（岩土工程专业论文）贵州岩溶地区层状岩质基坑失稳机理及稳定性评价理论研究.pdf

贵州岩溶地区层状岩质基坑失稳机理 及稳定性评价理论研究 摘要 本论文正视贵州以层状岩体和岩溶环境为特色的独特的地质环境条件，遵循理论 研究数值模拟验证的总体思路，系统研究了岩溶地区层状岩质基坑的类型、影响因 素、变形机制、破坏模式、稳定性评价理论、支护设计方法等内容，取得如下成果： 1 、根据基坑开挖坑壁边坡坡角的不同、坑壁边坡走向与岩层走向之间的关系、 坑壁边坡与岩层倾向之间的关系，划分了层状岩质基坑的类型 2 、通过对层状岩质基坑变形破坏力学过程的分析，划分了层状岩质基坑的5 种 变形破坏机制，并总结了各破坏机制的形成条件和应用范围； 3 、以理论分析与工程实例相结合的手段，划分了岩溶地区层状岩质基坑的6 种 破坏模式和4 种基坑类型，并归纳了各类基坑可能的破坏模式 4 、以极限平衡法及相关力学方法，研究了层状岩质基坑平面滑动、弧面滑动、 楔( 块) 体滑动、倾倒破坏、坑壁沉降破坏、坑底隆起破坏时的稳定性系数计算公式 5 、首次将块体理论应用于层状岩质基坑工程中，应用赤平解析法分析、判别了 基坑壁边坡块体的有限性、可动性及稳定性，并以算例阐明了具体计算步骤。 6 、运用f l a c 二维分析程序，对岩溶地区层状岩质基坑坑壁岩体发生平面滑动和 弧面滑动时应力、应变、位移进行数值模拟。 7 、针对岩溶地区层状岩质基坑工程岩体失稳破坏的特点，提出了5 种常用的支 护结构，并初步建议了各种支护方式的设计理论与方法。 本论文首次对岩溶地区层状岩质基坑失稳机理及稳定性评价理论开展了较全面 系统的研究，对切实解决工程难题、指导工程实践、发展基坑支护理论均有重要的理 论意义、现实意义和广阔的应用前景。 关键词：岩溶地区；层状岩质基坑；破坏模式；稳定性评价；支护设计 i n s t a b i l i t ym e c h a n i s ma n ds t a b i l l t ya p p r a i s a l t h e o r ys t u d yo nt h el a m i n a t e dr o c k f o u n d a t i o np i t si ng u i z h o uk a r s tr e g i o n a b s t r a c t i nt h i sa r t i c l e , t h ea u t h o re n v i s a g e st h eu n i q u eg e o l o g i c a le n v i r o n m e n tc o n d i t i o no f g - u i z h o u , w h i c hi sc h 部哺c t e 删b yt h el a m i n a t e dr o c km a s sa n dk a r s te n v i r o n m e n t , f o l l o w s t h eo v e r a l l a p p r o a c hf r o mt h e o r e t i c a ls t u d y t on u m e r i c a ls i m u l a t i o n v e r i f i c a t i o n , s y s t e m a t i c a l l y s t u d i e s t h el a m i n a t e dr o c kf o u n d a t i o np i t s t y p e s ，i n f l u e n c i n g f a c t o r , d e f o r m a t i o nm e c h a n i s m , f a i l u r em o d e l ，s t a b i l i t ya p p r a i s a lt h e o r ya n ds u p p o r t i n gd e s i g n m e t h o d , e c t h eo b t a i n e da c h i e v e m e n t sa r ei i s t e d 雒f o l l o w ： 1 a c c o r d i n gt h ed i f f e r e n ta n g l eo f f o u n d a t i o np i ta z c a v a t e dw a l l ，t h es t r i k ea n dt h e 却 r e l a t i v et ot h ef o u n d a t i o np i tw a l la n db e d , d i v i d e st h el a m i n a t e dr o c kf o u n d a t i o n p i t si n t o d i f f e r e n tt y p e s 2 a f t e ra n a l y z i n gt h ed e f o r m a t i o na n df a i l u r em e c h a n i c a lp r o c e s so ft h el a m i