风化花岗岩（精选8篇）
风化花岗岩 篇1
花岗岩在我国分布广泛, 未风化的花岗岩具有良好的工程地质特性, 但在风化后物理力学指标急剧下降。全风化花岗岩主要介质是未风化的石英矿物颗粒和长石云母的风化产物, 但原岩中的地质构造和矿物颗粒分布特征在边坡中仍得以保留, 从而与其他一般均质土边坡的稳定特性有所不同。近几年国内土建工程大量开工, 形成越来越多的人工边坡, 不了解这种边坡的工程特性而盲目施工, 在一定条件下容易发生失稳, 对工程进展和边坡稳定都会造成严重危害。国内专家学者已经对全风化的花岗岩边坡进行了大量研究, 并把这种边坡划分为类土质边坡, 在理论上对其工程特性进行了研究[1,2], 这些研究往往以理论研究为主, 并主要针对南方全风化厚度较大的边坡进行研究, 北方的花岗岩由于风化作用相对较弱, 导致全风化层较薄, 边坡开挖后多是全-强风化混合型, 在工程性质上比普通全风化花岗岩边坡更具代表性, 因此对北方的全-强风化花岗岩边坡的研究具有特殊意义, 下面以北方某铁路边坡为例进行研究。
1 环境地质特征
边坡处于低山丘陵区, 地势开阔, 地形起伏较小, 表覆第四系全新统冲洪积层 (Q4al+pl) 粉质黏土, 黄褐色, 硬塑, 含少量粗砂和碎石, 厚度1.2～2.0m, 下伏为元古代晋宁期片麻状细粒黑云二长花岗岩 (ηγ23) , 全风化厚度8～10m, 受构造及风化等作用影响, 基岩节理裂隙较发育, 浅层风化成砂砾碎石状, 元古代晋宁期片麻状细粒黑云二长花岗岩 (ηγ23) 强风化厚度15～20m, 黄褐色, 块状结构, 层状构造, 节理裂隙较发育, 岩体呈碎块状～大块状, 锤击声闷, 可轻松击碎, 长石部分风化, 矿物颗粒间粘结破坏, 击碎后呈沙砾状。地下水主要靠大气降水及地表水补给, 以蒸发及地下径流为主要的排泄方式。
2 边坡基本情况
边坡位于某铁路K10+578.00～K11+253.00里程范围内, 铁路线路走向298°, 研究边坡位于线路右侧, 一级边坡高度8.0m, 二级边坡高度1.6～4.5m;设计边坡坡率0～8m为1:1.25, 以上为1:1.50;一二级护坡间设两米宽平台, 边坡均采用六边形空心块内种紫穗槐撒草籽防护, 其中二级边坡深度范围内为强风化层。
3 滑坡变性特征
该边坡于5月20日开挖, 5月28日开挖至边坡坡脚, 6月3日K11+100～K11+117处边坡发生滑塌 (如图一所示) , 现场查看发现滑动带从二级边坡全风化层开始, 滑坡后缘出现约0.5m裂缝, 坡脚下强风化层局部地面略微隆起, 滑坡后缘揭露出全风化花岗岩残存节理, 表面光滑, 走向与线路大致平行, 节理面较光滑, 有泥质充填。
滑坡两翼暴露两条产状为330∠53°和95∠50°的风化残余节理, 节理面有约2mm厚的粘土, 粘土已失水皲裂, 滑坡体由于移动破坏, 土体均由风化节理处断裂, 破坏成块状, 节理面为褐色, 部分有充填物。边坡除滑坡处未发现发育的裂隙。
4 滑坡变形成因分析
滑坡变形的成因可以归为内因、外因两大类, 内因是风化花岗岩物理力学性能下降、节理裂隙的控制作用, 以及节理裂隙中泥质夹层的润滑作用等, 外因则是雨水对边坡的作用, 人工开挖边坡应力释放, 以及暴露时间过长等因素。具体表现为:
4.1 风化花岗岩物理力学性能下降
风化作用减少了岩石中某些原生矿物或增加了某些新生矿物成分, 增大了易于变形的可能性, 同时由于风化作用, 使岩石各颗粒间的联结力遭到破坏, 导致岩石结构发生变化, 使岩石的完整性遭到破坏, 强度大幅度降低, 影响整个边坡的稳定性。该边坡主要是全风化和强风化花岗岩, 风化后强度大大下降, 导致边坡在相对较小的边坡坡率下失稳。
4.2 节理裂隙的控制作用
风化花岗岩边坡中的节理主要是花岗岩的冷凝裂隙和风化作用产生的裂隙, 这些节理裂隙易于发展成为控制边坡稳定的滑动面, 边坡在重力作用下产生下滑的趋势, 下滑推力在土体内传导的过程中由于节理面 (图二) 的存在往往产生应力集中, 产生以节理面和节理面之间薄弱部位构成的潜在滑动面, 该边坡的滑动面就是由三组成簸箕型的节理面控制, 并最终形成以这三组节理面和节理面中的薄弱面共同形成的滑动面。
4.3 节理裂隙中泥质夹层的润滑作用
该边坡是由花岗岩风化后形成的, 在原岩风化之前部分张开的节理裂隙中会有泥质或其他充填物 (图三) , 这些充填物与周围岩石相比物理力学性质弱很多, 形成相对周围岩体比较薄的软弱夹层, 当边坡在重力作用下产生滑动趋势时, 会在两侧形成润滑作用, 当边坡在基岩内沿软弱夹层、或软弱岩层发生位移, 造成边坡滑塌。
4.4 雨水对边坡的作用
水是影响边坡稳定的重要因素之一, 花岗岩风化后由于雨水的下渗, 基岩裂隙充水, 在一定条件下岩体矿物吸收水, 发生水化作用, 引起矿物体积膨胀从而导致岩体松散、破碎, 岩体的松散进一步导致水化作用想深部发展和扩散, 水的入渗使空隙水压力增加[2], 使基岩中产生倾向坡外的推力, 增大了边坡下滑的推力;此外, 雨水渗入软弱夹层层面, 改变了软弱夹层中的含水量, 使软弱夹层泥化, 降低了抗剪强度, 减弱边坡的抗滑力, 这两种因素共同作用减低了边坡的稳定性。
4.5 人工开挖边坡
边坡在自然情况下是稳定的, 当人工开挖边坡后, 原来边坡处的土被剥离, 由这部分土产生的重力消失, 抵抗边坡下滑得抗滑力减小, 而边坡下滑的推力没有变化, 当边坡的稳定超过临界状态后, 边坡自然向下滑动。
4.6 暴露时间过长
该边坡暴露时间过长而没有采取支护措施, 也是导致失稳的一个因素, 边坡在没有采取支护措施的情况下, 全风化花岗岩自身会有蠕动现象, 蠕动产生的微裂缝正好形成了雨水侵入的路径, 加剧了边坡的失稳过程。
5 处理措施
该边坡变形破坏之后, 现场采取了如下措施:
5.1 在边坡上方开挖截水天沟, 将边坡顶部坑洼处积存的雨水及时排除。
5.2 清除已经滑落的土石, 及时按设计加强支护。
经过半年的观测, 边坡保持稳定, 并且滑塌处两侧没有继续发展的趋势。
6 结论
6.1 全-强风化花岗岩边坡的稳定性具有不同于岩体边坡和均匀土质边坡的工程特征, 在铁路和公路工程中设计和施工时要加强观测并及时支护。
6.2 原岩中的节理面的产状对边坡的稳定性起控制作用, 尤其当主要节理面与边坡方向形成顺层时, 节理裂隙将极有可能发展成为潜在滑动面。
6.3 软弱夹层的存在、雨水是影响边坡稳定的不利因素, 应该在施工时注意观测, 及时发现, 并在开挖后及时采取支护措施。
摘要：风化花岗岩边坡具有不同于岩体边坡和均匀土体边坡的工程地质特征, 风化花岗岩边坡由于保持了原岩中节理面, 顺层边坡在开挖时比均匀土体边坡稳定性更差, 事实表明这类边坡在开挖时应注意观测, 及时采取支护措施。
关键词：风化花岗岩,边坡
参考文献
[1]赵晓彦, 胡厚田, 时延兵.类土质边坡研究初探[J].工程地质学报, 2005 (13 (01) ) :0081-04.
[2]杨明, 王波, 胡厚田.类土质边坡特征的初步探讨[J], 水上保持学报, 2002 (12) Vol.16No.6P110-135.
