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第三節 常見工程地質問題及其處理方法

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，也可采用固結灌漿、預制樁或灌注樁、地下連續墻或沉井等加固;對不滿足抗滲要求的，可灌水泥漿或水泥黏土漿，或地下連續墻防滲;對于影響邊坡穩定的，可噴射混凝土或用土釘支護。

對不滿足承載力的軟弱土層，如淤泥及淤泥質土，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)風化、破碎巖層。風化一般在地基表層，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;風化、破碎處于邊坡影響穩定的，可根據情況采用噴混凝土或掛網噴混凝土護面，必要時配合灌漿和錨桿加固。

(三)斷層、泥化軟弱夾層。對充填膠結差，影響承載力或抗滲要求的斷層，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或邊坡的滑動控制面，對于不便清除回填的，根據埋深和厚度，可采用錨桿、抗滑樁、預應力錨索等進行抗滑處理。

在滑坡體上方修筑截水設施，在滑坡體下方筑好排水設施;經過論證方可以在滑坡體的上部刷方減重以防止滑坡，未經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現象和形態，又稱喀斯特。選擇巖溶地區地基處理方法時，應考慮地基、基礎和上部結構的共同作用。巖溶地區地基處理與施工時，應根據巖溶發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)洞宜采用挖填夯實法、跨越法、充填法、墊層法進行處理;對深埋溶(土)洞宜采用注漿法、樁基法、充填法進行處理。對落水洞及淺埋的溶溝(槽)、 溶蝕(裂隙、漏斗)等，宜采用跨越法、充填法進行處理。對于巖溶地區地貌、地質、水文條件復雜及塌陷量大、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，應對巖溶水進行疏導或封堵，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，降低強度、剛度和承載能力。有侵蝕性的地下水使巖石發生化學變化，也可能導致巖石的強度降低，尤其是地下水使結構面的粘結力 C 降低和摩擦角φ減小，使結構面的抗剪強度降低，造成巖體的承載力和穩定性下降。

(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行基礎施工時，需要人工降低地下水位。若降水措施不當，輕者造成鄰近建筑物或地下管線的不均勻沉降，重者使建筑物基礎下的土體顆粒流失，甚至掏空，導致建筑物開裂，進而危及安全使用。

(三)動水壓力產生流沙和潛蝕

當地下水的動水壓力大于土粒的浮容重或地下水的水力坡度大于臨界水力坡度時，就會產生流沙。其嚴重程度按現象可分三種：

1.輕微流沙，細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，尤其是靠近圍護樁墻的地方，出現粉細砂堆及其許多細小土粒緩慢流動的滲水溝紋;

3.嚴重流沙，流沙冒出速度增加，甚至像開水初沸翻泡。

流沙易產生在細沙、粉沙，粉質黏土等土中，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及附近建筑物的穩定。因此，必須進行處治。

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嚴重流沙時，可立即拋入大塊石等阻止流沙。

潛蝕作用可分為機械潛蝕和化學潛蝕兩種。

如果地下水滲流產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，雖然不會發生流沙現象，但是土中細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，使土體結構破壞，強度降低，壓縮性增加，這種現象稱之為機械潛蝕。

化學潛蝕是指地下水溶解土中的易溶鹽分，破壞土粒間的結合力和土的結構，土粒被水帶走，形成洞穴的作用。這兩種作用一般是同時進行的。在地基土層內如具有地下水的潛蝕作用時，將會破壞地基土的強度，形成空洞，產生地表塌陷，影響建筑工程的穩定。在我國的黃土層及巖溶地區的土層中，常有潛蝕現象產生。

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、設置反濾層、改良土的性質、減小地下水流速及水力坡度等措施。

(四)地下水的浮托作用

當建筑物基礎底面位于地下水位以下時，地下水對基礎底面產生靜水壓力，即產生浮托力。如果基礎位于粉土、砂土、碎石土和節理裂隙發育的巖石地基上，則按地下水位 100%計算浮托力;如果基礎位于節理裂隙不發育的巖石地基上，則按地下水位 50%計算浮托力;如果基礎位于黏性土地基上，其浮托力較難確切地確定，應結合地區的實際經驗考慮。

(五)承壓水對基坑的作用

當基坑底為隔水層且層底作用有承壓水時，應進行坑底突涌驗算，必要時可采取水平封底隔滲或鉆孔減壓措施，保證坑底土層穩定。當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，應布置降壓井降低承壓水水頭壓力，防止承壓水突涌，確保基坑開挖施工安全。

(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復雜的物理化學過程，在一定的工程地質與水文地質條件下，對建筑材料的耐久性影響很大。

三、邊坡穩定

(一)影響邊坡穩定的因素

影響邊坡穩定性的因素有內在因素與外在因素兩個方面。

內在因素有組成邊坡巖體的性質、地質構造、巖體結構、地應力等，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，陡峭的岸坡是容易發生邊坡變形和破壞的地形條件。崩塌現象均發生在坡度大于 60°的斜坡上。

2.地層巖性

(1)深成侵入巖、厚層堅硬的沉積巖以及片麻巖、石英巖等構成的邊坡，一般穩定程度是較高的。只有在節理發育、有軟弱結構面穿插且邊坡高陡時，才易發生崩塌或滑坡現象。

(2)噴出巖邊坡，如玄武巖、凝灰巖、火山角礫巖、安山巖等，其原生的節理，尤其是柱狀節理發育時，易形成直立邊坡并易發生崩塌。

(3)含有黏土質頁巖、泥巖、煤層、泥灰巖、石膏等夾層的沉積巖邊坡，最易發生順層滑動，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，巖性較軟弱且易風化，在產狀陡立的地段，臨近斜坡表部容易出現蠕動變形現象。當受節理切割遭風化后，常出現順層(或片理)滑坡。

