柳州市红粘土基坑工程失稳机理的探讨与反思

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　　摘要：本文根据笔者多年的设计与施工经验，分析柳州市红粘土的工程地质特征，并总结和探讨该岩土条件下基坑工程的失稳机理。
　　关键词 基坑工程红粘土
　　中图分类号：TV551 献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）01-0020-02
　　
　　Discussed The Foundation Pit Engineering Instability Mechanism In Liuzhou Red Clay
　　Wei Da Shi
　　Abstract：Based on many years of design and construction experience, analysis the engineering geological characteristics of red clay in liuzhou, and to summarize and discuss the instability mechanism of foundation pit engineering under the liuzhou red clay geotechnical conditions.
　　Key Words：Foundation pit engineering, red clay.
　　
　　一、前言
　　近几年来，随着柳州市城市建设的日益进程化，使得城市的可用土地资源越来越少，为扩大建筑面积，提高土地的利用价值，建筑物不断往深、高处发展，而城市建筑间距越来越小，不少高层建筑的基坑几乎接近垂直开挖，这给基础开挖后的基坑支护工作带来很大的难度，给周围环境带来极大威胁，也相应地增加了施工工期和费用。对于柳州范围内的深基坑工程，因红粘土特殊的水理特性，若深基坑支护结构的设计理论、设计原则、施工工艺等选择不当，都会到来不良的后果，甚至很严重的安全事故。因此，笔者就这一类型基坑支护失稳进行分析，以供同行一道探讨，减少类似事故的发生。
　　二、红粘土的工程地质特征
　　柳州属于炎热潮湿的亚热带气候，其化学风化作用强烈。由碳酸岩经风化与红土化作用而形成的红土风化壳发育良好，广泛分布于柳江河两侧二~四级阶地上，风化壳厚度一般在5～25m之间，并具有明显的垂直分带性。柳州红黏土的网状裂隙很发育，包括竖向裂隙和水平裂隙，其中以前者为主。研究表明，该类红黏土具有较明显的胀缩性，在含水率减小时，土体失水收缩，而当含水率增加（浸水）时则产生膨胀效应，反复交替的作用过程使其形成众多的裂隙。红黏土的这种特性使它的性质呈现某种不稳定性，一般认为，红黏土的团粒结构是在成土过程中形成的，团粒结构中的孔隙由游离氧化铁与水作用形成的溶胶胶体充填，水分子与铁分子之间为联结力强的化学键，有较强的变形稳定性，表现为土体有较小的压缩性，也有较小的膨胀量。
　　杨荫华等[1]、程昌炳[2]、谭罗荣等[3]曾先后对贵州、广西等地的红黏土进行过研究，探讨了红黏土中的矿物成分、脱水不可逆性、土颗粒之间的胶结作用和胶结性状以及红黏土的微观结构模型等相关问题。孔令伟等[4]认为：游离氧化物胶结作用随外部环境的物理化学作用而变化。游离氧化铁对黏粒的包膜作用不仅影响了红土中的比表面积，更重要的是改变了黏粒的电荷性质，从而导致黏粒阳离子交换性质的变化。赵颖文等[5]通过对广西贵港红黏土重型击实样的室内试验研究，探讨了其力学特性、胀缩性能、孔径分布特征与含水率之间的关系。为反映红黏土浸水效应对其强度的影响。聂庆科、王英辉等[6]对室内加固样（击实样）在饱和前、饱和后的固结特性进行试验，模拟红黏土经过强夯加固后，在吸水或失水条件下的变化特征。同时，对加固样在饱和前、饱和后进行了剪切试验，研究其抗剪强度特征的变化。实验结果表明：含水率的变化对红黏土强度的影响是非常明显的—固结饱和后快剪试验强度明显要比固结未浸水试验强度要小，而且其应力-应变关系曲线没有明显的应力峰值出现。关键超[7]认为红粘土具弱～中等的胀缩性能，但主要是表现为失水收缩变形的特征。此外，固结快剪试验的黏聚力比不固结快剪的黏聚力要大。这是因为剪切之前的固结作用使得土体的密实度提高，进而提高了其黏滞性所引起的。