风化花岗岩 篇2
关键词：花岗岩风化壳；土壤裂隙；崩岗侵蚀；水土流失；华南
中图分类号： S151+.1文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）10-0352-03
收稿日期：2013-12-21
基金项目：国家自然科学基金（编号：41371041）；教育部人文社会科学研究规划基金（编号：13YJAZH041）；广东省自然科学基金（编号：S2012010009272）。
作者简介：周红艺（1977—），男，湖北利川人，博士，副教授，主要从事土壤侵蚀研究。E-mail：zhouhyfs@163.com。花岗岩风化壳的侵蚀是华南地区最严重的水土流失类型，而崩岗侵蚀则是其中最严重的侵蚀过程，虽然表面侵蚀及细沟侵蚀是崩岗的先导，但土的大量流失却是崩岗地形发育的直接结果。据调查，在我国南方红壤区[广东、福建、江西、湖北、湖南和安徽6省300多个县（市、区）]各类崩岗有2013万个，88.9%属于活动型的，相对稳定型的崩岗仅占111%。其中，广东有11.52万个，占崩岗总数的57.2%，其崩岗面积和防治面积最大，崩岗面积占全国崩岗总面积的67.83%，防治面积占全国总防治面积的45.9%[1-2]。在广东低山丘陵区，由于受崩岗的影响，完整的坡面被切割得支离破碎，对自然环境和社会经济发展造成了极大的破坏，因此治理崩岗侵蚀是当地政府必须重视的生态环境问题。研究崩岗侵蚀机理是为了更好地找到治理崩岗的模式，崩岗侵蚀是由多因素作用造成的，不少学者从地貌条件、地质基础、植被条件、地下水活动、坡地水纹、坡地气候等方面研究崩岗侵蚀的机理[3-7]，目前还没有学者对风化壳裂隙发育与崩岗侵蚀的关系进行相应的研究，而崩岗产生的机理至今还不清楚。华南花岗岩发育的红壤风化壳是崩岗侵蚀母体，通过调查发现风化壳裂隙发育普遍存在，但裂隙发育与崩岗侵蚀之间有无关系、裂隙发育是否是崩岗侵蚀重要的影响因子等问题还需要进一步调查研究。裂隙构造的研究在地质学和地貌学上有重要的特殊意义，在地质方面，岩体内的裂隙可以指明构造运动的方向、岩体形成的应力分布、不同变形的时间顺序；在地貌方面，裂隙又是水体和气体等风化介质进入岩体深部的通道，岩体的风化与破坏和裂隙的存在密切相关[8-10] 。本研究以花岗岩水土流失典型地区的广东省德庆县为例，通过野外调查采样，以实测当地裂隙走向和数量，结合土壤基本理化性质对崩岗发育进行分析，探讨裂隙在崩岗侵蚀过程中所起的作用。
1研究区概况与方法
研究区德庆县地处广东省中西部，属低纬度地区，气候温和，热量丰富，雨量充沛，无霜期长，据广东省德庆县气象站统计资料可知，该县年均气温21.5 ℃，年均降水量 1 516.5 mm，年均日照时数1 848 h。在广东省德庆县马圩镇深涌水土保持监测站设立的定位观测点，选定其中一个较活跃的崩岗进行崩岗上部土样采集。取样地布设于马墟镇的东南部深涌水土保持监测站1号拦沙坝丘陵坡地，坐标位置为110°50′26″ E、23°10′29″ N，海拔高度132 m，植物群落主要为木荷-岗松-笀萁群落以及其他杂草，植被盖度41%，土壤类型为赤红壤。该崩岗属弧形崩岗，侵蚀沟2条，崩壁后壁高5 m，平均深度3 m，沟口宽1.8 m，沟道最大宽度5.2 m，崩岗面积 136 m2，沟道长16 m，边壁高3.6 m。
在典型区内调查花岗岩风化壳的剖面特征、裂隙数量及走向、崩岗崩口方向与数量，分析讨论裂隙对崩岗侵蚀过程的影响；采集具有代表性土壤剖面主要土层的混合土样和原状土样进行研究，其中土壤容重的测定采用环刀法，游离氧化铁含量的测定采用二亚硫酸钠-柠檬酸钠-重碳酸钠（DCB）法，土壤质地的测定采用吸管法[11] 。
2结果与分析
2.1调查区花岗岩风化壳的剖面特征
在笔者调查的德庆县马圩镇深涌水土保持站内，典型的花岗岩红土型风化壳可分为5 个层次，各层在矿物成分、风化程度、土体结构、粒度、颜色等方面均有明显的差异[3]，导致抗冲、抗蚀、抗滑塌能力不同。在总结前人工作的基础上进行风化壳综合剖面划分，根据野外调查将研究区风化壳天然剖面分为全风化带、强风化带、弱风化带、微风化带，各层调查特征如表1所示。表1调查区花岗岩风化壳的剖面特征
剖面剖面颜色剖面矿物成分的变化剖面结构变化剖面力学特征的变化全风化带
棕红色
除石英颗粒外，其余矿物风化形成次生矿物，铁铝富集
岩体结构已完全破坏，呈松散状，雨后干裂，板结可捏碎，可观察到发育充分的裂隙，裂隙宽度>0.5 cm、深度>80 cm，土表常常形成龟裂，裂隙密度多>30% （面积比）浸水崩解
风化壳裂隙在地表（坡面）对面状侵蚀起主导作用，它破坏地表的完整性。当降雨沿坡面产生径流时不是呈均匀层状，因裂隙隐伏在土层中，下雨时形成地下吸水中心，而在地表裂隙处则产生流线。在地下吸水中心与地表流线2种水流作用下，当水的流速、流量超过一定限度则坡面出现侵蚀，在裂隙通过之处形成浅凹地，这就是面状侵蚀的破坏机理。面状侵蚀进一步发展则成为沟状侵蚀，它是流水与裂隙相互作用的结果。坡面上面侵蚀浅凹地形形成后，雨季坡面雨量不断集中，流水下切，渐渐形成细沟，细沟与风化壳内的裂隙相连，水体除形成地表径流外，一部分往岩体内渗透，即所谓地下吸水中心（裂隙走向带），这种下渗的水体，是不均匀供应的，使风化壳的土体湿胀干裂，交替变化，对加速侵蚀与崩塌起到极大作用。斜坡在雨季间歇性暴流作用下，被强烈破坏，斜坡比降大，使沟床构成多级跌水，产生涡流，加之裂隙往岩体内发展，裂隙面在水流作用下，不断产生小型崩塌。因此，凡裂隙通过的地方很快就能发育成沟状侵蚀，由细沟到中沟发展成大沟，最后扩大成崩岗。
nlc202309032304
3结论与讨论
风化壳土壤裂隙的存在一方面破坏了土体的整体性，引起土体整体强度的降低；另一方面增大了土体的渗透性，为雨水渗入和水分蒸发提供了良好的通道，使得气候对土体的影响深度进一步向土体内部发展。在降雨入渗条件下，流水迅速渗入到土体内部，引起孔隙水压力上升，基质吸力减小，土体强度下降，风化壳自重增加，兼之风化壳下部洞穴的存在，风化壳边坡失稳加剧，最终导致风化壳上部土体崩坠或滑入沟底，并在以后的降雨中，被径流带走，至此沟岸后退完成了一个轮回。但是，关于风化壳裂隙发育是如何影响土体的渗透性和强度、裂隙发育程度对风化壳的稳定性和风化壳侵蚀量的定量关系等一系列问题都还没有看到新的研究进展，而这些问题恰恰是揭示崩岗发生机理的重要数据和参数。因此，笔者从风化壳土体裂隙发育程度入手，研究风化壳土体的裂隙发育及其对渗透特性、土体强度的影响和机理，定量评价裂隙发育对风化壳稳定性、崩塌堆积量的影响，为深入系统了解崩岗发育规律及提出治理途径具有重要的科学意义。
本研究结果表明，研究区丰富的土壤裂隙形成与该区主要分布的花岗岩红壤风化壳有密切关系；崩岗与裂隙息息相关，裂隙成为边坡崩塌和直接产生重力侵蚀的重要因子，崩岗发育完全受裂隙所控制。华南花岗岩风化壳裂隙是崩岗侵蚀所特有的成因之一。
参考文献：
[1]冯明汉，廖纯艳，李双喜，等. 我国南方崩岗侵蚀现状调查[J]. 人民长江，2009，40（8）：66-68.
[2]水利部长江水利委员会. 南方崩岗防治规划（2008—2020）[R]. 北京：中华人民共和国水利部，2009.
[3]吴志峰，李定强，丘世钧. 华南水土流失区崩岗侵蚀地貌系统分析[J]. 水土保持通报，1999，19（5）：24-26.
[4]张信宝. 崩岗边坡失稳的岩石风化膨胀机理探讨[J]. 中国水土保持，2005（7）：10-11.
[5]吴志峰，王继增. 华南花岗岩风化壳岩土特性与崩岗侵蚀关系[J]. 水土保持学报，2000，14（2）：31-35.
[6]张淑光，钟朝章. 广东省崩岗形成机理与类型[J]. 水土保持通报，1990，10（3）：8-16.
[7]李思平. 广东省崩岗侵蚀规律和防治的研究[J]. 自然灾害学报，1992，1（3）：68-74.
[8]严钦尚，曾昭璇. 地貌学[M]. 北京：高等教育出版社，1985.
[9]广东水土保持研究编写组. 广东水土保持研究[M]. 北京：科学出版社，1989：23-30.
[10]关君蔚.水土保持原理[M]. 北京：中国林业出版社，1990：1-101.
[11]鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 3版.北京：中国农业出版社，2000.