n a t e d r o c kf o u n d a t i o np i t s , n o to n l yd i v i d e st h el a m i n a t 伽lr o c kf o u n d a t i o np i t si n t of i v ek i n d so f d e f o r m a t i o nm e c h a n i s m ，b u ta l s os u m m a r i z e st h ef o r m a t i o nc o n d i t i o na n da p p l i c a t i o n s c o p eo f e v e r yf a i l u r em e c h a n i s m 3 t a k i n gt h e o r e t i ca n a l y s i sa n de n g i n e e r i n ge x a m p l e si n t oa c c o u n t , n o to n l yd i v i d et h e l a m i n a t e dr o c kf o u n d a t i o np i t si n t os i xf a i l u r em o d e l sa n df o u rf o u n d a t i o np i tt y p e si n k a r s tr e g i o n , b u ta l s os u m m a r i z et h ep o s s i b l ef a i l u r em o d e l so f e v e r yf o u n d a t i o np i t 4 u s i n gt h el i m i te q u i l i b r i u mm e t h o da n dr e l a t e dm e c h a l l i c a la c k n o w l e d g e s t i l d i e s t h es t a b i l i t yc o e f f i c i e n tf o r m u l a so f t h el a m i n a t e dr o c kf o u n d a t i o np i t , w h e ni to c c u rp l a n a r s l i d i n g , 躺s l i d i n g , w e d g eo rb l o c ks l i d i n g , t o p p l i n gf a i l u r e w a l ls e t t l e m e n ta n db o t t o m u p l i f t 5 f i r s t l ya p p l y i n gb l o c kt h e o r yt ot h el a m i n a t e dr o c kf o u n d a t i o np i t , u s e st h e s t e r e o - a n a l y t i cm e t h o dt oa n a l y z ea n dd i s t i n g u i s ht h eb l o c k s f i n i t e n e s s ，m o v a b i l i t ya n d s t a b i l i t yo f f o u n d a t i o np i tw a l l sa n di l l u s t r a t e st h ec o n c r e ：t ec a l c u l a t i o ns t e p s 6 u s i n gt h ef l a cp r o g r a m , s i m u l a t e st h er o c km a s ss t r e s s ，s t r a i n , a n dd i s p l a c eo f f o u n d a t i o np i tw a l l sw h e nr o c km a s so c c u rp l a n a rs l i d i n ga n da l cs l i d i n g 7 a i m i n ga tr o c km a s sf a i l u r ec h f f f a 咖o ft h ef o u n d a t i o np i tw a l l s ，b r i n g sf o r w a r d f i v ea c t i v es u p p o r t i n gc o n s t r u c t i o n sa n da 踟畦z 渤i r i l ys u g g e s t st h ed e s i g nt h e o r ya n d m e t h o d sa b o u tt h e s es u p p o r t i n gc o n s u u c t i o n s t h i sa r t i c l ef i r s t l yr o u n d l ya n ds y s