　　1、红黏土的主要物性指标
　　（1）粒度成分。红黏土的粒度成分以小于 0.005mm 的黏粒为主，平均含量达 60%～80%，其余为少量粉粒和砂粒，约占11%～15% 和9%～13%。红黏土中小于 0.002mm 的胶粒占到 40%～70%，是胶粒含量最高的黏土，天然状态下具有高分散性。次生红黏土由于搬运过程中外来物质的掺入，通常粉粒和砂粒的含量相对增加， 黏粒含量相对减少， 塑性降低。
　　（2）矿物成分与化学成分。红黏土以黏土矿物占绝对优势，主要为高岭石、伊利石和绿泥石，部分含少量蒙脱石。非黏土矿物成分主要为石英和长石。高岭石是湿热气候条件下，在碱土金属含量很低的酸性介质环境中生成，与红黏土的形成条件一致。高岭石具有稳定的结晶格架，极性水分子和交换阳离子均不能进入晶层，故不具膨胀性。红黏土的化学成分主要为SiO2、Al2O3和Fe2O3，硅铝分子比约为2.43。红黏土的交换性阳离子以二价镁、钙离子为主，一价钾、 钠离子的含量很少。 由于镁、 钙离子的交换性能相对较弱，红黏土的亲水性和膨胀性较弱。
　　（3）水理性质。红黏土的性状特征主要反映在高含水量、高塑性和高孔隙比，土性指标的变化幅度较大。一般情况下，红黏土的天然含水量30%～60%，天然容重 16.5～18.5kN/m 3，孔隙比1.1～1.7，液限50%～110%，塑限25%～55%，塑性指数25～50。红黏土的天然饱和度大多在90%以上，使红黏土成为二相体系。红黏土为致密结构，渗透系数在10-8cm/s 量级，渗透性较弱。 红黏土中的地下水多为裂隙性潜水和上层滞水，主要由降水补给。因此当基坑开挖后，若不采取有效的截、排水措施，基坑四周的地表水将沿着红粘土中的裂隙下渗，抬高基坑外地下水位，增加基坑外水压力，并改变红粘土工程特性，诱发基坑失稳。
　　（4）红黏土的力学性质。红黏土具有高孔隙性，但单个孔隙的体积很小，固态矿物为较稳定的结晶格架，颗粒间的氧化铁胶结物具有较强的黏结力，细分散颗粒呈稳定的团粒结构。因此，一般状态下的红黏土具有较好的力学性能，压缩性不大，抗剪强度较高，但结构效应明显，残余强度较低。根据南昆线红黏土试验资料统计，快剪试验黏聚力30～160 kPa，内摩擦角10°～30°， 无侧限抗压强度200～400 kPa，压缩模量6～16MPa，变形模量10～30 MPa，压缩系数0.1～0.3MPa-1，呈中等压缩性。由于红黏土裂隙发育，使土体与块体强度和整体稳定性不一致，基坑稳定性分析不应直接采用块体的抗剪强度参数，而应根据裂隙发育状况做相应折减。
　　（5）红黏土的胀缩性与裂隙性。红黏土的组成矿物亲水性不强，次生黏土矿物的组分、交换阳离子的性质及交换总容量决定了红黏土在天然状态下的膨胀量很小。红黏土具有高分散性、高含水量、高孔隙度及高饱和度特点，其胀缩性能主要表现为收缩为主，其大小主要取决于初始含水量。收缩后的红黏土再浸水可能出现微小的膨胀性， 自由膨胀率小于40%，一般情况下可不考虑其膨胀性。红黏土的体缩率一般在7%～20%，线缩率在2.5%～5.0%，其收缩所造成的影响不可忽视。坚硬和硬塑状态的红黏土层由于失水收缩形成大量裂隙，在干旱气候条件下，基坑开挖后如果支护不及时，土中天然含水量可明显降低，土体的收缩现象即可发生，裂隙的发生和发展迅速，新开挖坡面数日内便可被收缩裂隙切割得支离破碎。红黏土与次生红黏土的裂隙发育程度不一致，分布在台地及丘陵斜坡上部的红黏土普遍发育裂隙，土体呈碎块状结构，而次生红黏土的裂隙发育微弱。

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