风化花岗岩 篇3
花岗岩在我国南方广泛出露,在广东省占全省总面积的30%～40%,福建省约占40%,香港特别行政区占30%以上,湖南、广西、江西等省分别占本省总面积的10%～20%[1],且风化壳深厚。以往的勘测、设计、施工及运营过程中反馈的信息表明,因风化花岗岩岩土引起的工程问题较为突出,在露天矿山边坡中主要表现为崩坍、被水冲刷滑坍和滑坡等灾害。
为计算确定某锡矿矿区边坡的经济、合理、安全的边坡角,减少土石方开挖剥离量和维护边坡的稳定及采场运营安全,对矿区内主要岩土层(风化花岗岩)进行现场原位力学试验,以期获得更符合该矿区现场实际的岩土力学参数。
2 矿区地质特征
矿区为中低山地貌,海拔标高570～1 000m,总体地势北东高,南西低,东西两侧高,中间低。山高坡陡,地形切割中等,“V”形沟谷发育。地表主要是软弱松散含碎石粉质粘土,分布于矿区中部山间谷地及斜坡地带,厚度0.5～10m;矿区大部分地区岩性为花岗岩、细粒花岗岩脉及石英斑岩脉。花岗岩自浅部到深部可分为全(强)风化层、弱风化层和微风化层三个带。全(强)风化层最大厚度大于92.54m、最小厚度1.40m、一般厚度32.36m,岩石中除石英外其它矿物全部风化,长石和云母风化成粘土,颜色为黄褐色,呈砂土状,松散。
3 试体制备及试验设备
3.1 试验岩土体的布置与制备
试体布置:北采场东帮768平台北部5个、东帮780平台中部5个,南采场东帮720平台5个,3个试坑共制备15个试体。设计试体剪切面积为2500cm2,试体切割及混凝土浇筑要求和施工程序如下。
(1)试坑尺寸。长6～8m,宽2m,深度待定。深度确定原则:浮土层(h1)+松动层(50cm)+试体高度50cm。
(2)试体要求。试坑开挖达到一定深度后,人工切割毛试体平面尺寸60～80cm,待定深度达到剪切平面后,人工修整到50cm×50cm×50cm。
(3)试体表面混凝土养护。试体切割好后,用425水泥+适量速凝剂+砂+瓜子石+钢筋配置成C30混凝土。配置尺寸Φ8mm@12.5cm混凝土厚度5cm。
3.2 主要试验仪器设备
本次试验用于加载的千斤顶有两个:水平千斤顶和竖直千斤顶,其分别为100t和50t液压千斤顶。垂直剪切面及沿剪切面的绝对位移,分别用2～4只小量程和2～4只大量程的百分表量测,滚排1个。
试验前千斤顶在材料试验机上率定,其油压表读数与材料实验机的率定关系为:50t千斤顶率定关系为P=5.624X-2.662;100t千斤顶率定关系为P=15.267X-2.336。式中P为材料实验压力机读数(kN);X为千斤顶油压表读数(MPa)。
其他辅助设备包括:试验受力钢板、测表支架、长钢梁、木板、编织袋、基准杆、传力钢柱、钢性垫板若干,水平尺及其它辅助工具。
4 现场原位试验技术要求和步骤
4.1 试验仪器设备的安装
液压剪切试验装置可参照图1所示进行安装。①施加垂直荷载装置安装。②施加横向荷载装置安装。③位移或变形量测装置:垂直变形百分表应安装在剪力盒对角线或中线上。测量水平位移百分表应安装在受剪方向两侧。各量测仪表支架固定端应牢固可靠。④堆载装置:试验所施加的垂直荷载来自上部所施加的堆载荷重。
4.2 垂直压力和剪切应力的施加
本次抗剪强度试验采用固结慢剪法。分3～5次来施加垂直荷载,应立即记录荷载施加后的垂直变形百分表读数,注意每隔5分钟观测一次,当在5分钟内垂直方向变形没有超过0.05mm时,便可施加下一级荷载。施加完预定的全部荷载后,就可施加横向推力。各级横向推力应连续且均匀,各表的读数须每5分钟记录一次,直到垂直变形在5分钟内没有超过0.05mm时,则可认为变形相对趋于平稳,即可施加下一级荷载。直至剪切破坏。
试验中,对全部试体所施加的剪切力方向模拟边坡滑动方向施加,剪切力水平施加。垂直荷载应考虑边坡岩土体的埋藏深度和国家标准要求,分别施加50～300 kPa左右的荷载。试体剪切后见图2和图3。
4.3 试体剪切面描述及分析
剪切面揭露的全风化花岗岩,强度比较低,用手指即可捏碎,颜色呈灰白色,大都节理很发育,并相互交错。在对试体施加剪切力模拟边坡滑动方向作用下,剪切面有明显的剪切滑动擦痕。
5 试验成果整理与分析
5.1 抗剪强度指标
本次原位直剪试验的数据整理是先将试验数据按有关公式[2],分别计算出正应力、剪切力以及相应的正应变、剪切应变,然后再根据库仑定理τ=σtanΦ+c,采用最小二乘法进行线性回归,得出抗剪强度指标。
试验结果绘制剪应力τ和剪应变ε曲线图及正应力σ、正应变ε曲线图和抗剪强度曲线图,用最小二乘法回归得出的南北采场边坡帮抗剪强度曲线的相关系数R和C、Φ值。因试验数据较多,曲线图多,在这仅列出几个代表性的线图,见图4～图6。
试验中,不同垂直荷载下剪切力的选取,考虑到施加各级垂直荷载的大小,当垂直荷载较小(≤4MPa)时,试体易被剪切破坏,在加剪切力的过程中若试体破坏没有出现爬坡现象,所加剪切力的最大值就很接近其发生破坏时的值,所以此时就取峰值作为计算回归的剪切力。
当施加的垂直荷载较大时,试体发生了爬坡现象,造成试体的剪切力较大,给试验参数的回归、选取等带来一定的困难。若取峰值参数计算峰值强度作为评价的依据,势必造成边坡稳定性评价的错误,给后续的剥采工程带来极为不利的影响[3]。因此,在充分讨论和分析的基础上,以试体爬坡前(或爬坡时)所施加剪切力作为计算回归的剪切力。原位抗剪强度试验结果见表1。
5.2 变形(弹性)模量
根据试验施加的单位压力P和实测的岩体变形S,绘制P-S关系曲线,变形(弹性)模量用下列公式[4]计算:
式中:E——岩体变形(弹性)模量,MPa,当以总变形W0代入式中计算的为变形模量E0;当以弹性变形W代入式中计算的为弹性模量E;
W——岩体变形,cm;
P——按承压板面积计算的压力,MPa;
D——承压板等效直径,cm;
μ——泊松比。
试体平均变形模量E0及弹性模量E的试验成果见表2。
6 结语
(1)在试验施加的垂直荷载较小的时候,试体很容易被剪切破坏,当试体在加剪切力的过程中,剪切破坏的试体未出现爬坡现象,这时所施加的剪切力最大值就非常接近其发生破坏时的值,此时取峰值作为计算回归的剪切力。
(2)当试验所施加垂直荷载较大时,试体可能发生了爬坡现象,造成试体的剪切力较大,提出的以试体爬坡前(或爬坡时)所施加剪切力作为计算回归的剪切力,较符合实际。
(3)现场原位试验及成果分析得出了更符合该矿区实际的全风化花岗岩基本力学参数,为矿区边坡的稳定性计算分析提供了可靠依据,也为类似岩土工程积累了经验和提供了参考。
参考文献
[1]李志勇,谢强.全风化花岗岩动强度特性研究[J].中南公路工程,2005,30(3):28-31.
[2]GB/T50266-99,工程岩体试验方法标准[R].
[3]杨帆,侯克鹏,康永红.影响原位试验岩体强度参数的因素分析[J].矿业快报,2008,12(12):33-35.