t e m a t i c a l l yt h e o r e t i c a ls t u d i e si n s t a b i l i t ym e c h a n i s m a n ds t a b i l i t ya p p r a i s a lm e t h o do ft h el a m i n a t e dr o c kf o u n d a t i o np i t si ng u i z h o uk a r s t r e g i o n t h el e s e a r c hh a ss i g n i f i c a n tt h e o r e t i c a lm e a n i n g , p r a c t i c a lm e a n i n ga n dw i d e a p p l i c a t i o np r o s p e c tf o rs o l v i n ge n g i n e e r i n gp r o b l e m s , g l l i d i n g 锄g i 埘络r i l 培p r a c t i c ea n d d e v e l o p i n gf o u n d a t i o np i ts u p p o r 6 n gt h e o r y o k e yw o r d s ：k a r s tr e g i o n , l a m i n a t e dr o c kf o u n d a t i o np i t , f a i l u r em o d e l ，s t a b i l i t ya p p r a i s a l ， s u p p o r t i n gd e s i g n 责州大孽凋醑士研究生掌位沦文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究曾做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：丝璺 日 期： 坞2 生备月 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件牙口电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：魁j 墼导师签名：囊热期：归 第1 4 0 页共1 4 0 页 董 州大尊嘎曩士习”生掌位论文 1 绪论 i 。i 选题依据及研究意义 在城市人口日益增多、城市用地日益紧张的情况下，基坑工程已成为拓展地下空 间最常用的一种基础形式，也经常产生一些重大工程事故。据调查，基坑工程导致的 安全和环境闯题约占工程总量的1 0 1 5 ，高地下水位软土地区达2 0 ，个别地区基 坑工程中有较大问题者约占6 0 ，挡土支护结构倒塌的竞占3 0 0 , 6 。如广州某深基坑发 生踢脚失稳破坏，导致经济损失近2 0 0 0 万元；1 9 9 3 年1 1 月2 日，某市一住宅楼基坑 工程在土方开挖过程中突然发生坍塌事故，造成3 人死亡【因此，基坑工程岩土体 稳定性分析及如何采用合理的支护形式确保基坑安全，已成为当代岩土工程师和众多 专家学者所关心的热点问题。 按岩土介质分类，基坑工程可分为“土质基坑”和“岩质基坑”两大类。现代基 坑支护理论的研究始于土质基坑、也主要针对土质基坑。目前土质基坑失稳机理、支 护结构设计及施工工艺的研究已相当成熟并日趋完善，但对岩质基坑的研究甚少。可 以说，岩质基坑支护设计一般都套用土质基坑支护理论，或借鉴岩质边坡稳定性支护 设计方法，却未形成独立的岩质基坑支护设计理论和方法。究其原因，不仅与岩质基 坑仅在山区城市采用、数量相对较少有关，还与人们片面强调岩体强度高于土体有关 贵州是我国碳酸盐岩分布面积最广、碳酸盐岩地层出露厚度最大、岩溶强烈发育 的省区，也是以沉积岩为主、以层状岩体为特色的省份。在贵阳、六盘水等岩溶山区 城市，基坑通常开挖在处于岩溶环境影响下的层状岩体中，土层覆盖于岩层之上。研 究表明，贵州岩溶山区城市的基坑工程具有如下特点：多为上覆土层、下伏碳酸盐 岩层状岩体的复合基坑；基坑失稳破坏不仅由上覆土层的破坏引起( 或沿岩层面滑 动破坏，或在土层中圆弧滑动破坏) ，还有因层状岩体失稳而导致的破坏( 如沿岩层 面滑动、产生块体破坏和整体滑动破坏等) ；岩溶水分布规律很难查清，导致岩溶 水源头不明、来势凶猛、降水困难，基坑差异沉降加剧，周围建筑物开裂严重；基 坑支护形式很难确定，支护工程造价太高。可以说，影响岩溶地区岩质基坑工程的因 素众多，不仅与岩土类型、岩体结构类型、所处地质环境有关，还与岩溶地下水的分 布密切相关，其失稳机理复杂、破坏模式多样、支护理论缺乏、支护结构选取困难、 第1 页共1 4 0 页 黧1 章绪论 缝工芏艺誉尽完善，我垦逮矮熬毽正慕坑支护设计较转翔现有的土壤基坑支护 设计理论已不适用，因而已成为贵州卷土工程界的一大难题，贵州主要生产部门也 迫切需要发挥高校科研优势，结合生产实际发展出一套理论成熟、方法可行的岩质基 坑稳定往分祈和支护设计理论。 