，分析评价了某山地建筑场地在自然工况和暴雨工况下的稳定性。还有将定性分析与定量分析相结合的研究实例，如：刘一强等（2021）采用极射赤平投影法对黄山某岩质边坡稳定性进行研究，并利用FLAC 3D数值模拟验证；周洪福等（2021）采用遥感解译、剖面测量及稳定性计算等技术方法，分析评价了特大桥成都岸八曲侧顺层岩质斜坡稳定性。此外还有基于聚类分析等新方法的实践应用，如赵小平等（2020）通过聚类分析评价了川西建设场地的稳定性，王玉洁等（2023）研究了泰勒数在边坡稳定性评价中的可用性。

某精密仪器厂房选址区横跨水库，地质条件复杂，后期仪器设备的稳定运行对场地稳定性提出了极高要求。因此，查清项目场地的工程地质特征条件和稳定性，对后期建设及使用意义重大。本文采用钻探、地球物理勘探、波速测量等综合方法查明了场地工程地质特征，采用赤平极射投影法定性分析1#—6#开挖边坡最不利的岩土结构面，采用圆弧滑动法对保留山体边坡和回填边坡的稳定性作出评价，并通过摩尔-库伦模型对回填区在施工期的沉降量计算分析，研究成果可为同类工程提供参考借鉴。

1  工程概况

精密仪器厂场地位于深圳市西北部，原始地貌主要为丘陵、剥蚀残丘、冲洪积平台，地形较为复杂，工程范围内分布有农田、水塘、水库及山体等。山体最高峰高程107.89 m，最低点高程5.66 m，相对高差102.23 m，原始山体自然坡度10～30°。

建设项目由建筑工程、市政工程（含边坡、跨库桥涵）等部分组成。建筑工程包括1栋主体和若干配套建筑物，其中主体实验站对基础微变形、微振动极为敏感。山体开挖后，将形成7处高度为35.1～59.8 m的开挖边坡，其中西部挖方区包括北1#边坡（59.8 m）、南2#边坡（48.6 m）以及保留山体边坡，中部挖方区包括北3#边坡（35.1 m）、南4#边坡（39.5 m），东部挖方区包括北5#边坡（44.2 m）、南6#边坡（38.3 m）；在水库冲沟设计建设2座重型桥涵；东西两侧分别为1#场地（西侧）和2#场地（东侧），其中1#场地回填边坡高度8.5～14.5 m，2#场地边坡最大高度7.5 m，工程平面位置关系见图1。结合地形及洪水位等因素，场地设计标高为25 m。工程边坡及清基开挖土石方约503万m3，1#和2#场地及重型桥涵连接段回填土石方约235.81万m3。工程重要性等级、地基复杂程度等级、场地复杂程度等级、边坡工程安全等级均为一级。

2  工程地质条件

2.1  地层岩性

通过地质调查和钻探发现，场地地层主要为第四系松散层，下伏基岩为侏罗系下统金鸡组及桥源组泥质粉砂岩、砂岩，按风化程度可分为强、强—中、中、微4 个风化带。地层从上至下依次为：第四系全新统冲积层（Qal）—上更新统坡残积层（Qdl+el），主要分布在场地东侧、南侧及西侧，岩性主要为冲洪积含有机质黏性土（5-1），层厚2.52 m，层顶高程4.80～18.70 m；冲坡洪积粉质黏土（5-2），层厚1.70～9.10 m，层顶高程7.48～18.53 m；坡残积层主要分布于山前坡面、坡脚及冲洪积层下卧层，主要为坡残积粉质黏土（8-3），层厚4.21 m，层顶高程-0.70～73.68 m；侏罗系下统桥源组（J1q），主要分布在场地东部，发育泥质粉砂岩、砂岩（其中泥质粉砂岩主要分布在场地东部及其以北，砂岩主要分布在场地东部、南部）；侏罗系下统金鸡组（J1 j），主要分布于场地东部以西地段，发育泥质粉砂岩、砂岩（其中在场地西部钻孔揭露基本为砂岩，在西部至东部之间存在砂岩与粉砂岩互层）。场地沿线典型地质剖面见图2。

