某電廠含鈣質(zhì)結(jié)核粘土的工程特性研究

黃興懷，吳志海

(安徽省電力設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230022)

在安徽省的淮北地區(qū)，上部第四系松散覆蓋土層中，普遍含有鈣質(zhì)結(jié)核，常見于粉土、粉質(zhì)粘土及粘土中，鈣質(zhì)結(jié)核的大小、含量不一，由于其分布沒有一定的規(guī)律，且含量不大，在工程勘察中常被忽視，未進(jìn)行過系統(tǒng)深入的研究。而實(shí)際上，由于鈣質(zhì)結(jié)核的存在，采用常規(guī)的勘察方法，按常規(guī)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或公式去探求其工程地質(zhì)及水文地質(zhì)特性往往帶來很大的誤差，甚至可能帶來工程安全隱患。我院在該地區(qū)某電廠中對含鈣質(zhì)結(jié)核粘土做了大量勘察工作，采用了室內(nèi)試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)、靜載荷試驗(yàn)、動(dòng)力觸探試驗(yàn)、抽水試驗(yàn)等多種勘察手段，通過對這些勘察成果的對比、總結(jié)和分析，得到了一些認(rèn)識和體會，希望能對含鈣質(zhì)結(jié)核土的工程勘察能有一定的借鑒參考作用。

1 廠址處巖土工程條件概述

1.1 地形地貌

廠址區(qū)地貌為淮北平原，微地貌為泛濫微高地，廠址區(qū)地勢呈西高東低，地形略有起伏，場地標(biāo)高在28.1m～34.6m之間(1956年黃海高程系，下同)，最大高差在6m左右。

1.2 地層結(jié)構(gòu)

根據(jù)鉆探結(jié)果，擬選廠址下伏基巖為寒武系灰?guī)r、泥灰?guī)r及砂質(zhì)頁巖等，上部地層為第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)沖積層，現(xiàn)從上至下描述如下：

①層粘土(Q4al)，灰黃色，灰褐色，等級中，濕，可塑偏軟狀態(tài)，混鈣質(zhì)結(jié)核，無搖震反應(yīng)，韌性高，有光澤，干強(qiáng)度高，該層在廠址區(qū)均有分布，層厚1.2m～4.0m，層底標(biāo)高為25.23m ～28.05m。

②層粘土(Q4al)，棕黃色，灰褐色，等級中，濕，可塑狀態(tài)，局部為可塑偏硬狀態(tài)，含鐵錳結(jié)核，混鈣質(zhì)結(jié)核，無搖震反應(yīng)，韌性高，有光澤，干強(qiáng)度高，該層在廠址區(qū)均有分布。層厚在5m左右。

②-1層粘土(Q4al)，灰褐色，等級中，濕，可塑偏軟狀態(tài)，無搖震反應(yīng)，韌性高，有光澤，干強(qiáng)度高，該層呈透鏡體狀分布在②層粘土中，在部分地段有分布，層厚0.6m～2.2m。

③層粘土(Q3al)，棕黃色，棕褐色，棕紅色，等級中—重，濕，硬塑狀態(tài)，含鐵錳結(jié)核，混鈣質(zhì)結(jié)核，無搖震反應(yīng)，韌性高，有光澤，干強(qiáng)度高，該層在廠址區(qū)均有分布，厚度一般大于20m。層頂標(biāo)高在22.76m～24.60m之間。

③-1層粘土(Q3al)，棕黃色，棕褐色，棕紅色，等級中—重，濕，可塑偏硬狀態(tài)，局部為可塑狀態(tài)，含鐵錳結(jié)核，混鈣質(zhì)結(jié)核，無搖震反應(yīng)，韌性高，有光澤，干強(qiáng)度高，該層分布缺少規(guī)律，呈單層或多層透鏡體狀?yuàn)A在③層粘土中，層厚在0.4m～4.0m之間。

④層灰?guī)r、砂質(zhì)頁巖及泥灰?guī)r(ε)，灰?guī)r(泥灰?guī)r)：灰色，強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化，有弱溶蝕現(xiàn)象，可見被風(fēng)化物充填的小溶洞；砂質(zhì)頁巖：紫紅色，全風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化。此層未穿透。該層層頂埋深在28.9m～33.60m之間，層頂標(biāo)高在-0.18 m～-5.49m之間。