本 客文藏怒铮对赛髑岩溶地区岩爱慕坑工程在设谤、施工方霆存在豹峨题聪开展 的，翳在围绕屡状耢质基坑壁岩体可能破坏模式，从理论上探讨基坑壁岩体稳定性的 评价方法和支护设计方法可见，本论文的研究不仅或足了贵州岩土工程界的热点难 题，兵有鲜明静追方特色，丽怠歪税了者溶环境下岩烹介瘊豹麓异，瞄准了“潜震基 坑稳定蛙译髂菇支护设诗”这薄弱研究镶坡，对切实解决王摇难题、指导工稳实戥、 发展基坑支护理论均有璧要的理论意义、现实意义和广阔的应用前景。 1 。2 国内外研究现状 f 2 1 贵州独特的地质环境条件 贵州是我鞠碳酸盐澍分布面积最广、碳酸盐岩地鹰出嚣厚度最大、岩溶强熬发育 的省逸，也是淤沉税岩必主、潋层状岩体为特色的省伶，嚣主瑟积豹8 0 淤上是碳羧 盐岩系分毒地区嘲。碳数盐嚣是碳酸盐矿物会量越过5 0 的沉移l 岩。以岩石中含碳毅 钙、碳酸镁的禽量可将之分为石灰岩、自云岩及其过渡类耢石。纯石灰岩的化学成分 重量百分比为：c a o5 6 ，c 0 24 4 ；纯自兹岩由4 5 7 的m g c 0 3 和5 4 3 的c a c 0 3 组成。石灰者、自蠢者及过渡类者石的分类觅表l - 1 1 5 9 1 。 岩溶，又称喀欺特，系豢永鞋耀溶装夏( 碳黢盐辫、酸羧盐岩、蠢化物岩等) 进 行以化学溶蚀作用为主要特缀( 包括水的机械侵蚀以及物质的遴移和再沉积) 的综合 地质作用，以及由此产生的备种现象的总称嘲在岩溶地区，以碳酸盐岩分布最为广 泛，其它萄溶性岩石在的缝表分布有限。本论文戳碳酸盐鬻为研究辩象。 文献强l 】指出，受一缍+ 分发育豹宏理竣节瑾覆切割的岩体都霹视力层状岩体 从地质成因上考瘩，贵州碳酸盐岩属予沉积岩，岩体表现出明熙的屡状特征，为层状 襄卜 鞭灰豢、自爱岩疑过渡类型港石分类删 1 h b “ir o c kc l a s s i f i c a t i o no f l i m e s t o n e , d o i o s t o n ea n dt r a n s i t i o n 含量( ) 岩石名称 方解石内云石 石灰岩 9 5 磊获岩 含鸯云矮灰岩7 5 9 5 s 2 5 内云质灰岩 5 0 7 52 5 5 0 灰质自云岩2 5 5 0 5 0 7 5 自云岩含获震蠢云岩 5 2 57 5 9 5 白云岩 9 5 第2 茭，菸1 4 0 贾 费，i l 大攀硬士研究生攀位论文 岩体对于层状结构岩体，如果按其单层厚度进行分类，可依据w a t k l 船( 1 9 7 0 ) 提 出的有关不同间距节理和层理的分类方法 6 0 1 ，详见表1 2 袭1 - 2 不连续面问距的分类( w a t k i n s1 9 7 0 ) t a b 1 - 2t h ec h s s i f i c a f i o no f d i s c o u f i n u i t i e ss p a c eo v a t k i n s1 岁7 0 ) 类别术语 间距( n u n ) 按层理分 按节理分 薄页状裂纹状 硒 页状破裂状 6 2 0 非常薄的非常密集的 2 0 6 0 薄的密集的 6 0 2 0 0 中等的中等密集的 2 0 0 6 0 0 厚的稀疏 6 0 0 2 0 0 0 极厚的极稀疏 2 0 0 0 由上可见，岩溶地区的岩体具有如下特征：碳酸盐岩具有可溶解性，部分岩体 因受不同程度的溶蚀作用，而致使力学性质减弱；岩体在构造上呈层状。可见，岩 溶环境和层状岩体是贵州独特的地质环境条件。 1 2 2 层状岩体研究现状 目前，国内外学者已对层状岩体进行了大量的研究工作，并取得了一些较好的研 究结果这些研究成果主要集中在层状岩体的变形破坏机理、结构面力学性质、本构 关系、数值模拟等方面。 ( 1 ) 变形破坏机理研究：孙广忠在其专著岩体结构力学中，详细论述了板裂 介质( 包括层状与似层状) 岩体力学原理及分析方法圆。鲜学福、谭学术在其专著层 状岩体破坏机理中，详细讨论了层间不具备粘结力层状岩体的强度分析、层间具备 粘结力层状岩体的应力应变分析及强度条件、节理岩体强度分析及其当量物理力学性 质的探讨等问题，从力学的角度较系统地阐述了层状岩体的强度条件及破坏机理啪。 华安增、张子新在其专著层状非连续岩体稳定学中，阐述了层状非连续性岩体稳 定的若干基本问题，论述了层状非连续岩体中块体的可动条件、判别方法与步骤，研 究了层状非连续岩体可动块体稳定性，并将其应用于巷道周围层状岩体和层状岩体边 坡稳定性工程实例中啪。张倬元、王士天、王兰生等老一辈地质学家通过大量的研究， 从岩体变形破坏过程中划分出若干基本单元( 即拉裂、蠕滑、弯曲、塑流) ，并以这 些单元的特定组合表征岩体变形机制和演进特征，进而建立了五种岩体变形破坏的地 质力学模式( 蠕滑一拉裂、滑移一压致拉裂、弯曲一拉裂、塑流一拉裂、滑移一弯曲) ， 这五种地质力学模式均可能在层状岩体中发生嘲朱晗迓、马美玲、尚岳全阐述了多 层层状岩质边坡发生溃屈破坏的机理和过程，建立了顺倾向层状岩质边坡溃屈破坏的 第3 页。共1 4 0 页 第1 窜蟹论 力学模型，并分析了层状岩体溃击破坏的影响因素旧。 ( 2 ) 破坏模式研究：陈沅江等在综合考虑层状岩质边坡的工程地质条件、力的作 用模式及其破坏形式的基础上，划分了层状岩质边坡的5 种蠕变破坏形式，即水平层 状边坡座落式剪切蠕变破坏、缓倾层状边坡顺层剪切蠕变破坏、陡倾层状边坡顺层逆 向剪切蠕变倾倒破坏、反倾层状边坡逆向剪切蠕变倾倒破坏、复杂层状结构边坡采动 沉陷蠕滑组合失稳破坏等五种主要类型，并分析了影响破坏的主要因素啪。彭仕雄等 结合具体工程实例，系统研究了工程地质条件复杂，岩质条件差的层状岩质高边坡的 岩体结构，归纳了五种变形破坏模式( 即松散堆积体的局部滑塌和沿基岩接触面的滑 移，沿层问错动带的压缩、塑流、挤出变形一拉裂破坏，强风化卸荷带破碎岩体的局 部倾倒和坍滑，楔体滑动，向斜核部范围的顺层滑动或溃屈破坏) 瑚吕生弟等通过 对人工边坡坡度、边坡类型、岩体结构与变形破坏类型等关系的分析，总结了该工程 人工边坡的变形破坏模式，即顺向坡的平面滑动型，横向坡可产生双面滑动和单面旋 转的楔体滑动型，逆向坡多属倾倒坍塌、倾倒滑移、倾倒拉裂等倾倒破坏类型伽朱 泽奇和曾亚武分析了层面倾角对层状岩体的破坏模式，及其单轴抗压强度的影响，给 出了层状岩体在单轴应力条件下产生剪切破坏以及破坏面方位的判断方法“” ( 3 ) 结构面力学性质研究：结构面( s u b - r u r a l p l a n e ) 系指岩体中具有一定方向、 力学强度相对较低、两向延伸( 或具有一定厚度) 的地质界面( 或带) ，例如岩层层 面、软弱夹层、各种成因的断裂、裂隙等由于这种界面中断了岩体的连续性，故又 称为不连续面( d i s c o n t i n u i t i e s ) 嘲结构面的性质对层状岩体的强度起着关键作用， 对工程岩体的完整性、渗透性、物理力学性质及应力传递等都有显著影响，是造成岩 体非均质、非连续、各向异性和非线弹性的本质原因之一1 1 1 1 。结构面的力学性质主要 包括法向变形、剪切变形、抗剪强度三个方面。g o o d m a n ( 1 9 7 4 ) 和b a n d i s 等人( 1 9 8 4 ) 均对结构面的法向变形作了大量研究，并给出了经验公式b a r t o n 和c h o u b e y ( 1 9 7 7 ) 提出了结构面抗剪强度公式，并指出结构面力学性质具有尺寸效应f 1 2 。谢和平、陈忠 辉在其专著岩石力学中，针对根据表面形态学、摩擦学和接触力学发展起来的岩 石节理面描述方法极为复杂、且受观测尺度和精度等因素影响的不足，利用分形理论 的方法定量描述岩石节理的表面形态，表面越粗糙，分形维数越大；并对不同维数的 分形曲线光弹材料中构造相对应的分形节理模型，进行单压和压剪耦合载荷下加载实 验，研究分析了节理应力场变化、最大剪应力位置分布以及接触点数目随节理面分形 特征变化的关系n 钉。 ( 4 ) 本构关系研究：张玉军、刘谊平( 2 0 0 1 ) 提出了层状岩体c 、妒值的经验表 达式，引入横观各向同性的本构关系和c 、妒值随方向变化的m o h r - c o u l o m b 准则，并 编制了相应的三维有限元程序，进而应用于实际工程“”。杨延毅对层状裂隙岩质高边 坡的变形破坏过程建立了损伤演化方程，提出了包含软弱薄层塑性滑移与裂隙损伤扩 展耦合性态的本构关系o ”。熊传义在其硕士论文层状岩体流变本构模型及数值模拟 第4 页，共1 4 0 页 责j 大学习【士习 乞生学位论文 中推导了层状岩体的流交本构关系f r o ) ( 5 ) 数值模拟研究：耿大新和杨林德通过对层状岩体力学性质的分析，运用数值 模拟方法有效地模拟了层状岩体的变形特性，并分析了洞室开挖后岩体的变形特征 咖金仁祥、任光明采用离散单元法( d e m ) ，对陡倾角反倾层状岩质边坡开挖变形 破坏机制及其演变过程进行了模拟，并在此基础上提出了边坡防治工程建议“目。对于 层状岩体的流变特性的时效问题也有过有限元数值模拟分析“盯。 ( 6 ) 其它方面：宋建波采用改进的h o c k - b r o w n 准则对层状岩体强度进行了预测， 并用试验测试手段验证了其正确性，认为这种改进方法可用于层状岩体的近似估算 咖陈志坚、吉林在阐述层状岩质边坡岩性组合分类和地下水分布特征的基础上，介 绍了考虑残坡积层孔隙水、包气带裂隙水和裂隙潜水控稳作用的边坡稳定性计算方 法，结果表明：考虑包气带裂隙水作用时，边坡安全系数可降低5 1 5 ；当库水位骤 降时，裂隙潜水对边坡稳定性也有重要影响洲江伟针对层状岩质高边坡失稳机理， 在传统的刚体极限平衡原理的基础上，将概率理论、蒙特卡络原理以及计算机模拟技 术引入到边坡稳定分析计算中；通过对不同深度、不同高度、不同坡角的边坡稳定概 率进行统计分析。为层状岩质边坡的锚固设计及工程施工提供理论依据啪1 。余永强等 分析了岩体交界层面之间具有黏结力的层状岩体的受力状况，和爆炸应力波在层状岩 体中的传播过程，比较了应力波在同一介质、不同介质在相同传播距离的衰减状况脚 黄福德通过现场试验、室内模型试验和数值计算的综合研究，分析了群锚加固增加边 坡稳定性的机理嘲。 1 2 3 质基坑研究现状 土质基坑是岩土工程专业领域研究的热点和难点，与其相关的研究文献甚多，相 关理论和方法比较成熟。