2.2  地质构造

本区及周边主要发育同沙断裂和楼村断裂（深圳地质编写组，2009）。同沙断裂北段位于场地西南侧，距离场地西北端、东南端分别约260 m和850 m，空间分布呈舒缓波状，延续性好，在场地附近呈北北西向330°，倾向北东，倾角45°。楼村断裂是区域性樟木头断裂西南延伸部分，位于场地东南侧，距离场地东南端约2.37 km，延续性好，呈北东向50～70°走向展布，倾向南东，倾角45～65°。

受区域性断裂构造影响，场地内发育7个次生断层构造（图3），分别是位于西侧场地的F1、F1-1，主体建筑西段的F2、F2-1，主体建筑中段的F3、F3-1以及主体建筑东段的F4。F1-1、F2-1、F3-1呈北东走向，倾向北西；F1、F4倾向北东，倾角65～75°；F2、F3倾向南西，倾角65～80°。断层内岩石挤压破碎，见有断层泥、断层角砾、碎裂岩、硅化岩带等。

2.3  不良地质作用及地质灾害

场地内存在1处微型崩塌，主要为岩体崩解产生的岩体塌落及土体边坡坡率过大产生的崩塌。崩塌所处边坡坡长约80 m，边坡高10.00～16.00 m，坡度50～70°，坡体由紫红色强—中风化泥质砂岩组成，坡面裸露。崩源位于边坡顶部，崩塌体顺坡长约10.0 m，宽约3.0 m，厚度1.2～2.0 m，崩塌体方量约72 m3，崩塌体主要由碎石土、角砾土组成并堆积在坡面及坡脚（图4）。除此之外，场地无采空区、泥石流、滑坡等不良地质作用灾害。

2.4  水文地质条件

区内地表水体主要有沟渠、水塘、水库等，沟渠主要分布于场地西部及东部；水塘在场地西、中、东部谷地地带分布；水库分布在场地南部外侧，并从场地中西段延伸至场地内。未见泉眼、河流等其他地表水体。

场地地下水稳定水位埋深0.6～42.0 m，水位高程3.5～69.2 m，主要赋存于土层孔隙及基岩裂隙中，为潜水；下部为基岩裂隙水，主要赋存于强、强—中、中、微风化基岩中。区内节理、裂隙发育，地下水渗透性较好，总体不具承压性。地下水位下降易导致场地内泥质粉砂岩（局部为泥岩）失水干裂、崩解，进而加剧风化作用，改变该岩类相关物理力学性质；地下水位上升易对泥质粉砂岩（局部为泥岩）产生软化作用，特别在断层地段，易形成构造软弱带。因此，地下水位的波动对天然地基的承载力、边坡稳定性存在较大影响。

3  岩土工程分析评价

3.1  场地稳定性及类别

场地内存在个别水井、墓穴，但无大规模埋藏的河道、沟浜、采空区、防空洞等对工程不利的埋藏物；场地内发育数条次生微断层构造，局部见有岩石崩解、坍塌等不良地质作用，但未见滑坡、大型崩塌及泥石流等不良地质灾害；场地基岩风化不均匀，存在较多的软硬夹层，但对地基稳定性影响较小，且不存在膨胀岩土、盐渍岩土、湿陷性土、污染土等特殊性岩土，建筑地基稳定性较好。场地无可液化砂土层，地震稳定性较好。根据《深圳市区域稳定性评价》（1991），从区域地质及地震角度判断，场地地震活动水平较低，断裂活动性较弱，未发现全新世以来的深大活动断裂，精密仪器厂场地稳定性好，适宜建筑。

根据GB 50011－2010《建筑抗震设计规范》，地层等效剪切波值公式如下：

式中，为地层等效剪切波速（m·s-1）；为计算深度（m），取覆盖层厚度与20 m两者之间的较小值；t为剪切波在地面至计算深度之间的传播时间；为计算深度范围内第i土层的厚度（m）；为计算深度范围内第i土层的剪切波速（m·s-1）；n为计算深度范围内土层的分层数。

