某精密儀器廠場地工程地質特征及穩定性評價

收稿日期：2023-12-24；修回日期：2024-03-14

作者簡介：張政（1992- ），男，碩士，工程師，主要從事工程地質勘察研究與管理。E-mail： zhangzheng0705@126.com

引用格式：張政，2024.某精密儀器廠場地工程地質特征及穩定性評價［J］.城市地質，19（2）：233-241

摘 要：采用鉆探、地球物理勘探、波速測量等方法，查明場地工程地質特征，評價了場地穩定性、地基均勻性和地震穩定性。采用赤平極射投影法定性分析開挖邊坡最不利的巖土結構面，并利用圓弧滑動法對保留山體邊坡和回填邊坡的穩定性作出評價。結果表明：工程場地穩定性好，開挖邊坡結構面組合交線傾角大于坡面，整體屬于穩定型；保留山體邊坡穩定安全系數符合規范允許值；回填邊坡采用抗滑樁處理后，邊坡穩定安全系數為1.436，滿足規范要求，施工期基底沉降量最大值約250 mm。

關鍵詞：精密儀器場地；地質特征；邊坡；極射赤平投影，圓弧滑動法；穩定性分析

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

精密設備建設項目的工程地質特征和場地穩定性對后期的建設及使用影響重大。近年來，國內專家、學者對相關市政建筑和重點工程的地質特征及穩定性分析做了大量研究，采用多種技術手段和方法分析工程地質特征、評價場地穩定性。傳統的勘察手段主要為測繪、鉆探、地球物理勘探等方法，如：彭衛平等（2005）采用地質測繪、鉆探、地球物理勘探方法，查明了瘦狗嶺斷裂的分布和活動特征，并綜合評價了廣東奧林匹克體育中心場地穩定性；王健（2021）、劉杰（2024）通過跨孔彈性波CT物探方法，研究了巖溶地質特征對地鐵站穩定性的影響；徐泰松等（2023）利用鉆探、聲波波速等方法對深圳某淺埋大跨度地下采空區穩定性進行了詳細評價。定量分析方法主要采用極限平衡法計算安全系數，如：袁廣祥等（2009）、賴波等（2024）以極限平衡理論為基礎，研究了考慮地震工況下邊坡的穩定性，提出邊坡安全系數與地震加速度具有嚴格的指數相關關系；賴書名等（2018）結合seep/w數值分析對廣元寶珠村滑坡成因機制展開研究；王小波等（2019）利用Geo-Slope/W中的極限平衡分析法，分析評價了某山地建筑場地在自然工況和暴雨工況下的穩定性。還有將定性分析與定量分析相結合的研究實例，如：劉一強等（2021）采用極射赤平投影法對黃山某巖質邊坡穩定性進行研究，并利用FLAC 3D數值模擬驗證；周洪福等（2021）采用遙感解譯、剖面測量及穩定性計算等技術方法，分析評價了特大橋成都岸八曲側順層巖質斜坡穩定性。此外還有基于聚類分析等新方法的實踐應用，如趙小平等（2020）通過聚類分析評價了川西建設場地的穩定性，王玉潔等（2023）研究了泰勒數在邊坡穩定性評價中的可用性。

某精密儀器廠房選址區橫跨水庫，地質條件復雜，后期儀器設備的穩定運行對場地穩定性提出了極高要求。因此，查清項目場地的工程地質特征條件和穩定性，對后期建設及使用意義重大。本文采用鉆探、地球物理勘探、波速測量等綜合方法查明了場地工程地質特征，采用赤平極射投影法定性分析1#—6#開挖邊坡最不利的巖土結構面，采用圓弧滑動法對保留山體邊坡和回填邊坡的穩定性作出評價，并通過摩爾-庫倫模型對回填區在施工期的沉降量計算分析，研究成果可為同類工程提供參考借鑒。

1? 工程概況

精密儀器廠場地位于深圳市西北部，原始地貌主要為丘陵、剝蝕殘丘、沖洪積平臺，地形較為復雜，工程范圍內分布有農田、水塘、水庫及山體等。山體最高峰高程107.89 m，最低點高程5.66 m，相對高差102.23 m，原始山體自然坡度10～30°。

建設項目由建筑工程、市政工程（含邊坡、跨庫橋涵）等部分組成。建筑工程包括1棟主體和若干配套建筑物，其中主體實驗站對基礎微變形、微振動極為敏感。山體開挖后，將形成7處高度為35.1～59.8 m的開挖邊坡，其中西部挖方區包括北1#邊坡（59.8 m）、南2#邊坡（48.6 m）以及保留山體邊坡，中部挖方區包括北3#邊坡（35.1 m）、南4#邊坡（39.5 m），東部挖方區包括北5#邊坡（44.2 m）、南6#邊坡（38.3 m）；在水庫沖溝設計建設2座重型橋涵；東西兩側分別為1#場地（西側）和2#場地（東側），其中1#場地回填邊坡高度8.5～14.5 m，2#場地邊坡最大高度7.5 m，工程平面位置關系見圖1。結合地形及洪水位等因素，場地設計標高為25?m。工程邊坡及清基開挖土石方約503萬m3，1#和2#場地及重型橋涵連接段回填土石方約235.81萬m3。工程重要性等級、地基復雜程度等級、場地復雜程度等級、邊坡工程安全等級均為一級。