(5)具有垂直節理且疏松透水性強的黃土，浸水后易崩解濕陷。當受水浸泡或作為水庫岸邊時，極易發生崩塌或塌滑現象。

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

3.地質構造與巖體結構

4.地下水

地下水是影響邊坡穩定最重要、最活躍的外在因素，絕大多數滑坡都與地下水的活動有關。地下水的作用是很復雜的，主要表現在以下幾個方面：

(1)地下水會使巖石軟化或溶蝕，導致上覆巖體塌陷，進而發生崩塌或滑坡。

(2)地下水產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，滲入裂隙中的水結冰，產生膨脹壓力，促使巖體破壞傾倒。

(5)地下水產生浮托力，使巖體有效重量減輕，穩定性下降。

(二)不穩定邊坡的防治措施

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、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，以截斷流至滑坡體上的水流。應在大的滑坡體上布置一些排水溝，同時要整平坡面，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，截住滲透的水流或將滑坡體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，同時也可使滑體重量減輕，以達到穩定的目的。削減下來的土石，可填在坡腳，起反壓作用，更有利于穩定。

3.支擋建筑

支擋建筑主要是在不穩定巖體的下部修建擋墻或支撐墻(或墩)，也是一種應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。

預應力錨索或錨桿錨固不穩定巖體的方法，適用于加固巖體邊坡和不穩定巖塊。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，還需要考慮區域穩定、山體穩定及地形、巖性、地質構造、地下水、地應力等五個因素的影響。

(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應有足夠的山體厚度。如選擇隧洞位置時，隧洞進出口地段的邊坡應下陡上緩，無滑坡、崩塌等現象存在。洞口巖石應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

堅硬完整的巖體，圍巖一般是穩定的，能適應各種斷面形狀的地下工程。而軟弱巖體，如黏土巖類、破碎及風化巖體、吸水易膨脹的巖體等，通常力學強度低，遇水易軟化、崩解及膨脹等，不利于圍巖的穩定。

因此，地下工程位置應盡量選在堅硬完整巖石中。一般而言，巖漿巖、厚層堅硬的沉積巖及變質巖，圍巖的穩定性好，適于修建大型的地下工程。凝灰巖、黏土巖、頁巖、膠結不好的砂礫巖、千枚巖及某些片巖，穩定性差，不宜建大型地下工程。

(3)地質構造條件

1)褶皺的影響。在背斜核部，巖層呈上拱形，有利于洞頂的穩定。向斜核部巖層呈倒拱形，易于塌落。原則上應避開褶皺核部，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。

2)斷裂的影響。斷層破碎帶及斷層交匯區穩定性極差，地下工程開挖如遇較大規模的斷層，基本上都會產生塌方甚至冒頂(洞頂大規模突然坍塌破壞)。一般而言，應避免地下工程軸線沿斷層帶布置。而地下工程軸線垂直或近于垂直斷裂帶，所需穿越的不穩定地段較短，但也可能產生塌方。因此，在選址時應盡量避開大斷層。

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

(4)地下水

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

(5)地應力

初始應力狀態是決定圍巖應力重分布的主要因素。

(二)圍巖的工程地質分析

(1)圍巖穩定性分析

變形與破壞的五種形式：

1)脆性破裂，經常產生于高地應力地區。存儲有很大彈性應變能的巖體，在開挖卸荷后，能量突然釋放形成的。

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

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

4)碎裂結構巖體在張力和振動力作用下容易松動、解脫，在洞頂則產生崩落，在邊墻上則表現為滑塌或碎塊的坍塌。當結構面間夾泥時，往往會產生大規模的塌方，如不及時支護，將愈演愈烈，直至冒頂。

5)一般強烈風化、強烈構造破碎或新近堆積的土體，在重力、圍巖應力和地下水作用下常產生冒落及塑性變形。

(2)圍巖的分類

主要是鑒于圍巖的穩定性對圍巖進行分類，不同建設行業對圍巖的分類尚不盡相同。例如，水利建設行業將圍巖分為五類，交通建設行業將圍巖分為六類。

(三)提高圍巖穩定性的措施

(1)支撐與襯砌。

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

襯砌是加固圍巖的永久性結構，其作用主要是承受圍巖壓力及內水壓力，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。噴錨支護是在地下工程開挖后，及時地向圍巖表面噴--薄層混凝土(一般厚度為 5～20cm)，有時再增加一些錨桿，從而部分地阻止圍巖向洞內變形，以達到支護的目的。

噴錨支護能使混凝土噴層與圍巖緊密結合，并且噴層本身具有一定的柔性和變形特性，因而能及時有效地控制和調整圍巖應力的重分布，最大限度地保護巖體的結構和力學性質，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定性。

(四)各類圍巖的具體處理方法

(1)對于堅硬的整體圍巖，巖塊強度高，整體性好，在下工程開挖后自身穩定性好，基本上不存在支護向題。這種情況下噴混凝土的作用主要防止圍巖表面風化，消除開挖后表面的凹凸不平及防止個別巖塊掉落，其噴層厚度一般 3～5cm。當地下工程圍巖中出現拉應力區時，應采用錨桿穩定圍巖。

(2)對于塊狀圍巖，這類圍巖的坍塌總是從個別石塊——“危石”掉落開始，再逐漸發展擴大，只要及時有效地防止個別“危石”掉落，就能保證圍巖整體的穩定性。一般而言，對于此類圍巖，噴混凝土支護即可，但對于邊墻部分巖塊可能沿某一結構面出現滑動時，應該用錨桿加固。

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

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

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