近年的研究成果主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 土压力计算方面：在土质基坑工程的设计中，土压力计算是一个非常重要的 问题，目前广泛使用的计算理论是两个经典土压力计算理论，即朗肯士压力理论和库 仑土压力理论实践证明，由于土压力受多种因素的影响，两个经典理论的计算结果 与实际情况有较大误差对此，许多学者做了大量研究，对基坑土压力的计算提出了 多种改进方法，取得了有价值的研究成果，如从地基强度理论的角度出发研究土压力 系数嘲匕考虑水压力的土压力计算以及水土压力的分算与合算问题的研究矧，开挖 卸载作用对土压力的影响盼删，考虑墙面摩擦效应时对土压力计算理论的研究1 ，从概 率的角度研究土体参数对土压力的影响“。，根据挡土结构的变形来计算土压力的分布 b 耵，以及对被动土压力的研究曲删等等。 ( 2 ) 基坑支护方法研究方面：土质基坑的支护方法很多，大致可分为六种：放 坡、土钉支护、排桩支护、地下连续墙、支撑形式、重力式搅拌桩挡土结构等从各 种支护方法的工程应用到基坑支护结构的优选御- “1 ，许多学者和工程师都做了大量研 第5 页，共1 4 0 页 第1 章s i n -论 究，并取得了大量的研究成果。可以说，土质基坑工程的支护结构设计方法在理论上 已基本成熟，在实践中也得到了很好的验证。 ( 3 ) 基坑施工方案与施工技术研究方面；基坑施工方案与施工技术是基坑工程研 究中的一个重要方面，其正确选择有利于施工的顺利开展，并确保基坑本身和周边建 筑物及地下管线的安全。余波对针对实际工程对地下连续墙旌工技术、锚杆施工技术、 地下水动态控制施工技术、基坑工程监测系统等作了详细的研究。阳吉宝阐述了房 房屋基础变形控制措旃，并以工程实例研究了基坑工程施工对邻近建筑影响的控制技 术“町温国炫、姚永华针对具体工程实例，指出了圆形围筒式支护结构设计、施工及 监测必须注意的事宜m 高树峰详细介绍了特殊基坑工程的冻结法施工技术渊。董明 钢、杨峰分析了现代基坑工程信息化施工中存在的问题，并指出现代计算机和网络技 术的发展秘普及为信息化施工提供了可能嗍。 ( 4 ) 数值模拟仿真研究方面：对基坑工程进行数值模拟研究是近年的研究热点 所采用数值模拟方法较多，较常用的数值分析软件有a n s y s 、f i a c l 2 d ，f l a c 3 d 等。 这些研究主要集中在模拟基坑开挖过程中基坑周围土体的应力集中与重分布、基坑本 身及其支护结构的变形吣“同时，还对土体与支护结构的共同作用删、土体渗流 对基坑稳定性的影响做了模拟分析删 1 2 4 岩质基坑研究现状 。 对于岩质基坑工程，不论是稳定性计算、支护设计，还是施工工艺，目前与之相 关的研究都很少，仅查阅到少量相关文献。 ( 1 ) 张黎明等采用有限元数值计算软件a n s y s 6 0 对某大型花岗岩深基坑边坡工 程迸行了二维有限元分析，在了解该边坡变形受力规律基础上，为克服过去支护设计 中土、岩不分的问题，采用新的国家规范进行了该花岗岩边坡的预应力锚索支护设计， 该法与传统支护设计相比可降低成本3 0 2 兰右。且支护后的变形监测表明该法安全、 可靠嘲 ( 2 ) 谢其勇等在没有进行原位实验的情况下，尝试利用结构面统计及网络模拟来 确定破碎岩质基坑边坡的滑动面和c 、妒值，边坡稳定性的计算结果也与现场勘测相 吻合，说明计算结构是可靠的删。 ( 3 ) 钟晖等针对具体工程实例，详细阐述了顺向岩层的高基坑边坡支护工程的施 工技术姗 综上所述，目前国内外学者对层状岩体研究较全面，研究内容包括其失稳机理、 变形破坏模式、结构面性质、岩体强度等方面，应用范围主要集中在边坡工程，其次 为巷道工程，但对基坑工程的研究很少目前对基坑工程的研究，多偏重于土质基坑， 并已基本形成较完善的理论和方法体系：而对岩质基坑的研究甚少，对层状岩体中的 基坑工程的研究更少。因此，本论文以层状岩质基坑为题开展研究，选题正确。 第6 页。共1 4 0 页 责州大d u 曩j 开究生掌位论文 1 3 研究内容与方法 1 3 1 研究内容 本论文的总体研究目标是：针对贵州岩溶地区基坑工程的特点，从理论上系统研 究岩溶地区层状岩质基坑岩体的破坏模式、稳定性评价、支护设计等，以期对岩溶地 区层状岩质基坑工程的设计提供理论参考依据 本论文将涉及的具体研究内容包括： ( 1 ) 岩溶地区层状岩质基坑稳定性的影响因素：除基坑自身尺寸影响外，岩溶 地区岩质基坑稳定性主要受其所赋存地质环境的影响，包括地层岩性、岩体结构、地 下水状态、岩体物理力学特性等地质条件，可将这些条件统称为“岩体力学环境条件” ( 2 ) 岩溶地区层状岩质基坑破坏模式：根据岩质基坑开挖壁边坡坡角、开挖壁走 向与岩层走向、坑壁倾向与岩层倾向等三个不同的标准，对层状岩质基坑进行类型划 分以上三个参数的不同组合将导致基坑岩体产生不同的破坏类型。需考虑参数的不 同组合关系及其他影响因素，合理划分基坑各壁边坡的破坏模式。 ( 3 ) 岩溶地区层状岩质基坑岩体稳定性评价：在合理划分层状岩质基坑类型的前 提下，结合各类基坑岩体工程地质特征、岩体结构特点、所处的初始应力环境、基坑 开挖后的应力分布特点，评价坑壁与坑底岩体的稳定性。 ( 4 ) 岩溶地区层状岩质基坑岩体支护设计：针对理论分析可能失稳的基坑岩体， 根据岩体失稳可能发生的破坏模式，研究与之相适应的支护结构，分析各种支护结构 的设计方法。 