2? 工程地質條件

2.1? 地層巖性

通過地質調查和鉆探發現，場地地層主要為第四系松散層，下伏基巖為侏羅系下統金雞組及橋源組泥質粉砂巖、砂巖，按風化程度可分為強、強—中、中、微4?個風化帶。地層從上至下依次為：第四系全新統沖積層（Qal）—上更新統坡殘積層（Qdl+el），主要分布在場地東側、南側及西側，巖性主要為沖洪積含有機質黏性土（5-1），層厚2.52 m，層頂高程4.80～18.70 m；沖坡洪積粉質黏土（5-2），層厚1.70～9.10 m，層頂高程7.48～18.53 m；坡殘積層主要分布于山前坡面、坡腳及沖洪積層下臥層，主要為坡殘積粉質黏土（8-3），層厚4.21 m，層頂高程-0.70～73.68 m；侏羅系下統橋源組（J1q），主要分布在場地東部，發育泥質粉砂巖、砂巖（其中泥質粉砂巖主要分布在場地東部及其以北，砂巖主要分布在場地東部、南部）；侏羅系下統金雞組（J1 j），主要分布于場地東部以西地段，發育泥質粉砂巖、砂巖（其中在場地西部鉆孔揭露基本為砂巖，在西部至東部之間存在砂巖與粉砂巖互層）。場地沿線典型地質剖面見圖2。

2.2? 地質構造

本區及周邊主要發育同沙斷裂和樓村斷裂（深圳地質編寫組，2009）。同沙斷裂北段位于場地西南側，距離場地西北端、東南端分別約260 m和850 m，空間分布呈舒緩波狀，延續性好，在場地附近呈北北西向330°，傾向北東，傾角45°。樓村斷裂是區域性樟木頭斷裂西南延伸部分，位于場地東南側，距離場地東南端約2.37 km，延續性好，呈北東向50～70°走向展布，傾向南東，傾角45～65°。

受區域性斷裂構造影響，場地內發育7個次生斷層構造（圖3），分別是位于西側場地的F1、F1-1，主體建筑西段的F2、F2-1，主體建筑中段的F3、F3-1以及主體建筑東段的F4。F1-1、F2-1、F3-1呈北東走向，傾向北西；F1、F4傾向北東，傾角65～75°；F2、F3傾向南西，傾角65～80°。斷層內巖石擠壓破碎，見有斷層泥、斷層角礫、碎裂巖、硅化巖帶等。

2.3? 不良地質作用及地質災害

場地內存在1處微型崩塌，主要為巖體崩解產生的巖體塌落及土體邊坡坡率過大產生的崩塌。崩塌所處邊坡坡長約80 m，邊坡高10.00～16.00 m，坡度50～70°，坡體由紫紅色強—中風化泥質砂巖組成，坡面裸露。崩源位于邊坡頂部，崩塌體順坡長約10.0 m，寬約3.0 m，厚度1.2～2.0 m，崩塌體方量約72 m3，崩塌體主要由碎石土、角礫土組成并堆積在坡面及坡腳（圖4）。除此之外，場地無采空區、泥石流、滑坡等不良地質作用災害。

2.4? 水文地質條件

區內地表水體主要有溝渠、水塘、水庫等，溝渠主要分布于場地西部及東部；水塘在場地西、中、東部谷地地帶分布；水庫分布在場地南部外側，并從場地中西段延伸至場地內。未見泉眼、河流等其他地表水體。

場地地下水穩定水位埋深0.6～42.0 m，水位高程3.5～69.2 m，主要賦存于土層孔隙及基巖裂隙中，為潛水；下部為基巖裂隙水，主要賦存于強、強—中、中、微風化基巖中。區內節理、裂隙發育，地下水滲透性較好，總體不具承壓性。地下水位下降易導致場地內泥質粉砂巖（局部為泥巖）失水干裂、崩解，進而加劇風化作用，改變該巖類相關物理力學性質；地下水位上升易對泥質粉砂巖（局部為泥巖）產生軟化作用，特別在斷層地段，易形成構造軟弱帶。因此，地下水位的波動對天然地基的承載力、邊坡穩定性存在較大影響。

