河口村水庫(kù)大壩基礎(chǔ)處理旁壓試驗(yàn)

□李 博 □王 影（河南省水利第一工程局）

1.工程概況

河口村水庫(kù)工程位于沁河干流最后峽谷段出口五龍口以上約9km處，屬河南省濟(jì)源市克井鄉(xiāng)，控制流域面積922.3km2，占沁河流域面積13532km2的68.2%，沁河多年平均徑流量11.49億m3，汛期占62%。水庫(kù)總庫(kù)容3.30億m3，主要以防洪、供水為主，兼顧灌溉發(fā)電、改善河道基流等綜合利用的大（2）型水利樞紐。主要建筑物有混凝土面板堆石壩，最大壩高122.5m，壩頂長(zhǎng)度530m，溢洪道、泄洪洞、引水發(fā)電系統(tǒng)等組成，工程等級(jí)為II級(jí)。水庫(kù)建成后，可減輕黃河防洪壓力，同時(shí)將使南水北調(diào)總干渠穿沁工程達(dá)到100年一遇設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)，也可使沁河防洪標(biāo)準(zhǔn)由目前不足25年一遇提高到100年一遇。因此，地理位置非常重要。

2.旁壓試驗(yàn)

2.1 原理及目的

預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)通過(guò)旁壓器在預(yù)先打好的鉆孔中對(duì)孔壁施加橫向壓力，使土體產(chǎn)生徑向變形，利用儀器測(cè)量壓力與變形的關(guān)系，測(cè)求地基土的力學(xué)參數(shù)（地基承載力、彈性模量等）。預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)適用于孔壁能保持穩(wěn)定的粘性土、粉土、砂土、碎石土、殘積土、風(fēng)化巖和軟巖。

2.2 試驗(yàn)點(diǎn)的布置

試驗(yàn)點(diǎn)布置在有代表性的位置和深度，旁壓器的測(cè)孔應(yīng)在同一土層內(nèi)，滿足兩試驗(yàn)點(diǎn)的豎向距離≥3.0m或不小于旁壓器膨脹段長(zhǎng)度的2倍距離，試驗(yàn)孔與已有鉆孔的水平距離≥3.0m。場(chǎng)地同一試驗(yàn)土層內(nèi)的試驗(yàn)點(diǎn)總個(gè)數(shù)應(yīng)滿足統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的要求（一般不宜少于6個(gè)點(diǎn)）。本次采用旋四式鉆孔測(cè)位。