全风化斑状花岗岩预应力锚索设计 篇4
阳江核电厂位于广东省阳江市东平镇,共布置6条排水隧洞,均位于核岛东部尖山顶西侧山体中,向南东方向穿越尖山排水至南海。
1#、2#排水隧洞静水前池开挖深度范围以花岗岩残积土(Qel)和全风化的斑状花岗岩为主,表层覆盖薄层坡积物,如图1所示。基坑最大开挖深度19.85 m,高程8.5 m以上采用1:1.5的坡比进行削坡处理,高程8.5 m以下采用灌注桩结合预应力锚索+格构梁的综合措施保证前池基坑的坑壁稳定,通过计算预应力锚索轴向拉力标准值需达到500 kN方能满足设计要求。本文对全风化斑状花岗岩地层预应力锚索设计中采用的地层与锚固体粘结强度特征值frb的选取进行了讨论。
2 工程地质条件
勘察期对1#、2#排水隧洞静水前池的地层进行了标准贯入试验,根据GB 50021—2001《岩石工程勘察规范》(2009年版)附录A.0.3中以标准贯入击数N确定花岗岩类岩石的风化状态的规定:高程3.15 m以上地层/N=10～30击,平均值为20击,确定为残积土,土工试验成果定名为砾质黏性土,局部存在砂质黏性土;高程3.15 m以下N=33～49击,平均值为41击,确定为全风化状态的斑状花岗岩。预应力锚索设计中的锚固段高程均位于3.15 m以下,因此这里仅对全风化状态的斑状花岗岩的地质特征进行讨论。表1和表2分别列出了该地层的物理指标和颗粒分析成果。
从表1可以看出,全风化斑状花岗岩地层的饱和度达到80.9%,为近饱和状态。
从表2可以看出,粒径大于2 mm的颗粒质量为23%,不超过总质量的50%,且粒径大于0.075mm的颗粒质量超过总质量的50%,因此依据GB50021—2001《岩土工程勘察规范》(2009年版)应定名为砂土;同时粒径大于0.075 mm的颗粒质量为59.4%,超过总质量的50%,但不大于85%,故全风化斑状花岗岩属于为粉砂地层。
3 预应力锚索设计
预应力锚索的基本参数设计如下。
锚索选用1×7钢绞线,公称直径d=15.2 mm,钢绞线强度标准值:fpk=1 860 MPa,钢绞线强度设计值:fpk=1 320 MPa,弹性模量为Ec=1.95×105MPa。
预应力锚索倾角为15°。
根据GB 50330—2002《建筑边坡技术规范》中公式计算锚固体中锚固段的长度:
式中la——锚固段长度,m;
D——锚固体直径,m;
frb——地层与锚固体粘结强度特征值,kPa;
ξ1——锚固体与地层粘结工作条件系数。
参数选取:
如前所述,基坑稳定性计算要求预应力锚索设计的轴向拉力标准值为Nak=500 kN,预应力锚索为永久性锚杆,取ξ1=1.0,锚固体直径为0.15 m。
对于frb,首先根据GB 50330—2002《建筑边坡工程技术规范》中的表7.3.2-2确定。预应力锚索锚固段位于全风化的斑状花岗岩中,由标贯击数确定该地层为密实状态的砂土,故frb=105～140kPa。
由式(1)计算可得:la为7.58～10.11 m。
4 预应力锚索现场试验
GB 50330—2002《建筑边坡工程技术规范》规定,表7.2.3-2中仅适用于初步设计,施工时应通过试验检验,所以在对预应力锚索进行初步设计后,选定3个部位进行预应力锚索破坏性试验,锚固段长度分别为15、20、25 m,分别进行了破坏性试验,试验过程遵循预应力锚索施工的相关技术规程。试验预应力锚索的锚固段均选在天然状态的全风化斑状花岗岩地层中。
由式(1)推导地层与锚固体粘结强度特征值计算公式,如式(2):
式中参数同式(1)。
试验用预应力锚索施工参数均为节3中确定的设计参数。试验结果列于表3。
试验结果表明该工程中天然状态的全风化斑状花岗岩的地层与锚固体粘结强度特征值frb在61.86～63.92 kPa之间,平均值为62.96 kPa。
5 结论与讨论
基坑与边坡支护工程中使用预应力锚索是一种行之有效的方式,预应力锚索锚固段长度的确定与地层与锚固体粘结强度有很大的关系。全风化斑状花岗岩预应力锚索初步设计中参考相关规程规范确定frb为105～140 kPa,锚固段长度为7.58～10.11 m时,就可以满足锚杆轴向拉力设计值500 kN的要求。然而,在同一地层的不同部位设置的3处预应力锚索破坏性试验表明,在锚固体直径为0.15 m的条件下,该部位的frb在61.86～63.92 kPa之间,较参照密实状态下的砂土确定的frb值降低41.1%～54.3%。由土工试验得知,天然状态全风化斑状花岗岩含水量为80.9%,接近饱和,而高达40.5%的粉粒含量和Ip=10.1的塑性指数均表明天然状态下全风化斑状花岗岩中细颗粒物含量较高,并且具有较高的黏粒含量。这些因素都大大降低了该类地层与锚固体的粘结强度。
风化花岗岩 篇5
关键词：裂隙涌水,周边注浆,效果检查
1 工程及地质概况
某隧道为双向六车道, 隧道平面布置为分岔式结构, 即由连拱隧道、小净距隧道组成, 设计纵坡为-2.44%, 其中ZK7+915.072~ZK8+050为小净距隧道, 线路正上方有3层~6层的居民楼房14栋, 房屋一般为砖混结构, 独立或扩大条形基础。该段隧道埋深32.3m~37.3m。地下水埋深3.5m~6.0m。隧道洞顶围岩以全风化~微风化花岗岩为主, 洞顶5m以内为碎块状强风化花岗岩, 其上为5m左右的全风化~砂砾状强风化花岗岩。隧道主要从碎块状强风化或弱风化岩体中通过, 岩体较破碎, 岩质软硬不等且有含泥砂砾状风化夹层;地下水压力约为0.3MPa, 地下水对围岩强度影响较大;本段围岩级别主要为Ⅳ级, 局部为Ⅲ级, 跨度大于5m时, 一般无自稳能力, 数日~数月内可发生松动变形、小塌方, 进而可发展为中~大塌方。
2 涌水情况及裂隙参数估算
2.1 涌水情况
斜井工区左线隧道进入Ⅳ级围岩施工后, 采用CD法开挖, 施工分四部进行, 该段左上部施工至里程ZK7+962.2进行超前小导管支护时, 位于拱顶左侧一根小导管钻至3m左右时, 出现了涌水, 实测涌水量达6m3/h~8m3/h, 涌水为清水, 见图1。隧道内涌水后, 地表水位观测孔水位下降明显, 最大时水位下降达6m, 地表房屋沉降达3mm/d。为了探明前方地质情况, 现场施作了两个探水孔, 探孔涌水量达4m3/h~5m3/h, 探明前方围岩存在全强风化围岩互层, 部分地段围岩软弱, 存在多处裂隙水。
为了防止继续开挖导致地下水大量流失, 引起地表沉降, 影响地表建筑物的安全, 须对隧道超前预注浆, 以封堵地下水。
2.2 裂隙宽度的估算
现场对小导管涌水喷射距离及高度进行了量测, 见图2, 实测结果为水平距离x=1.2m, 垂直距离y=1.8m。根据物理学知识可知钻孔水流在水平方向的流速为, 计算得钻孔水流的速度为1.98m/s。
根据裂隙宽度经验公式[1], 见式 (1)
式中:δ=裂隙宽度 (mm) ;R=钻孔半径 (mm) ;v=钻孔中水的流速 (m/s) ;g=重力加速度 (m/s2) ;H=静水压力 (水柱) (m) 。
已知钻孔半径R=19mm, v=1.98m/s, 静水压力H=0.3Mpa=30m水柱, 代入公式 (4) , 计算得裂隙宽度δ=0.78mm。
2.3 裂隙率的估算
根据宾德曼关系式[2]
得裂隙率计算公式
压水试验表明, 该段透水率为20~40lu, 将上述数据。代入公式 (3) , 计算得m=0.7%~1.3%。
3 注浆设计与施工
3.1 注浆方案及参数的确定
3.1.1注浆方案及孔位布置
根据地质报告和超前钻探情况, 该段围岩主要以微风化和强风化花岗岩为主, 掌子面围岩具有自稳能力, 隧道涌水主要来自拱顶上方的裂隙水, 且裂隙发育范围主要在隧道掌子面前方30m左右, 因此根据设计文件及地质条件确定采取局部周边帷幕注浆方式。注浆按三个断面进行加固, 其孔位布置见图2、3。
3.1.2 注浆参数的确定
1) 注浆压力