本次选取CJK063、CJK123-1钻孔进行跨孔波速测试（图5），同时统计场地内41个波速测试钻孔试验结果，发现土层剪切波波速（或覆盖层等效剪切波速）分布在187～1 586 m·s-1之间，变化区间较大，场地覆盖层厚度为1.2～17.0 m，场地类型为Ⅱ—Ⅰ0类建筑场地。依据跨孔波速测试典型成果，按相关规范并结合场地标高25 m判定，山体挖方区域建筑场地类别为Ⅰ1类，特征周期值为0.25 s，填方区域建筑场地类别为Ⅱ类，特征周期值为0.35 s。

3.2  地基土性状及均匀性评价

第四系冲洪积含有机质黏性土（5-1）：属软弱土，物理力学性质差，强度低，高压缩性；不宜作为建筑物天然地基持力层，开挖时易出现变形、缩径、滑塌现象。第四系冲坡洪积粉质黏土（5-2）：属中软土，物理力学性质一般，强度中等，中等压缩性；不宜作为建筑物天然地基持力层，开挖时可能产生变形、滑塌现象。第四系坡残积粉质黏土（8-3）：强度较高，属中等压缩性土；遇水浸泡后易软化，可作多层常规建筑天然地基持力层。强风化泥质粉砂岩、砂岩（25-1-21、26-1-21、25-2-21、26-2-21）：强度较高，变形较小，是配套设施建筑的良好天然地基持力层，但遇水浸泡后易软化，强度降低。强—中风化泥质粉砂岩、砂岩（25-1-22、26-1-22、25-2-22、26-2-22）：强度较高—高，变形小，为配套设施建筑良好天然地基持力层，但该层不均匀，以中风化居多，开挖难度较大。中风化泥质粉砂岩、砂岩（25-1-3、26-1-3、25-2-3、26-2-3）：强度高，变形小，为高层建筑物良好冲、挖、钻孔桩桩端持力层，是配套设施建筑的良好持力层。微风化泥质粉砂岩、砂岩（25-1-4、26-1-4、25-2-4、26-2-4）：强度高，变形极小，为高层建筑物良好冲（钻）孔、旋挖桩桩端持力层，是主体建筑的良好持力层。场地岩土层厚度变化较大，基岩面起伏较明显，土层压缩性差异较大，地基均匀性较差，为不均匀地基。拟建场地经治理后，对建筑抗震为一般地段。

3.3  边坡稳定性评价

3.3.1  开挖边坡稳定性评价

1#—6#边坡主要为岩质边坡，张政等（2023）此前利用圆弧滑动法计算得到，上述边坡在暴雨工况下稳定性安全系数为1.19～1.265，均能满足规范要求。本次利用赤平投影方法对其稳定性进行定性分析，发现场地开挖边坡坡度较缓，虽然有个别边坡最不利结构面交点接近开挖边坡投影弧，但均位于边坡面投影弧对侧，说明结构面组合交线的倾角大于坡面，整体属于稳定结构。下伏基岩及边坡与岩体结构面组合关系的赤平极射投影见图6。

1#场地开挖后形成的保留山体边坡以土质为主，通过选取典型断面，采用圆弧滑动方法对天然工况、暴雨工况下的边坡稳定性计算分析，边坡整体抗滑稳定性分析采用深圳市工程建设标准SJG 85－2020《边坡工程技术标准》中推荐的简化毕肖普方法，圆弧形滑面的边坡稳定性系数可按以下公式计算：

式中：Fs为边坡稳定性系数；ci为第i计算条块滑面黏聚力（kPa）；i为第i计算条块滑面内摩擦角（°）；li为第i计算条块滑面长度（m）；θi为第i计算条块滑面倾角（°），滑面倾向与滑动方向相同时取正值，滑面倾向与滑动方向相反时取负值；Ui为第i计算条块滑面单位宽度总水压力（kN·m-1）；Gi为第i 计算条块单位宽度自重（kN·m-1）；Gbi为第i计算条块单位宽度竖向附加荷载（kN·m-1），方向指向下方时取正值，指向上方时取负值；Qi为第i计算条块单位宽度水平荷载（kN·m-1）；方向指向坡外时取正值，指向坡内时取负值；hw，i，hw，i-1为第i及第i-1计算条块滑面前端水头高度（m）；γw为水重度，取10 kN·m-3；i为计算条块号，从后方起编；n为条块数量。