1 3 2 研究方法 本论文将在全面收集土质基坑、岩质基坑和岩质边坡已有研究成果，并在研究贵 州典型岩质基坑工程实例的基础上，以基坑各壁边坡走向与岩层走向之间、边坡坡角 与岩层倾角的相互关系等为主要参数，全面划分基坑各壁层状岩质边坡的类型和破坏 模式；进而采用极限平衡法、块体理论、数值模拟法、力学计算法等四种方法研究坑 壁与坑底岩体的稳定性，针对不同的破坏模式提出相应的支护结构类型与设计方法。 图i - i 为论文总体研究技术路线，具体研究方案如下： ( 1 ) 层状岩质基坑破坏模式研究：通过对已有研究成果及理论基地研究成果的 总结、归纳，以基坑各壁岩层倾向与边坡倾向之间的相对关系、边坡坡角及岩层倾角 之间的相对关系为主要参数，全面划分层状岩质基坑各壁边坡类型，初步归纳其变形 机制和破坏模式。 ( 2 ) 层状岩质基坑岩体稳定性评价理论研究：目前，岩质边坡稳定性评价广泛采 用极限平衡法和数值分析方法。其中，极限平衡法包括瑞典条分法、j a n b u 法、s a r a n m 法、b i s h o p 法、余推力法、对数螺旋线法、s p e n c e r 法和优化法等：数值计算方法包 第7 页，共1 4 0 页 第1 章癣论 掺奏殴元法、边界元法、鹅敖元法、d d a 、流形凭法、快速挝格朗日分拼法( f l a c ) 等。本论文将采极艰乎衡法、力学计算法、f l a c 程序模拟分析坑壁岩体与坑底岩体 稳定性，并尝试成用块体理论研究坑蹙岩体稳定性。 ， ( 3 ) 层状岩质基坑支护设计方法研究：目前，基坑坑壁岩士体稳定性支护设计 形式包括支捞类和加固类两大类。本论文尝试结合土质基坑和岩质边坡支护设计方 法，针对层状岩质基坑工程的各种破坏模式，提出相应的支护措施及其设计计算方法。 1 4 预期成果 豳1 - 1 总体研究技术路线框圈 酶1 1t h ed i a g r a mo f g e n e r a lr e s e a r c ht e c h n i q u er o u t e 本论文以贵州岩溶地区层状岩质基坑作为研究对象，拟取得如下研究结果： ( 1 ) 基坑工程实例与理论分析相结合，总结、归纳出层状岩质基坑可能的破坏 模式； 第s 页，共1 4 0 萸 羹期犬掌壤士研竞生掌啦论寮 ( 2 ) 分别运用极限平衡法与力学计算法分析层状岩质基坑坑壁、坑底卷体的稳 定性，并推导出极应的计算公式； c 3 ) 根据块体理论分析原理，探讨在岩质基坑工程稳定性评价中块体理论的应 用方法； ( 4 ) 运用f l a c 程序分析层状岩质基坑坑壁岩体稳定性，并与理论计算结果进杼 对比： c 5 ) 针对基坑岩体不同的破坏模式，分析、确定基坑糟体可能采用的支护结构 及其计算方法 第9 燹，装1 4 0 撼 第2 幸层状董 | 瞳| 臼i 破期q 式 2 层状岩质基坑破坏模式 2 1 概述 工程岩体开挖后，在重力、工程作用力、水压力、地震力等力场的作用下，岩体 内的应力将发生变化。当岩体的强度不能适应应力的变化时，岩体就将产生不同形式、 不同规模的变形与破坏，如滑坡岩体的变形与破坏，在工程地质分析原理中将 其定义为：岩体承受应力，就会在体积、形状或宏观连续性方面发生某种变化，宏观 连续性无显著变化者称为变形；否则，称为破坏响。依据工程岩体在变形破坏时所表 现出的不同形式，可将其划分为多种不同的破坏模式。 如第1 章所述，贵州是中国典型的喀斯特地貌省区，岩溶发育强烈。岩体为典型 的层状结构，且因溶蚀作用而使部分岩体存在不同程度的损坏，主要表现为岩体结构 的进一步破坏和力学性能的下降。基坑位于这类岩体之中，当基坑岩体开挖后，由于 岩体产生卸荷回弹，必将引起应力重分布和应力集中等效应。另外，岩体明显的层状 特征和受到水的溶蚀作用，使基坑岩体发生破坏的可能性较大。且表现形式多样将 层状岩质基坑岩体的破坏划分为不同的模式之后，就可对基坑岩体进行稳定性评价与 计算。 本章将简要地阐述岩质基坑壁与岩质边坡的区别，依据不同的分类方法划分岩质 基坑类型；进而在分析层状岩质基坑岩体稳定性的主要影响因素和坑壁岩体变形破坏 机制的基础上，结合工程实例，从理论上归纳层状岩质基坑工程在不同的情况下可能 产生的破坏模式。 2 2 岩质基坑壁边坡与岩质边坡 对矩形基坑而言，岩质基坑开挖后将形成四个开挖壁边坡。岩质基坑坑壁边坡与 一般的岩质边坡相同，均以边坡岩体作为研究对象。因此，二者在破坏机理、破坏模 式、岩体稳定性影响因素、稳定性评价方法、工程支护措施等方面都表现出不同程度 的相似性，但也有较大的不同。可将二者之间主要的异同简要归纳如下： ( 】) 相同之处 第1 0 页。共1 4 0 页 费州大聋铜嚣士研曩：盖掌矗醇皇文 研究对象相同：均以边坡岩体作为研究对象 组合因素相同：边坡与基坑壁均可按边坡的坡角、边坡走向、岩层倾角、岩层 走向、岩层倾向等5 个因素之间的不同组合而形成特定的工程。 ( 2 ) 不同之处 边界约束条件不同：从立面看，边坡工程一般只有底部为固定约束，其余均为 自由边界；基坑壁边坡除上部为自由边界外，其余三边均为固定约束边界。 