2 鈣質(zhì)結(jié)核分布特征

該電廠場地的鈣質(zhì)結(jié)核粒徑多在10mm～30mm之間，形態(tài)各異，磨圓度一般較好。在上部第四系松散覆蓋層的各層中均有分布，只是含量不一，①層及②層粘土中含量很少；③層粘土中含量較多，但分布不均，局部深度富集，厚度在0.50～1.50m；特別在③層粘土的頂部，與②層粘土的交界處，一般鈣質(zhì)結(jié)核富集，這也是分層標(biāo)志之一。

3 含鈣質(zhì)結(jié)核粘土的工程地質(zhì)特性分析

③層粘土是電廠主廠房等主要建、構(gòu)筑物的持力層，為此針對該層含鈣質(zhì)結(jié)核粘土做了大量勘察工作，采用了包括室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場靜力觸探試驗(yàn)、靜載荷試驗(yàn)、重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)等多種勘測手段進(jìn)行工程地質(zhì)特性分析評價(jià)。

3.1 靜載荷試驗(yàn)成果分析

在③層粘土上布置了3個(gè)載荷試驗(yàn)點(diǎn)，e-p曲線見圖1。

圖1 載荷試驗(yàn)P-S曲線圖

圖2 典型比貫入阻力試驗(yàn)曲線

從圖1可見，3個(gè)平板載荷試驗(yàn)的P-S曲線的形狀與普通硬塑狀態(tài)的粘性土類似，可見，含鈣質(zhì)結(jié)核對土的破壞性狀的影響很小；同時(shí)，試驗(yàn)曲線上均未見明顯的拐點(diǎn)，但陡降段明顯，取破壞前的一級荷載作為極限承載力，均為660kPa，即地基承載力特征值取為330kPa。

3.2 靜力觸探試驗(yàn)成果分析

本場地典型比貫入阻力試驗(yàn)曲線見圖2。從比貫入試驗(yàn)曲線可見，線型具有明顯的峰值，說明此處探頭接觸到鈣質(zhì)結(jié)核；局部深度處數(shù)值整體很大，同時(shí)曲線呈鋸齒狀，與粘土的曲線形態(tài)迥異，反映了該段鈣質(zhì)結(jié)核富集。從整個(gè)場地靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)看，③層粘土的比貫入阻力數(shù)據(jù)一般在3.65MPa ～13.35 MPa之間，厚度加權(quán)平均值為5.55MPa；如果去掉每個(gè)勘探孔中明顯鈣質(zhì)結(jié)核富集處的數(shù)據(jù)，厚度加權(quán)平均值為4.25MPa。根據(jù)靜探經(jīng)驗(yàn)公式f0=0.104Ps+26.9，可計(jì)算出兩種厚度加權(quán)法的地基承載力基本值f0分別約為604kPa及467 kPa。

3.3 室內(nèi)試驗(yàn)成果分析

表1為主廠房地段初設(shè)階段土工試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)，從試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)看，無論是物理指標(biāo)還是力學(xué)指標(biāo)，數(shù)據(jù)離差均較大，表現(xiàn)為極差大，變異系數(shù)大；這主要是開土過程中要去掉土中鈣質(zhì)結(jié)核，試驗(yàn)數(shù)據(jù)受人為影響較大緣故。

3.4 動(dòng)力觸探試驗(yàn)成果分析

在初設(shè)階段主廠房地段完成標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)135次，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為9～35擊(未經(jīng)桿長修正)，平均為20擊；經(jīng)桿長修正后，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為8～26擊，平均為16.5擊，標(biāo)準(zhǔn)值為16擊。同時(shí)在初設(shè)階段主廠房地段還完成了重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)30段次，主要集中在③層粘土的頂部，即鈣質(zhì)結(jié)核分布相對密集段，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，動(dòng)力觸探擊數(shù)一般為5～7擊，經(jīng)桿長修正平均為6擊。

分析動(dòng)力觸探試驗(yàn)成果數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)均偏大，同時(shí)離差也較大，用該數(shù)據(jù)去查承載力經(jīng)驗(yàn)表格，數(shù)值將很大。而重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對平穩(wěn)，可以與靜載荷試驗(yàn)相比照，建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。