注浆压力是浆液在地层中扩散、充填、压密的能量, 浆液在裂隙中扩散、充填的过程就是克服流动阻力的过程, 注浆压力的选择不仅要考虑静水压力的大小, 而且还要考虑裂隙的大小。裂隙大, 浆液扩散阻力就小, 裂隙小, 浆液就不易扩散。根据该处隧道埋深和涌水压力结合裂隙宽度等因素综合考虑确定注浆压力为1 MPa~1.5MPa。
2) 终孔间距
在动水压力下注浆时, 注浆孔按行排列时注浆孔间距有以下公式[]d=1.57R (P泵-P水) /P泵, 根据试验, 该地层浆液扩散半径在2m~2.5m, 则计算得注浆孔间距为2.51m~3.14m, 设计时取2.8m。
3) 工艺选择
为了减小工程量和提高工作效率, 施工中采取遇水即注的注浆堵水工艺, 即当钻孔过程中遇到涌水时即开始注浆, 在涌水地段, 采取前进式分段注浆工艺, 分段长度5m, 钻孔过程若水量较小或无水时可增加钻孔段长。
4) 注浆参数
根据以上分析及相关工程经验, 确定注浆参数见表1。
3.2 注浆材料选择
浆液进入岩体裂隙的能力主要取决于裂隙宽度、浆液颗粒粒径和灌浆压力等因素[], 这与岩体可注性有关, 裂隙岩体的可注性可由Mitchell公式[2]确定。
式中Df-岩体裂隙宽度;D95-浆液材料在粒度分析曲线上占95%的对应直径。
对于岩体裂隙介质, 当GR>5时, 才能保证注浆成功, 因此浆液粒径D95应小于Df/5, 这样对本工程来说D95应小于0.16mm。而普通硅酸盐水泥的粒径D95多小于80μm[2], 能够保证注浆成功, 因此注浆材料主要采取42.5R普通硅酸盐水泥单液浆及普通水泥—水玻璃双液浆, 浆液配比为W:C= (0.8~1) :1, C:S=1: (0.6~1) , 水玻璃浓度35Be’~50Be’。
3.3 注浆顺序
钻孔注浆按两序孔采取间隔跳孔、先外后内、先上后下的方式进行, 实施挤密注浆。
3.4 注浆施工
1) 止浆墙施作。隧道开挖工作面至注浆设计里程后, 在工作面挂Φ6.5, 间距20*20钢筋网并喷射C20混凝土封闭掌子面, 喷射厚50cm, 止浆墙必须满足设计要求, 以保证注浆效果。注浆过程若止浆墙出现开裂, 跑浆等现象影响注浆效果, 则必须进行补喷;2) 基底铺垫。由于矿研钻机对路面平整度要求较高, 需要采用碎石渣进行铺垫, 并在两边预留排水沟;3) 孔位标定。按设计在掌子面上将开孔位置用红油漆标出。采用罗盘确定注浆外插角, 调整钻机满足设计钻孔方向要求;4) 钻孔作业。钻机采用低压力、慢钻速, 采用Φ110mm的钻头开孔, 钻深1.8m, 退出钻杆, 安装孔口管;5) 安装孔口管。在孔口管距法兰盘端部30cm处缠绕麻丝, 成纺锤形状, 缠绕长度不少于50cm, 钻孔内放入锚固剂或快凝水泥砂浆, 将孔口管顶入孔内;6) 注浆。钻孔至设计位置后按照注浆方式和注浆工艺流程进行注浆作业。
4 注浆效果检查与分析
4.1 钻孔涌水情况
左侧导洞在钻设注浆孔时, 前期钻孔不同程度的有出水现象, 其中最大单孔出水量为5m3/h, 随着注浆施工的进行后期出水量逐渐减小, 涌水量基本为清水。钻孔涌水的孔主要集中在隧道拱腰部位, 从钻孔可看出, 所钻孔的水力联系不大, 表明该段地下水主要为基岩裂隙水, 从水量来看, 裂隙宽度不大, 从钻孔难易程度来看, 该段围岩相对还是较硬, 主要为弱风化花岗岩。
4.2 注浆量分布特征时空效应法
对左侧导洞注浆孔注浆量进行统计。见图5
由注浆量分布来看:
1) 注浆量分布比较均匀, 注浆量大的孔主要为C圈孔上, A、B圈孔注浆量明显较少, 注浆量与钻孔深度有明显关系。注浆量最大为C2孔, 单孔注浆量为8.63m3;2) 虽然地层裂隙较发育, 但裂隙较小, 因而吸浆能力差, 钻孔贯穿裂隙小或贯穿裂隙较少时, 虽然注浆压力较大, 但注浆量仍很小, 很难注进, 压力上升较快;3) 注浆量较大的孔基本上是钻孔过程中水量较大的孔, 说明浆液主要是沿原有的出水路对透水裂隙进行充填, 由于采用的是普通水泥单液浆和双液浆, 浆液在细小的裂隙内很难扩散, 注浆量也不是很大, 对基岩微细裂隙水封堵效果不很理想。
4.3 注浆压力分布特征
统计分析注浆过程中左右导洞各注浆孔注浆终压, 见图6, 见图7。
由注浆压力来看:
1) 各孔注浆压力都达到或超过设计的注浆压力;2) 对比注浆量和注浆压力柱状图可以看出, 注浆压力大的孔注浆量相对较小, 注浆量大的孔注浆压力也不是很大, 说明对于该地层中的裂隙水封堵, 浆液主要是通过充填挤密的机理;3) 对于地层中微小渗水裂隙, 采用普通水泥浆或普通水泥-水玻璃单液浆较难达到不漏水的理想效果, 即使通过提高注浆压力, 效果也不是很明显。
4.4 P-Q-t曲线分析法
注浆P-Q-t曲线如图8所示, 由图8可以看出, 开始注浆压力比较小, 注浆速度基本保持不变为50L/min, 这主要是浆液充填注浆孔和地层中裂隙的过程, 而后注浆压力迅速增大, 注浆速度迅速减小, 这表明浆液已将地层中的裂隙填充满, 无法在继续注入。故浆液在这种地层主要是充填岩石裂隙。
4.5 检查孔情况分析
根据效果检查标准, 在注浆的薄弱区域进行钻孔检查, 左侧导洞共钻设检查孔4个, 钻孔深度25m。前两个检查孔钻孔结束后出水量分别为0.7m3/h和0.9m3/h, 从检查孔钻设过程中推断地层岩石较硬, 强度高, 整体性也较好。检查孔钻设结束后鉴于孔内水量较大, 对检查孔进行了补充注浆, 两检查孔注浆量分别为0.27m3和0.4m3, 注浆量较小, 说明检查孔区域地层裂隙发育不明显, 地层吸浆能力较差。在后续钻设的两检查孔出水量分别为0.15m3/h和0.4m3/h, 水量较小, 注浆堵水效果比较明显。检查孔主要出水范围均在21.5m后较明显。
4.6 开挖观察
开挖时左侧导洞掌子面基本无水, 个别地方有少量渗水, 开挖以后已经进行初支的拱部有水, 原因在于开挖时的爆破对围岩产生扰动, 使围岩中的细小的裂隙增大使已经被充填的裂隙开裂, 从而形成渗水通道, 导致局部出水。
5 结论与建议
1) 通过帷幕注浆和检查孔补充注浆, 涌水量明显减小, 堵水效果明显;2) 因该段地层为强风化地层, 裂隙较发育, 但裂隙较小, 出水主要是基岩裂隙水, 注浆主要是通过充填挤密的机理封堵裂隙水, 而普通水泥浆由于颗粒较粗, 通过提高注浆压力后地层吸浆量增加也不是很明显, 浆液扩散范围有限, 为了进一步提高堵效果, 建议部分采用超细水泥, 提高对细小裂隙的填充封堵率, 保证堵水效果;3) 由于裂隙宽度较小, 可通过增加钻孔数量和扩大注浆加固范围, 来提高对裂隙水的封堵效果, 减少或避免因地下水的流失而引起地表沉降。
参考文献
[1]曾荣秀.注浆技术经验汇编[M].北京:煤炭工业出版社, 1988.
风化花岗岩 篇6
摩天岭隧道为新建田师府至桓仁铁路工程的一最长隧道, 同时也是东北地区普速铁路的最长隧道。隧道起讫里程为DK34 +275 ~ DK42 + 895, 全长8 620 m, 下穿了辽宁省本溪市内的本溪县与桓仁县的界山摩天岭。
1. 1 地形地貌
沿线宏观地貌为低山丘陵及丘陵缓坡, 洞口覆盖厚层残坡积碎石土。地表有植被覆盖。隧道塌方段线路位于坡脚, 两条冲沟间, 轴线东西北三个方向山脚交汇, 地表附近有一宽约3 m的水沟, 水沟在DK42 + 560 起顺线路左侧, 向大里程方向流水, 并于DK42 + 630 处经过隧道顶, 顺线路右侧至DK42 + 690 远离隧道。
1. 2 工程地质
该隧道表覆第四系全新统坡残积层, 下伏燕山期花岗岩、侏罗系上统流纹岩。塌方附近的DK42 + 560 ~ DK42 + 660 段隧道埋深小于10 m, 处于第四系全新统坡残积层和全风化花岗岩不良地质区域, 坡残积层的碎石土和全风化呈砂土状的花岗岩, 遇水软化, 自稳性差。隧道塌方地段洞顶覆土为碎石土、全风化花岗岩, 呈砂土状、灰黄色。