规模不同：边坡工程一般高度大、面积广、岩体破坏规模大，破坏后果严重； 基坑坑壁边坡在开挖深度、开挖宽度与岩体破坏规模方面都相对较小，但其破坏后果 却可能非常严重，严重者会致使周边建筑物倾斜、倒塌。 初始应力不同；边坡工程规模大，地应力的影响往往很明显；基坑工程一般情 况下赋存深度较浅，地应力影响相对较小。 外部荷载不同：岩质边坡表面一般无外荷载作用，岩体主要承受重力、水压力、 地震力等作用；基坑壁岩体受力相对复杂，除须承受重力、水压力、地震力等力的作 用外，往往还须受到周边建筑物、地表堆积物等静载和施工机械、汽车等动载的作用。 2 3 层状岩质基坑类型 根据选取的划分依据，可将层状岩质基坑划分为多种不同的类型。划分依据与基 坑开挖坑壁边坡坡角、岩层走向、岩层倾向等有关 ( 1 ) 根据基坑开挖坑壁边坡坡角的不同，可将岩质基坑划分为直立坑壁基坑和 倾斜坑壁基坑。开挖坑壁坡角为9 0 。的称为直立坑壁基坑( 图2 - l a ) ，开挖坑壁坡角 小于9 0 。的称为倾斜坑壁基坑( 图2 - i b ) 撕秭 图2 _ 1 据坑壁开挖坡角划分基坑类型 n g 2 - 1t h ec l a s s i f i c a t i o no f f o u n d a t i o np i tb a s e0 1 1t h ea n g l eo f e x c a v a t e ds l o p e ( 2 ) 根据基坑开挖坑壁边坡走向与岩层走向之问的关系，可以将岩质基坑划分 为平行基坑、正交基坑和切向基坑。基坑开挖坑壁走向与岩层走向平行( 或近平行) 的称为平行基坑( 图2 - 2 a ) ；基坑开挖坑壁走向与岩层走向垂直的称为正交基坑( 图 2 - 2 b ) ；介于平行基坑与正交基坑之问的称为切向基坑( 图2 - 2 c ) 。 ( 3 ) 当基坑开挖坑壁边坡走向与岩层走向平行( 或近平行) 时，根据坑壁倾向 与岩层倾向之间的关系，可进一步将岩质基坑划分为水平基坑、顺倾基坑和反倾基坑 岩层倾角在o 1 0 。之间的称为水平基坑( 图2 - 3 a ) ，岩层倾向与坑壁倾向相同的称为 第1 l 页，共1 4 0 页 第2 章蜀嗡焉冀 曩 蔫请乞藏捌。模式 颞顿基坑( 固2 - 3 b , c ) ，岩层倾向与坑蹙倾向相反的称为反倾基坑( 圈2 - 3 d ) 。 碰搀辫质基坑类型划分的上述三蒂巾划分依据视为边坡坡角、基坑开挖坑壁边坡志 向与卷层走向之阃的关系、坑壁倾向与岩层倾向老问昀关系3 个参数，任一具体的岩 质基坑工程均由以上兰个参数的不同缀合确定 油觞瀚 窝2 - 2 据装壁毒岩瑶走羯之秘关黎翘分基垸类楚 f l g 刍2 t h e e l 螂i f i c a t i o n o f f o u n d a 娃o n 辩b a s e o l t h e s t r i k e b e t w e e n s l o p e a n d b e d 峰 i l - - 绨嘲坶 国2 - 3 据坑璧与岩屡倾向之阐关臻划分基坑类塑 糙删t h e e l a s s i f l c a t l o no f f o u n d a t i o np i tb a s eo rt h ed i pb e t w e e ns l o p ea n db e d 2 4 层状岩质基坑稳定性影响因素 影响层状岩质基坑稳定健的函素有穰多，归纳越来主要来鑫兰方蟊。一是螫坑誓 稀本身的影响，鲡开挖深度、开挖宽度藕逑玻形式等；：是罄坑掰酝存缝质繇境懿影 响，翔施层者佳、岩体结构、结构露、鬃维类型、琏下求、戆瘦力等；兰是岁 郝蔫载 酌影响，鲡蓦坑髑禹建筑物荷载、憝表维载、动街载等。 2 4 1 基坑工程本身的影响 基坑工稳本身对其稳定性的影响是攒基坑的汗挖深度、歼挖宽度和边坡形式等对 其稳定性的影响。 ( 1 ) 歼挖深度：因使用功能不同，基坑工程的开挖深度浅姗几米，深则可达到2 0 3 0m 。不同的基坑深度将产生不同的岩士压力。深度越犬，者体临空面越广，产生的 向坑内下滑的力就越大，基坑也就越易失稳：反之。基琬的稳定性较好 ( 2 ) 开挖宽度：基坑开挖宽度与边坡临定面大小宣接相关基坑开挖宽度越大， 导致大面积边坡的临空，可能产生失稳破坏的透坡丽移 约广，边坡炎稳枫率约大；发 乏，基坑边坡失稳机率约，j 、。 第1 2 页，共1 4 0 更 糟暴意禽 曩 囊l 大昔臼曩士研囊：圭攀位靛? j ： ( 3 ) 边坡形式：基坑边坡形式主要指边坡的开挖坡角大小、分级数量与分级蔚度。 坡角越大，稳定性越差。分级数量指当基坑开挖深度大，且场地歼阔的条件下，将边 坡分为多个台阶开挖。在基坑深度一定的情况下，分级数量多，基坑每级开挖高度就 小，基坑就越稳寇。 2 。4 ，2 地矮臻境熟影喧 蒸统王程所赋存靛缝震琢境辩其稳定性貔影穗，键捂岩溶嚣地层岩拨、岩体结构、 缀梅舔、缝下承、地疲力、建湿等嚣豢。攘对恧鸯，般层状岩矮基坑王程嚣挖深度 较浅( 浅剿死米，深划足中米) ，处予地球浅表地层，她疲力、她湿等对其影响甚小， 霹忽略不计。因| l ：，仅分辑地层豢性、岩俸终钩、结构囊和装溶地下农对基坑稳定性 熬影礁。 ( 1 ) 岩性 地层岩性是揩工程所处地岩石的物理力学性质，它是基坑工程稳定健分析与计算 的基础。不同岩石不但有着各自不同