3? 巖土工程分析評價

3.1? 場地穩定性及類別

場地內存在個別水井、墓穴，但無大規模埋藏的河道、溝浜、采空區、防空洞等對工程不利的埋藏物；場地內發育數條次生微斷層構造，局部見有巖石崩解、坍塌等不良地質作用，但未見滑坡、大型崩塌及泥石流等不良地質災害；場地基巖風化不均勻，存在較多的軟硬夾層，但對地基穩定性影響較小，且不存在膨脹巖土、鹽漬巖土、濕陷性土、污染土等特殊性巖土，建筑地基穩定性較好。場地無可液化砂土層，地震穩定性較好。根據《深圳市區域穩定性評價》（1991），從區域地質及地震角度判斷，場地地震活動水平較低，斷裂活動性較弱，未發現全新世以來的深大活動斷裂，精密儀器廠場地穩定性好，適宜建筑。

根據GB 50011－2010《建筑抗震設計規范》，地層等效剪切波值公式如下：

式中，為地層等效剪切波速（m·s-1）；為計算深度（m），取覆蓋層厚度與20 m兩者之間的較小值；t為剪切波在地面至計算深度之間的傳播時間；為計算深度范圍內第i土層的厚度（m）；為計算深度范圍內第i土層的剪切波速（m·s-1）；n為計算深度范圍內土層的分層數。

本次選取CJK063、CJK123-1鉆孔進行跨孔波速測試（圖5），同時統計場地內41個波速測試鉆孔試驗結果，發現土層剪切波波速（或覆蓋層等效剪切波速）分布在187～1?586 m·s-1之間，變化區間較大，場地覆蓋層厚度為1.2～17.0 m，場地類型為Ⅱ—Ⅰ0類建筑場地。依據跨孔波速測試典型成果，按相關規范并結合場地標高25 m判定，山體挖方區域建筑場地類別為Ⅰ1類，特征周期值為0.25 s，填方區域建筑場地類別為Ⅱ類，特征周期值為0.35 s。

3.2? 地基土性狀及均勻性評價

第四系沖洪積含有機質黏性土（5-1）：屬軟弱土，物理力學性質差，強度低，高壓縮性；不宜作為建筑物天然地基持力層，開挖時易出現變形、縮徑、滑塌現象。第四系沖坡洪積粉質黏土（5-2）：屬中軟土，物理力學性質一般，強度中等，中等壓縮性；不宜作為建筑物天然地基持力層，開挖時可能產生變形、滑塌現象。第四系坡殘積粉質黏土（8-3）：強度較高，屬中等壓縮性土；遇水浸泡后易軟化，可作多層常規建筑天然地基持力層。強風化泥質粉砂巖、砂巖（25-1-21、26-1-21、25-2-21、26-2-21）：強度較高，變形較小，是配套設施建筑的良好天然地基持力層，但遇水浸泡后易軟化，強度降低。強—中風化泥質粉砂巖、砂巖（25-1-22、26-1-22、25-2-22、26-2-22）：強度較高—高，變形小，為配套設施建筑良好天然地基持力層，但該層不均勻，以中風化居多，開挖難度較大。中風化泥質粉砂巖、砂巖（25-1-3、26-1-3、25-2-3、26-2-3）：強度高，變形小，為高層建筑物良好沖、挖、鉆孔樁樁端持力層，是配套設施建筑的良好持力層。微風化泥質粉砂巖、砂巖（25-1-4、26-1-4、25-2-4、26-2-4）：強度高，變形極小，為高層建筑物良好沖（鉆）孔、旋挖樁樁端持力層，是主體建筑的良好持力層。場地巖土層厚度變化較大，基巖面起伏較明顯，土層壓縮性差異較大，地基均勻性較差，為不均勻地基。擬建場地經治理后，對建筑抗震為一般地段。

3.3? 邊坡穩定性評價

3.3.1? 開挖邊坡穩定性評價

1#—6#邊坡主要為巖質邊坡，張政等（2023）此前利用圓弧滑動法計算得到，上述邊坡在暴雨工況下穩定性安全系數為1.19～1.265，均能滿足規范要求。本次利用赤平投影方法對其穩定性進行定性分析，發現場地開挖邊坡坡度較緩，雖然有個別邊坡最不利結構面交點接近開挖邊坡投影弧，但均位于邊坡面投影弧對側，說明結構面組合交線的傾角大于坡面，整體屬于穩定結構。下伏基巖及邊坡與巖體結構面組合關系的赤平極射投影見圖6。

1#場地開挖后形成的保留山體邊坡以土質為主，通過選取典型斷面，采用圓弧滑動方法對天然工況、暴雨工況下的邊坡穩定性計算分析，邊坡整體抗滑穩定性分析采用深圳市工程建設標準SJG 85－2020《邊坡工程技術標準》中推薦的簡化畢肖普方法，圓弧形滑面的邊坡穩定性系數可按以下公式計算：