1. 3 水文地质
勘测区域内地表水系较发育, 进口有河沟, 钻探发现地下水, 水位埋深0. 5 m ~ 21. 7 m, 水位高程584. 69 m ~ 830. 79 m, 降雨时会有较大水量流经此处。根据水文地质试验, 结合本工点路基挖方段范围内地层等特性, 该隧道及其影响范围内地层的渗透系数推荐为K = 0. 008 77 m/d ~ 0. 069 8 m/d。
2 塌方概况
在实际施工时, 由于占地问题, 该隧道改沟方案未能实施, 施工单位也未采取其他措施, 直接按施工图设计支护措施开挖。隧道在施工至DK42 + 620 处时, 上台阶掌子面的上部出现流砂和坍塌现象, 施工人员撤出后, 经过2 h ~ 3 h连续的流砂和坍塌, 掌子面拱部出现天窗, 坍塌的长度为10 m, 宽度6 m, 初支拱部至地表深度约5 m, 塌方方量约300 m3。塌方情况见图1, 图2。
3 原因分析
根据塌穴裸露围岩, 隧道拱部为砂砾状的全风化花岗岩, 土体湿润, 结合地质勘探钻孔及施工开挖围岩情况, 绘出塌方段前后的地质纵断面图如图3 所示。
3. 1 地表水未作处理, 地质条件差
该隧道原施工工法要求首先进行改沟工作, 处理地表水, 然后结合洞内超前地质预报, 做好洞内引排水工作。在提高岩体的强度和稳定性的情况下, 再进行洞内施工。
在实际施工中, 改沟方案没有实施, 地表水沟在冬季水量有所减小, 但仍没有断流。在未处理地表水的情况下, 洞顶全风化花岗岩含水率很大, 属于富水全风化花岗岩。根据参考文献[1]可知全风化花岗岩在含水率超过20% 后, 就会基本达到塑性状态, 内摩擦角急剧下降, 很容易发生失稳坍塌。
3. 2 支护措施不符合工程实际
原施工方案是在处理完地下水的前提下进行设计的, 上下台阶法开挖, 初期支护采用格栅钢架喷锚支护, 网喷混凝土厚度23 cm, 格栅间距0. 75 m, 拱部采用超前小导管预支护, 小导管采用ф42 × 3. 5 钢管, 每根长4. 0 m, 环向间距0. 4 m, 纵向间距两榀钢架 ( 见图4) 。
根据勘查阶段工程地质钻探实验数据, 塌方段全风化花岗岩的内摩擦角在低含水率的情况下可达到40°, 而在富水情况下内摩擦角约27°。隧道塌方段洞顶覆土厚5 m, 为超浅埋隧道, 根据《隧道设计规范》结合普氏平衡拱理论, 围岩破裂角 β = 45° +ф /2。
隧道上台阶开挖高度约4. 7 m, 按照图4 可算出隧道拱顶处前方的塌落拱影响范围。当围岩低含水率时, 塌落拱影响范围约2. 2 m, 加上隧道纵向支护间距1. 5 m, 小导管长度应大于3. 7 m, 故超前小导管采用4. 0 m长是安全的。当富水情况时, 塌落拱影响范围约3. 0 m, 小导管长度应大于4. 2 m, 此时再采用4. 0 m超前小导管显然是不安全的, 很容易造成掌子面前方土体塌落。
施工单位未根据实际情况调整超前支护参数, 仍按原设计开挖及支护措施施工, 造成超前小导管预支护长度不足, 也是造成塌方的主要原因。
4 工程处理方案
4. 1 塌方处理措施
为防止塌方的进一步扩大, 保证施工安全, 根据塌方后隧道现场实际情况, 对地表及洞内同时采取措施, 总体措施为: 先加固地表, 再稳定洞内。
治理过程为: 地表排水处理→塌方坑周加固→洞内清淤→掌子面防护→洞内注浆堵水→超前注浆加固→开挖与支护→陷坑回填。
1) 地表排水处理。沿陷坑四周开挖截水沟, 用砂浆抹面, 防止地表水进入坍穴, 并于上覆彩条厚布遮雨雪, 同时起到隔绝冷空气的保温作用, 防止塌方段洞内冻结。考虑辽宁当地12 月份, 全天温度位于0 ℃ 以下, 该隧道上方的河沟基本已冻结断流, 取消原设计改沟措施, 设置一处小坝拦水, 使隧道影响段河沟冻结, 对上游少量活水进行抽排。
2) 地表注浆与塌穴加固。对塌穴四周进行刷坡和喷混加固, 初喷完后沿塌陷坑四周打入长3 m, ф42 mm钢花管 ( 间距1 m, 梅花形布设) , 采用M20 水泥浆进行注浆加固, 以增强塌穴井壁强度。然后沿洞顶地表塌陷口周边3 m ~7 m范围内同样打入 ф89 mm钢花管注浆, 长度6 m, 间距1 m, 梅花形布设, 注M20 水泥浆。
3) 对掌子面前方坍塌的杂物进行清理, 树木截断后运出, 然后喷射混凝土封闭掌子面, 并对隧道内初支变形情况进行检测, 侵入限界的需在超前支护后, 破除重新喷锚立拱。
4) 在隔绝地表水源补给后, 对洞内渗水采用导管集中引排水和注浆堵水相结合的方式。局部渗水严重部位采用导管进行引排至隧道排水沟, 然后集中排除到洞外; 对于初支面滴水部位采用双液注浆堵住水的渗漏, 防止渗水对围岩的侵蚀。
5) 利用DK42 + 615 处的初支拱架作为支撑, 向坍塌的掌子面施作15 m长超前ф89 大管棚, 环向间距330 mm/根, 外插角3°并注双液浆。水泥选用42. 5R早强型硅酸盐水泥, 水泥浆浓度为水∶ 水泥= 1∶ 0. 8 ( 重量比) , 水玻璃选用液体硅酸钠型水玻璃, 浓度为30 Be'左右, 双液浆浓度为水泥浆C∶ 水玻璃S = 1∶ 0. 8 ( 体积比) , 初凝时间约3 min。
6) 对坍塌段采取三台阶开挖, 每循环开挖0. 5 m, 及时采用Ⅰ18 钢架进行支护, 钢架间距0. 5 m, 钢架背后露空的部分先安装钢筋网片再采用防水板或木板挡护, 纵向连接钢筋环向间距0. 5 m, 起拱线和边墙各设置两组锁脚锚管长3. 5 m, U形钢筋焊接并注浆, 然后喷射混凝土, 逐榀向前推进, 安全度过坍塌段。
7) 坍塌段初支面后加设护拱, 及时回填, 回填后地面注浆加固处理。
4. 2 水沟影响段施工措施
在没有改沟的情况下, 围岩地下含水率较大, 为保证施工安全, 需调整开挖及支护参数。根据平衡拱理论, 在 ф 值无法增加的情况下, 掌子面的塌落拱影响范围主要受上台阶开挖高度控制。为满足超前支护的有效性, 同时考虑施工工艺, 加强措施的主要原则是在加长小导管长度与调整开挖方式同时进行。
施工开挖方式由上下台阶法改为三台阶法, 上台阶开挖高度调整为3. 5 m, 格栅钢架调整为Ⅰ16 型钢钢架, 间距0. 6 m。拱部超前支护由单排小导管改为双排小导管预注浆加固, 上排小导管采用ф51 自进式锚管, 每根长5. 0 m, 环向间距0. 4 m, 纵向间距3. 0 m, 下排小导管采用ф42 × 3. 5 钢管, 每根长2. 5 mm, 环向间距0. 4 m, 纵向间距1. 2 m。在后期施工过程中安全通过了剩余浅埋段, 证明工程措施安全有效。
4. 3 防排水措施
考虑该段砂层渗透系数较大, 对拱顶水沟在横过隧道段采用浆砌片石铺砌, 同时加强洞内初支背后注浆, 采用水泥浆二次压浆, 注浆孔沿拱部及边墙布设, 环向间距: 拱部2 m, 边墙3 m, 纵向间距3 m, 梅花形布置, 注浆深度为初支背后拱部1. 5 m, 边墙0. 5 m, 注浆终压0. 5 MPa。
5 结语
1) 全风化花岗岩在富水情况下的稳定性极差, 会在短期内快速崩解失稳。因此, 花岗岩地层隧道在富水地段, 如何有效的控制地下水排出, 并把施工段落上部的水阻挡在开挖影响范围外, 以提高岩体强度, 是预防施工塌方的关键。
2) 全风化花岗岩隧道的塌方, 一般都是因为富水引起的, 因此在处理塌方时, 应首先考虑处理地表及地下水。
3) 隧道施工的支护措施与开挖方式及围岩条件是一体的。隧道施工时选取经济合理支护措施的先决条件是围岩工程地质及水文地质情况, 其次还受到不同开挖方式的制约, 它们之间是相互影响的。所以, 在施工过程中, 应根据现场围岩条件的变化及时转换支护措施, 否则就很容易造成工程事故。
参考文献
[1]陈洪江.花岗岩类全风化带的工程地质特性[J].港工技术, 1995 (3) :61-65.