4 含鈣質(zhì)結(jié)核土的水文地質(zhì)特性分析

4.1 水文地質(zhì)條件

4.1.1 地下水類型及埋深

廠址區(qū)的淺層地下水類型為孔隙性潛水，勘測期間地下水位埋深在0.6m～1.0m之間，該水位隨季節(jié)變化較大，由大氣降水及地表水滲入的。

4.1.2 地下水的化學(xué)成分

根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果，淺層地下水的化學(xué)成分見表2。

表1 主廠房地段③層粘土土工試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)

表2 淺層地下水化學(xué)成分

從試驗(yàn)分析成果看，淺層地下水水化學(xué)類型為HCO3-Ca型，地下水的化學(xué)成分隨季節(jié)變化不大。

4.2 含鈣質(zhì)結(jié)核土的滲透性能分析

由于廠址位于山間沖積平原，排水不暢，水量極為豐富，而場地內(nèi)主廠房地段開挖深度在6m左右，循環(huán)水泵房開挖深度在12m，一號轉(zhuǎn)運(yùn)站開挖深度約為18m，因此，施工降水成為制約基礎(chǔ)施工的重要因素之一，準(zhǔn)確掌握提供場地土層的滲透參數(shù)，才能滿足施工安全、經(jīng)濟(jì)的需要。

為此，我們首先選取了20個(gè)土樣，進(jìn)行了滲透系數(shù)試驗(yàn)， ③層粘土平均滲透系數(shù)為6.30×10-7cm/s，同時(shí)考慮到室內(nèi)試驗(yàn)難以模擬現(xiàn)場的水文地質(zhì)邊界條件，我們專門進(jìn)行了現(xiàn)場抽水試驗(yàn)。在主廠房地段布置3個(gè)單孔抽水試驗(yàn)。每個(gè)抽水試驗(yàn)進(jìn)行3次降深，各次降深的穩(wěn)定時(shí)間均不小于4h～8h。試驗(yàn)結(jié)果表明，本工程場地地下水影響半徑為68.4m，滲透系數(shù)為6.3×10-3cm/s。

分析室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場抽水試驗(yàn)的結(jié)果看。兩者差距懸殊，主要因?yàn)樵谑覂?nèi)試驗(yàn)制樣過程中，剔除了鈣質(zhì)結(jié)核，或選取的是鈣質(zhì)結(jié)核含量少的土樣，基本反映的是粘土本身的滲透性能；而從現(xiàn)場的勘探看，①、②層粘土相對松散，③層粘土的豎向裂隙較發(fā)育，更為主要的是，間或分布的鈣質(zhì)結(jié)核富集層，相當(dāng)于富含水層，同時(shí)也大大提高了土層的透水能力。

5 結(jié)語

⑴ 含鈣質(zhì)結(jié)核土，由于其中含有鈣質(zhì)結(jié)核，其工程地質(zhì)及水文地質(zhì)特性都有一定的特殊性，應(yīng)給予重視。

⑵ 對于含鈣質(zhì)結(jié)核土，由于鈣質(zhì)結(jié)核的存在，無論是室內(nèi)試驗(yàn)還是現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)等，數(shù)據(jù)均具有離散性較大、可靠性低的特點(diǎn)。

⑶ 靜力觸探試驗(yàn)具有靈敏度高的特點(diǎn)，能較清楚地反映鈣質(zhì)結(jié)核的分布，但數(shù)據(jù)利用時(shí)應(yīng)剔除因鈣質(zhì)結(jié)核引起的畸高數(shù)據(jù)。靜載荷試驗(yàn)是查清巖土工程特性可靠的手段，而重型動(dòng)力觸探從應(yīng)用結(jié)果看，具有數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，但用該手段需要與靜載荷試驗(yàn)的結(jié)果相對照，同時(shí)還需要經(jīng)驗(yàn)的積累。

⑷ 含鈣質(zhì)結(jié)核土所處場地的地下水一般PH值較高，具弱堿性，其滲透性能比常規(guī)粘性土大得多，在地下水豐富地段，考慮到深基坑開挖和支護(hù)的需要，必要時(shí)應(yīng)采用抽水試驗(yàn)等現(xiàn)場試驗(yàn)手段，以提供土層的水文地質(zhì)參數(shù)。

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