在天然工况、暴雨工况条件下保留山体边坡稳定性安全系数为2.055和1.185，分别大于规范允许值1.35和1.15，总体均处于稳定状态（图7）。

3.3.2  回填边坡稳定性评价

由于场地下覆较深厚的强风化岩体，同样采用圆弧滑动方法进行稳定性计算。根据规范，边坡整体稳定安全系数允许值，在天然工况条件下为1.35，在暴雨、施工、地震工况条件下为1.15。本工程1#和2#场地内填方边坡为一级边坡，最大高差14.5 m，边坡后侧紧邻精密仪器厂房，且坡脚为市政道路。为此选取典型边坡剖面，采用有限元软件对边坡进行稳定性计算分析，边坡计算模型及结果见图8。

研究发现，土工格栅对于填方边坡滑弧位置起控制性作用，填方边坡最危险滑移面为沿着土工格栅末端的圆弧。在没有桩基作用下，边坡整体稳定对于渗流稳定期安全系数为1.29，无法满足规范要求。但在坡脚增设1排10 m长抗滑桩后，受土工格栅影响，最危险滑动面下移，滑弧经过抗滑桩中部，边坡稳定安全系数为1.436，能够满足规范要求。

鉴于摩尔-库仑（Mohr-Coulomb）屈服条件是库仑摩擦定律在一般应力状态下的推广，因此该条件保证了1个材料单元内的任意平面都将遵守库仑摩擦定律。摩尔-库仑屈服条件由6个屈服函数组成，其中2个塑性模型参数分别为黏聚力c和内摩擦角φ。本次选取的岩土体力学参数见表1。

通过摩尔-库仑模型对回填区进行岩土力学行为分析，分析结果：场地回填后，在填方荷载作用下，基底将产生一定沉降变形，呈现中间大、两边小趋势，场地在施工期沉降量最大值约为250 mm，回填区域沉降变形规律见图9。

4  结论

1）钻探、地球物理勘探、波速测量结果表明，精密仪器厂场地稳定性好，地基稳定性较好，适宜建筑。场地岩土层埋深及厚度变化较大，基岩面起伏较大，土层压缩性差异较明显，属于不均匀地基。场地内断裂活动性较弱，无可液化砂土层，地震稳定性较好。

2）基于钻孔波速测试，得出场地覆盖层厚度为1.2～17.0 m，土层剪切波速度变化范围187～1 586 m·s-1。场地类型为Ⅱ—Ⅰ0类建筑场地；山体挖方区域建筑场地类别为Ⅰ1类，特征周期值为0.25 s；填方区域建筑场地类别为Ⅱ类，特征周期值为0.35 s。

3）根据赤平投影分析，开挖边坡坡度较缓，虽然有个别边坡最不利结构面交点接近开挖边坡投影弧，但均位于边坡面投影弧对侧，说明结构面组合交线的倾角大于坡面，整体属于稳定型。

4）采用圆弧滑动法分析，1#场地开挖后形成的保留山体边坡在天然工况、暴雨工况条件下边坡稳定性安全系数分别为2.055和1.185，符合规范允许值，总体均处于稳定状态。

5）根据圆弧滑动方法和有限元分析，在回填边坡坡脚增设1排10 m长抗滑桩后，受土工格栅影响，最危险滑动面下移，滑弧经过抗滑桩中部，边坡稳定安全系数由1.29提高至1.436，满足规范要求。通过摩尔-库伦模型计算得出，场地回填后，在填方荷载作用下，基底沉降变形呈现中间大、两边小的趋势，施工期沉降量最大值约250 mm。

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