风化花岗岩 篇7
边坡坡面冲刷是指降雨形成的坡面水流破坏边坡面,并冲走坡面表面土体的现象。在我国南方,很多输电线路塔基建在上部为全风化花岗岩的山体上,往往会遇到边坡坡面冲刷问题。南方花岗岩出露较广泛,广东省占其总面积的30%～40%,福建省约占40% ,广西、湖南、江西分别占其总面积的10%～20%。仅广东韶关地区就有多处输电线路塔基存在不同程度的坡面冲蚀。坡面冲刷严重时可引起滑坡,影响输电线路塔基承载力,对输电线路安全运行造成了巨大威胁,因此研究全风化花岗岩冲刷规律,对输电线路塔基工程安全具有重要作用。
国内学者自20世纪50年代就开始了对边坡坡面冲刷方面的探索,开展了大量的室内试验和现场试验。比如,文[1]通过不同坡度下的水流速度和泥沙含量测量,研究冲刷条件下坡面水流速度与产沙关系;文[2]在变坡钢槽中通过径流冲刷试验,运用能量守恒原理,分析了坡面土壤侵蚀率(Dr)与径流能耗(ΔE)之间的关系,建立了给定土壤条件下坡面土壤侵蚀率估算模型;文[3]研究了南方花岗岩风化层路堑边坡的坡面冲刷强度;文[4]通过室内放水冲刷试验,探讨了坡面细沟侵蚀量随径流量和坡面倾斜度的变化规律;文[5,6]的试验中,植被防护主要采用客土培植技术,借用水土保持学科中土壤的侵蚀模数单位(t/a·km2)概念,用固体废弃物的侵蚀模数来反映边坡抗冲刷能力的大小。但是到目前为止,还没有关于全风化花岗岩土体冲刷实验研究的报道。由此可见,为了水土保持及工程稳定性,有必要开展全风化花岗岩土体冲刷实验研究。
本文采用室内模型试验方法研究全风化花岗岩土体冲刷规律,以期对水土保持和工程维护有所帮助。
1 工程概况
广东省韶关地区多处输电线路塔基是修建在土体为全风化花岗岩的山坡上,而此类土体强度很低,极容易发生冲刷现象。以通络乙线某塔基为例,该塔基南面边坡较陡,曾发生大面积塌方;其他3面边坡较缓植被茂盛无冲刷和塌方现象。距塔基约70 m的公路边可见明显冲刷。经取塔基附近原状土测定,其土体干密度为1.70～1.78 g/cm3;根据韶关气象局提供的资料显示当地1956-2006年内出现最大日降雨量为234.8 mm,年降雨量为1 400～1 900 mm。
2 试验方法
由于细沟中的侵蚀过程主要是水流冲刷,用放水冲刷试验模拟降雨冲刷很大程度上是可行的[8]。本试验在我们所设计的变坡钢槽内进行,其长为2 000 mm,宽为500 mm,深300 mm,如图1所示。
试验的具体步骤如下。
(1)将从现场(广东省韶关市通洛乙线90号塔基附近)采集来的全风化花岗岩土体分层放入变坡钢槽内,每填一层土体都用底板宽为495 mm的平板振动仪均匀的压实。
(2)每层压好的土体均采用环刀法测定土体的密度,并通过烘干土体测定其含水量,以此两项推算得到土体的干密度;通过反复压实、测定直到土体干密度到达试验所需。
(3)在土体表层洒少量水使表土接近饱和,然后调节变坡钢槽至所需坡度3°。经供水系统按试验要求水量供水,使水进入变坡钢槽上部空水箱内溢出冲刷坡面,试验的流量大约为0.19×10-3m3/s,如果换算成实际降雨,按宽度0.5 m计算,并假设坡面流水厚度均匀,相当于每小时230 mm的净雨强,在0°坡面上6 m坡长边坡下端处的流量(1 h的降雨量与韶关50 a内最大日降雨量相当)。
(4)冲刷开始后每隔10 min用一定容积的容器收集出口处冲刷下来的水和沙子,将每个容器内的浑水过0.075 mm筛,然后所留沙子烘干称重,计算土体侵蚀模数。侵蚀模数的定义是“单位时间、单位面积土地上的土壤侵蚀量,常用每年每1 km2的土壤侵蚀量或每年侵蚀土层的厚度表示”[7]。
3 试验结果及分析
3.1 冲刷试验方案
共设计了5个试验方案。前2个试验方案试验对象都是通乙线90号塔基全风化花岗岩,试验中采用了2个干密度分别为1.60 g/cm3和1.70 g/cm3(均为平均干密度);第3、4方案是对通乙90号塔基全风化花岗岩土体(现场干密度1 760 kg/m3)干密度分别为1 700～1 770 kg/m3、1 720～1 760 kg/m3情况进行2组坡面冲刷试验,第5个方案是对坪曲线193号塔基附近的全风化花岗岩土体(现场干密度1 456 kg/m3)干密度1.44～1.46 g/cm3情况进行坡面冲刷。
3.2 不同干密度对冲刷影响
试验按照前面所述方法,在坡度为3°,水流量大约为0.19×10-3m3/s,平均干密度分别为1.60 g/cm3和1.70 g/cm3上进行坡面冲刷试验。
图2所示为不同干密度情况下土体的侵蚀模数变化曲线,可见在侵蚀模数有一个先减小后增大的过程,且干密度越大侵蚀模数越小,即干密度越大冲刷量越小。由于土体先前洒水饱和,坡表土体松散,孔隙率较大;刚开始冲刷时处于浮重度状态的松散颗粒较多,此类土颗粒抗蚀能力来自浮重状态的摩擦力。根据文[9]的研究此时颗粒的有效重力为:
式中:V为颗粒的体积;γs为颗粒重度;γw为水体重度。
有效重力垂直于坡面的分力将形成阻力FR,它是使坡面上泥沙颗粒保持静止不动、抵抗冲刷的主要阻力,大小为:
式中:α为坡面坡度;φ为坡面物质的内摩擦角。
将被浸泡颗粒近似为半径为r的球体,可得完全浸泡状态下坡面松散颗粒发生侵蚀的极限径流切应力,也即松散颗粒的抗蚀能力τc:
由式(3)可见松散颗粒的抗蚀能力较差,极易被冲刷,故侵蚀模数变化曲线中会出现先减小后增大的现象。坡表松散颗粒被冲掉后,随着冲刷的进行,片蚀、浅沟蚀等使水流逐渐汇聚,冲刷量开始增大。
图3所示为平均干密度为1.70 g/cm3土体的侵蚀模数变化曲线,可见在冲刷前期侵蚀模数在缓慢地增加,当坡面形成冲沟时侵蚀模数明显增加并最后趋于稳定。目前多数学者认为,细沟产生后,其水深、流速及侵蚀力均有较大增加,坡面侵蚀方式发生变化,细沟侵蚀强度可以较细沟间片蚀强度增加几倍到几十倍[10]。试验结果与此结论基本相符。
3.3 极容易冲刷的2种土体颗粒级配情况
试验发现2种全风化花岗岩非常容易冲刷,分别为通乙90号塔基全风化花岗岩和坪曲193号塔基全风化花岗岩,在现场干密度情况下它们在坡度小于5°已发生严重冲刷,对于坡长1 m情况最大沟深不小于40 mm,如果按照实际6 m长坡面最大沟深达到120 mm,其颗分曲线见图4与图5。其原因如下。
对河流流水观察发现,1 mm或更小粒径的沙粒在水流很慢时即能沿着沟底流动(推移冲刷)或者悬浮在水中随水流动(悬移冲刷),比较粗大粒径的沙砾在河中随水流动需要更大的流速和流量,由此可以得到初步印象:土体颗粒越小越容易随水流动而发生冲刷。学者在简化基础上推导出的坡面冲刷的条件公式表明,对均质土体土颗粒越小越容易随水流动而发生冲刷,证明了观察到的这个事实。我们只考虑粒径小于5 mm且大于0.075 mm颗粒冲刷情况。对于小于1 mm颗粒占该粒径范围内所有颗粒质量比情况,通乙90号塔基全风化花岗岩为58.45%,坪曲193号塔基全风化花岗岩为77.17%,根据砂土体颗粒越小越容易随水流动而发生冲刷规律,可知基于砂粒的发生严重冲刷容易程度的关系是通乙90号塔基全风化花岗岩小于坪曲193号塔基全风化花岗岩,二者都很高而很容易发生冲刷。而粒径小于0.5 mm颗粒一般能够悬浮于水中,只要有水流就能够随水流动而发生冲刷而不用考虑。
以后遇到和这两种颗粒级配相近的花岗岩残积物土体,要特别注意排水和防止冲刷问题。
4 结 语
(1)在相同水流速度,坡度也相同的情况下,松散颗粒远比固定颗粒容易侵蚀。
(2)同等情况下,干密度大的土体的抗侵蚀性能更好。
(3)坡面冲刷侵蚀是一个逐渐增加的过程,但当面形成细沟(冲沟)时冲刷量急剧增加。
(4)和通乙90号塔基全风化花岗岩及坪曲193号塔基全风化花岗岩颗粒级配相近的花岗岩残积物土体非常容易冲刷,要特别注意排水和防止冲刷问题。
摘要：经现场调查发现全风化花岗岩塔基的主要破坏形式之一为坡面冲刷,而目前全风化花岗岩坡面冲刷实验还没有相关报道。通过径流冲刷试验,研究了输电线路塔基全风化花岗岩边坡坡面冲刷的变化规律,并应用侵蚀模数的概念来评价坡面的抗侵蚀能力。同一种土体不同干密度冲刷试验结果表明,对于不同干密度的全风化花岗岩边坡干密度越大冲刷量越小;对于一定干密度的全风化花岗岩冲刷量随着时间的增加而增加,当坡面形成冲沟时冲刷量明显变大并最后趋于稳定;通过不同土体冲刷实验发现了两种极容易冲刷土体。
关键词：输电线路塔基,全风化花岗岩,径流冲刷试验,冲刷量
参考文献
[1]夏卫生,雷廷武.冲刷条件下坡面水流速度与产沙关系研究[J].地理学报,2004,41(6):876-879.
[2]丁文峰,李占斌,崔灵周.黄土坡面径流冲刷侵蚀试验研究[J].水土保持学报,2001,15(2):99-101.
[3]罗斌,胡厚田,王秉纲.路基边坡坡面冲刷强度探讨[J].中国铁道科学,2002,22(3):82-84.