式中：Fs為邊坡穩定性系數；ci為第i計算條塊滑面黏聚力（kPa）；i為第i計算條塊滑面內摩擦角（°）；li為第i計算條塊滑面長度（m）；θi為第i計算條塊滑面傾角（°），滑面傾向與滑動方向相同時取正值，滑面傾向與滑動方向相反時取負值；Ui為第i計算條塊滑面單位寬度總水壓力（kN·m-1）；Gi為第i 計算條塊單位寬度自重（kN·m-1）；Gbi為第i計算條塊單位寬度豎向附加荷載（kN·m-1），方向指向下方時取正值，指向上方時取負值；Qi為第i計算條塊單位寬度水平荷載（kN·m-1）；方向指向坡外時取正值，指向坡內時取負值；hw，i，hw，i-1為第i及第i-1計算條塊滑面前端水頭高度（m）；γw為水重度，取10 kN·m-3；i為計算條塊號，從后方起編；n為條塊數量。

在天然工況、暴雨工況條件下保留山體邊坡穩定性安全系數為2.055和1.185，分別大于規范允許值1.35和1.15，總體均處于穩定狀態（圖7）。

3.3.2? 回填邊坡穩定性評價

由于場地下覆較深厚的強風化巖體，同樣采用圓弧滑動方法進行穩定性計算。根據規范，邊坡整體穩定安全系數允許值，在天然工況條件下為1.35，在暴雨、施工、地震工況條件下為1.15。本工程1#和2#場地內填方邊坡為一級邊坡，最大高差14.5 m，邊坡后側緊鄰精密儀器廠房，且坡腳為市政道路。為此選取典型邊坡剖面，采用有限元軟件對邊坡進行穩定性計算分析，邊坡計算模型及結果見圖8。

研究發現，土工格柵對于填方邊坡滑弧位置起控制性作用，填方邊坡最危險滑移面為沿著土工格柵末端的圓弧。在沒有樁基作用下，邊坡整體穩定對于滲流穩定期安全系數為1.29，無法滿足規范要求。但在坡腳增設1排10 m長抗滑樁后，受土工格柵影響，最危險滑動面下移，滑弧經過抗滑樁中部，邊坡穩定安全系數為1.436，能夠滿足規范要求。

鑒于摩爾-庫侖（Mohr-Coulomb）屈服條件是庫侖摩擦定律在一般應力狀態下的推廣，因此該條件保證了1個材料單元內的任意平面都將遵守庫侖摩擦定律。摩爾-庫侖屈服條件由6個屈服函數組成，其中2個塑性模型參數分別為黏聚力c和內摩擦角φ。本次選取的巖土體力學參數見表1。

通過摩爾-庫侖模型對回填區進行巖土力學行為分析，分析結果：場地回填后，在填方荷載作用下，基底將產生一定沉降變形，呈現中間大、兩邊小趨勢，場地在施工期沉降量最大值約為250 mm，回填區域沉降變形規律見圖9。

4? 結論

1）鉆探、地球物理勘探、波速測量結果表明，精密儀器廠場地穩定性好，地基穩定性較好，適宜建筑。場地巖土層埋深及厚度變化較大，基巖面起伏較大，土層壓縮性差異較明顯，屬于不均勻地基。場地內斷裂活動性較弱，無可液化砂土層，地震穩定性較好。

2）基于鉆孔波速測試，得出場地覆蓋層厚度為1.2～17.0 m，土層剪切波速度變化范圍187～1?586 m·s-1。場地類型為Ⅱ—Ⅰ0類建筑場地；山體挖方區域建筑場地類別為Ⅰ1類，特征周期值為0.25 s；填方區域建筑場地類別為Ⅱ類，特征周期值為0.35 s。

3）根據赤平投影分析，開挖邊坡坡度較緩，雖然有個別邊坡最不利結構面交點接近開挖邊坡投影弧，但均位于邊坡面投影弧對側，說明結構面組合交線的傾角大于坡面，整體屬于穩定型。

4）采用圓弧滑動法分析，1#場地開挖后形成的保留山體邊坡在天然工況、暴雨工況條件下邊坡穩定性安全系數分別為2.055和1.185，符合規范允許值，總體均處于穩定狀態。

5）根據圓弧滑動方法和有限元分析，在回填邊坡坡腳增設1排10 m長抗滑樁后，受土工格柵影響，最危險滑動面下移，滑弧經過抗滑樁中部，邊坡穩定安全系數由1.29提高至1.436，滿足規范要求。通過摩爾-庫倫模型計算得出，場地回填后，在填方荷載作用下，基底沉降變形呈現中間大、兩邊小的趨勢，施工期沉降量最大值約250 mm。

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