2.3 試驗(yàn)步驟

一是試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作，儀器的標(biāo)定，主要任務(wù)有兩項(xiàng)：第一項(xiàng)是彈性膜約束力標(biāo)定，由于彈性模具有一定的厚度，因而在試驗(yàn)對(duì)施加的壓力并未完全傳遞給巖土體，因而膜本身產(chǎn)生的側(cè)限作用使壓力受到損失，這種壓力損失值稱(chēng)為彈性膜的約束力，一般規(guī)定在每個(gè)工程試驗(yàn)前及新裝或更新彈性膜放置時(shí)間較長(zhǎng)，膨脹次數(shù)超過(guò)一定值時(shí)，或溫差超過(guò)4℃時(shí)，必須進(jìn)行彈性膜約束力的標(biāo)定；第二項(xiàng)是儀器綜合變形標(biāo)定，由于旁壓機(jī)的調(diào)整閥、量管在加壓過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生變形，造成水位下降或體積損失，這種水位下降值或體積損失稱(chēng)為儀器綜合變形，故要進(jìn)行變形標(biāo)定。二是鉆機(jī)成孔。三是充水。將旁壓器置于地面上，打開(kāi)水箱閥門(mén)，使水流入旁壓器的腔中，并分別回返到量管中，待水位升高到一定高度時(shí)，提起旁壓器使中腔的中點(diǎn)與量管的水位相齊平，然后關(guān)閉閥門(mén),此時(shí)記錄的量管水位值即是試驗(yàn)的初讀數(shù)。四是放置旁壓器。將旁壓器放入鉆孔中預(yù)定試驗(yàn)位置，將量管閥門(mén)打開(kāi)，此時(shí)旁壓器內(nèi)產(chǎn)生靜力壓力，并記錄管中的水位下降值。五是加壓。加壓時(shí)首先打開(kāi)高壓氮?dú)馄块_(kāi)關(guān),同時(shí)觀測(cè)壓力表，控制氮?dú)馄?，輸出壓力不超過(guò)額定標(biāo)準(zhǔn)，然后操縱減壓閥旋柄按要求逐級(jí)加壓，從壓力表讀取壓力值，并記錄一定壓力時(shí)注水量管中水位變化高度，加壓的等級(jí)包括加壓級(jí)數(shù)和加壓增量，取決于試驗(yàn)?zāi)康?、土層特點(diǎn)資料整理及成果判釋方法和旁壓儀精度。根據(jù)繪制的旁壓曲線的要求，加壓等級(jí)可采用預(yù)計(jì)臨塑壓力的1/7～1/5。初始階段加荷等級(jí)取小值，必要時(shí)可作為卸荷再加荷試驗(yàn)，測(cè)定面加荷旁壓模量。六是每級(jí)壓力的穩(wěn)定時(shí)間。每級(jí)壓力下的相對(duì)穩(wěn)定時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)采用1min或3min，對(duì)一般粘性土、粉土、砂土等宜采用1min，對(duì)飽和軟粘土宜采用3min。當(dāng)采用1min的相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，在每級(jí)壓力下，測(cè)讀15s，30s，60s的量管水位下降值，并在60s讀數(shù)完后即施加下一級(jí)壓力，直到試驗(yàn)終止。七是試驗(yàn)終止條件。應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮团詨簝x的極限試驗(yàn)?zāi)芰?lái)確定,試驗(yàn)壓力過(guò)臨塑壓力后即可進(jìn)行結(jié)束試驗(yàn)。當(dāng)以測(cè)定土體變形參數(shù)為目的時(shí)，則當(dāng)量測(cè)腔的擴(kuò)張?bào)w積相當(dāng)于量測(cè)腔固有體積時(shí)，或壓力達(dá)到儀器的容許最大壓力時(shí)，應(yīng)終止試驗(yàn)，結(jié)束后排除旁壓器內(nèi)的水使彈性膜恢復(fù)原狀2-3 min后取出旁壓器，移到下一試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。八是繪制旁壓曲線：根據(jù)校正后的壓力和水位下降值繪制P～S曲線。

3.地基土承載力確定

根據(jù)旁壓試驗(yàn)特征值計(jì)算地基土的承載力：

臨塑荷載法：fak=pf-p0

式中：fak—地基土承載力特征值（kPa）；Fs—安全系數(shù)，一般取2～3。

對(duì)于臨塑壓力后急劇變陡的土宜采用極限荷載法。

旁壓模量的計(jì)算：

式中：EM—旁壓模量 （MPa）；ν—泊松比；△P—旁壓試驗(yàn)曲線上直線段的壓力增量（MPa）；△V—對(duì)應(yīng)于△P體積增量（cm3）；νc—旁壓器中腔固有體積（cm3）；νm—平均體積（cm3），νm=(ν0+ν1)/2；ν0—對(duì)應(yīng)于 P0值的體積（cm3）；νf—對(duì)應(yīng)于 Pf值的體積（cm3）。

本次試驗(yàn)為6個(gè)鉆孔，其旁壓剪切模量與地基基本承載力如表1～6。

表1 1﹟孔的標(biāo)測(cè)結(jié)果表

表2 2﹟孔的標(biāo)測(cè)結(jié)果表

表3 3﹟孔的標(biāo)測(cè)結(jié)果表

表4 4﹟孔的標(biāo)測(cè)結(jié)果表

表5 5﹟孔的標(biāo)測(cè)結(jié)果表

表6 6﹟孔的標(biāo)測(cè)結(jié)果表

4.試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)打深孔做旁壓剪切模量試驗(yàn)，推測(cè)壩基深層變形模量所偶布置的6個(gè)測(cè)區(qū)，根據(jù)天然地基和復(fù)合地基旁壓試驗(yàn)推測(cè)結(jié)果，粘土層平均旁壓模量提高了16.7%～127.88%，平均地基承載力提高了22.26%～94.87%，平均變形模量提高了27.14%～84.89%，砂卵石層平均旁壓模量提高了13.83%～68.06%，平均地基承載力提高了38.27%～94.53%，變形模量提高了45.04%～122.67%。