[4]张科利,秋吉康弘,张兴奇.坡面径流冲刷及泥沙输移特征的试验研究[J].地理研究.1998,17(2):163-170.
[5]Donald H Gray,Robbin B Sotir.Biotechnical stabilization of high-way cut slope[J].Journal of Geotechnical Enginering,1992,118:1 395-1 409.
[6]张俊云,周德培,李绍才.高速公路岩石边坡绿化方法探[J].岩石力学与工程学报,2002,21(9):1400-1403.
[7]唐克丽.中国水土保持[M].北京:科学出版社,2004:64-65.
[8]陈力,刘青泉,李家春.坡面细沟侵蚀的冲刷试验研究[J].水动力学研究与进展,2005,20(6):761-766.
[9]吴永,何思明,沈均.坡面颗粒侵蚀的水力学机理[J].长江科学院院报,2009,26(8):6-9.
风化花岗岩 篇8
九连山隧道进口位于江西省龙南县境内, 出口位于广东省连平县境内。该隧道设计为双线六车道分离式隧道, 隧道左右线分别长3270m、3290m, 属于高速公路特长隧道。
隧道进口地质情况非常复杂, 浅埋偏压、富水全风化花岗岩、滑坡体、共同形成了综合性不良地质, 软弱Ⅴ级围岩长度实际开挖长度达到182m, 超出原设计134m, 超出323% 。并且穿过洞口段为浅埋古滑坡体 ( 隧道施工扰动已经出现复活迹象) , 给施工过程中的安全工作带来极大的威胁和挑战, 施工中左、右线分别出现一次大型坍塌地质灾害性事故。施工难度极大, 属于施工高风险隧道。按照新奥法原理施工, 采用复合式衬砌。
2 围岩地质构造与隧道稳定性分析
2. 1 浅埋地层应力状态分析
受到地质运动的切割作用形成不规则裂隙结构, 局部为镶嵌式碎裂强风化花岗岩, 粘结力极差, 成松散结构, 渗透系数高。在雨水丰富的自然气候条件下, 形成丰富地下水出露的情况, 并且多出穿线管状出水。
此类围岩开挖后, 由于浅埋围岩挤压作用, 会出现块状脱落, 形成散体结构。随着临空面不断扩大, 围岩自稳性降低, 极易造成浅埋地段的冒顶式塌方。已经完成的初期支护, 在地下水的作用下, 初期支护底脚容易软化呈流塑状, 造成初期支护沉降量激增, 并进一步诱发地表沉降甚至沉陷, 所以短时间内无法形成理论上的土拱效应。不均匀沉降的结果就表现为初期支护环向开裂甚至出现竖向错位开裂破坏。
在滑坡体区段内施工时, 由于地表沉降量大造成滑坡体底脚受到扰动, 加剧滑坡体的移动趋势, 从而造成对已经完成的初期支护的推拉作用更加明显, 叠加应力造成钢架三维变形破坏。随着隧道掘进, 滑坡体会逐渐的产生新的滑裂面, 如图1 示; 该隧道滑坡体和围岩压力主要体现在径向压力分解和滑坡体的纵向推拉应力。
3 施工方案
3. 1 施工方案选定
隧道施工应该遵循以下原则: 大断面改小断面分步开挖, 快速封闭, 加强支护, 勤量测, 预留足够的变形量, 加强工序衔接及早完成体系转换。
选定的具体施工方案如下: 隧道进口段掘进施工采用改进的双侧壁导坑施工。依据地勘资料及现场实际开挖情况, 后续穿越200m软弱富水围岩的地段, 采用了加强型双侧壁导坑工艺施工。设计双侧壁导坑支护为: 外侧壁永久性支护与设计变更加强后一致, 但是内侧壁仅仅给出了5cm锚网喷支护, 没有刚性支撑。所以在实施过程中, 又进行了加强, 内外侧壁同样采取刚性支撑, 横向增加两道横向I20 工字钢横撑, 这样既有效控制了沉降, 又避免了因为侧壁导坑的“梭型”断面带来的边墙收敛效应。另外对侧壁导坑施工的内外钢架落脚点进行了重点锁脚 ( 每处增加至4 根锁脚锚管) 。如图2 示。但是由于双侧壁导坑施工工序衔接多, 防水效果较差, 因此在施工时注意衬砌防水工作。
3. 2 施工方案技术应用
( 1) 根据侧壁导坑的施工步距增加两道横向支撑, 确保侧壁导坑的断面稳定。合理安排工序步距, 仰拱距离掌子面控制在17m米以内, 每台阶长度以满足工作面充分发挥机械效率要求为限, 仰拱、衬砌紧紧跟进施工。 ( 2) 预留沉降量根据监控量测的结果进行总结, 沉降的主要原因是围岩软弱, 拱脚和边墙底脚基础承载力不足, 所以要求加强拱脚和底脚的注浆加固, 以提高基础承载力。除此之外, 对预留变形量进行了适量调整, 控制指标30cm; 根据工序转换环节, 在二衬设计加强的基础上, 确保在一个月内完成受力体系的二次转换, 能够满足设计净空及细部结构尺寸的要求。而且初期支护的破坏现象得到有效避免。 ( 3) 开挖前对前方围岩进行预加固, 即采用 Φ42mm超前小导管对前方围岩超前注浆加固。对于围岩未经扰动时呈现挤密性, 提高注浆压力, 由原来的1. 5Mpa提升为3Mpa, 起到了挤压注浆的效果, 使浆液扩散范围加大, 对围岩的整体固结效果明显增强, 有效的减少了掌子面塌方掉层现象, 另外对后期的支护也起到了增强围岩自稳能力的作用, 达到了爱护围岩的目的。原设计2 根锁脚锚杆改为4 根改为 Φ42 注浆小导管斜向450布置, 并严格注浆措施, 以加强地基承载力, 限制沉降速率。 ( 4) 开挖后及时对围岩进行封闭。采取初喷措施, 对开挖后的围岩进行3cm的素混凝土初喷, 增强围岩的自稳能力, 防止脱落掉块。支护时严格控制钢架的接头处理、间距以及安装的垂直度等, 另外防止钢架与外侧初喷混凝土不密贴, 在局部位置加塞混凝土预制垫块或者钢楔, 确保钢架对周边围岩的支撑作用, 钢架采用I20 钢架, 间距0.5m / 榀。对钢筋网的焊接严格控制, 切实发挥钢筋网片和混凝土对钢架之间围岩的整体固结作用。对完成的初期支护设置两道临时刚性横支撑, 抑制“梭型”断面带来的收敛效应, 给工序转换衔接提供更多时间。 ( 5) 加强监控量测工作, 加大监控量测的频率和密度。监控量测的结果及时进行总结, 并形成反馈制度, 以求达到跟踪施工指导施工的目的, 适时调整支护参数, 确保施工安全。
4 滑坡体处置
根据现场的实际情况, 左线仰坡既高又陡, 存在明显偏压。为此, 在洞顶上方滑坡体坡脚处 ( 也是左右线两次大型冒顶塌方位置) 增加竖向管棚和超前管棚加强支护, 沿隧道两侧纵向设置两排 φ108* 6mm钢管, 单根长度30m ( 钢管底部位置深入仰拱底部底1. 5m) , 注浆压力控制在5Mpa ( 初始压力0. 5Mpa, 终压5Mpa) , 间距1. 5m。同时, 间隔设置 φ60* 6mm钢管注浆, 间距2. 0m梅花形布置, 注浆压力控制在2.5Mpa ( 初始压力0. 5Mpa, 终压4Mpa) 。注浆之前在注浆范围内地表施工80cm厚混凝土封层, 一方面保证注浆效果, 另一方面将所有的注浆管道连接成一个整体, 形成板凳状结构。既有效地限制滑坡体底脚滑动, 另一方面也为隧道洞内施工创造了安全的支撑预加固条件。详细措施见图3。
5 结论
九连山隧道洞口段富水全风化花岗岩、洞口偏压以及滑坡体形成的综合地质条件对隧道施工产生的恶劣影响, 造成拱顶沉降量大和极易产生冒顶塌方的特点。通过选定的方案, 双侧壁导坑工艺改进、支护加强以及滑坡体坡脚的有效控制, 得到了良好的效果。希望此次总结, 能为类似地质的隧道施工提供一定的参考。
摘要：九连山隧道进口段穿越浅埋坡残积土、全风化花岗岩地层, 所处区域性小气候明显, 降水丰富, 地层下渗系数非常高。洞口段存在潜在的不稳定滑坡体且施工期间已经出现复活的迹象。该地层由于受到地质构造及岩土特性的影响, 在施工过程中表现为拱顶沉降大以及强有力的推拉应力造成初期支护破坏, 极易出现大型塌方情况。经过对围岩地质构造和该类围岩实际开挖工艺的探讨研究, 以及支护措施加强适应性研究, 总结出一套安全通过此种地质条件的施工技术, 积累了施工经验, 希望能为类似工程施工提供借鉴。
关键词：全风化花岗岩,滑坡体,穿越,施工技术
参考文献
[1]《公路工程标准施工招标文件》 (2009年版) .
[2]《公路隧道施工技术规范》, JTG F60-2009.
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