大寧水庫(kù)水下第三系黏土巖地基承載力分析

趙志江 范子訓(xùn)

摘要：針對(duì)水下第三系黏土巖地基承載力評(píng)價(jià)存在的問(wèn)題，以大寧水庫(kù)地區(qū)新建泵站為案例，采用土、巖分類(lèi)對(duì)比試驗(yàn)方法，分析水下第三系黏土巖的力學(xué)性質(zhì)和物理力學(xué)指標(biāo)，并通過(guò)原位測(cè)試、波速測(cè)試、旁壓試驗(yàn)等多種手段對(duì)黏土巖的地基承載力進(jìn)行了綜合分析，并利用波速一旁壓聯(lián)合測(cè)試法定量分析評(píng)價(jià)黏土巖的地基承載力。結(jié)果表明：第三系黏土巖具有明顯的土巖二象性，其含水率對(duì)土體的力學(xué)性質(zhì)影響較大而對(duì)巖體的力學(xué)性質(zhì)影響相對(duì)較?。?jiǎn)为?dú)采用旁壓試驗(yàn)法計(jì)算黏土巖地基承載力特征值為未經(jīng)過(guò)開(kāi)挖卸荷和擾動(dòng)的巖體承載力，其結(jié)果大于天然巖體的承載力特征值：剪切波速試驗(yàn)和波速一旁壓聯(lián)合測(cè)試求得的承載力較為符合實(shí)際情況，波速一旁壓聯(lián)合測(cè)試法可以作為原位測(cè)試的理論參考，定量評(píng)價(jià)地基承裁力。

關(guān)鍵詞：黏土巖；承載力；土巖二象性；波速一旁壓聯(lián)合測(cè)試；大寧水庫(kù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU471.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.025

大寧水庫(kù)是南水北調(diào)中線進(jìn)京的調(diào)蓄水庫(kù)，為了保證北京市西部地區(qū)供水安全，現(xiàn)擬在大寧水庫(kù)中堤外側(cè)建一泵站，泵站基礎(chǔ)持力層位于第三系黏土巖之上，且同時(shí)位于水面以下。由于第三系黏土巖屬半成巖，且受水的影響較大，因此黏土巖承載力的確定對(duì)地基處理方案的合理選擇和設(shè)計(jì)有較大影響。

由于勘察期間受場(chǎng)區(qū)條件限制無(wú)法進(jìn)行原位載荷試驗(yàn)，相關(guān)規(guī)范也缺少對(duì)黏土巖的專(zhuān)項(xiàng)評(píng)價(jià)，因此第三系黏土巖的地基承載力確定是一個(gè)難題。本文充分考慮該場(chǎng)區(qū)黏土巖半成巖的特性，分別對(duì)其按土體和巖體進(jìn)行試驗(yàn)，以期發(fā)現(xiàn)其中的聯(lián)系。同時(shí)開(kāi)展了多種原位測(cè)試方法，對(duì)黏土巖開(kāi)展剪切波速測(cè)試、壓縮波速測(cè)試和旁壓試驗(yàn)，并結(jié)合目前國(guó)內(nèi)其他地區(qū)對(duì)類(lèi)似巖體已進(jìn)行的研究，利用波速一旁壓聯(lián)合測(cè)試法綜合分析黏土巖的物理力學(xué)性質(zhì)。

1 場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)概況

新建泵站位于大寧水庫(kù)中堤外側(cè)。大寧水庫(kù)庫(kù)區(qū)橫跨小清河及永定河兩水系，庫(kù)區(qū)西側(cè)為小清河故道，東側(cè)為永定河河道：庫(kù)區(qū)左岸為永定河人工填筑西堤，右岸為中堤。泵站場(chǎng)區(qū)由東至西微地貌單元分別為庫(kù)岸—岸坡—庫(kù)底，現(xiàn)狀庫(kù)岸高程一般為54～58m，庫(kù)底高程一般為38～45m。2009年大寧水庫(kù)庫(kù)區(qū)清理前庫(kù)底為亂掘砂石坑，后經(jīng)平整改造后地形有改善?？辈炱陂g水庫(kù)水深為7～15m。

工程區(qū)分布的主要地層巖性：表層為人工堆積層，其下為第四系卵石沉積層和第三系巖層。設(shè)計(jì)泵站基礎(chǔ)持力層為第三系黏土巖，且黏土巖位于庫(kù)水位以下。由于第三系黏土巖屬于軟巖，成巖時(shí)間短，強(qiáng)度低，巖、土性質(zhì)并存，在卸荷條件下或開(kāi)挖暴露后受環(huán)境條件（特別是水環(huán)境）的影響，其工程地質(zhì)性質(zhì)容易發(fā)生變化。因此，黏土巖承載力的確定是該工程最重要的問(wèn)題。

2 黏土巖的土巖二象性

2.1 取樣與試驗(yàn)結(jié)果

場(chǎng)區(qū)第三系沉積的黏土巖膠結(jié)中等一差，含少量云母及中粗砂粒，局部含少量礫石。鉆探取樣較困難、鉆進(jìn)效率較低，需使用旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)。從鉆探取芯和手觸的情況判斷，黏土巖均為半膠結(jié)狀態(tài)。巖芯天然狀態(tài)下處于堅(jiān)硬狀態(tài)，但在暴露狀態(tài)和干濕交替環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生隨外界濕度變化的膨脹和收縮崩解。

黏土巖成巖時(shí)間短、膠結(jié)較差，鉆孔取得的樣品已經(jīng)過(guò)圍壓釋放、機(jī)械振動(dòng)，利用室內(nèi)試驗(yàn)取得的物理力學(xué)指標(biāo)與天然狀態(tài)的有較大差異，部分巖樣具有巖石性質(zhì)，而部分巖樣具有土體性質(zhì)，整體取樣具明顯的土巖二象性。為更加準(zhǔn)確地提供泵站基礎(chǔ)持力層黏土巖的地基承載力，本次對(duì)泵站基礎(chǔ)持力層附近的黏土巖分別依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行了含水率試驗(yàn)、顆粒密度試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)、天然單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。其中取9組樣品進(jìn)行土工試驗(yàn)，取13組樣品進(jìn)行巖體試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

2.2 物理力學(xué)指標(biāo)的對(duì)比與分析

由試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，土工試驗(yàn)和巖體試驗(yàn)所得的天然含水率和天然密度均較接近，且天然密度與壓縮模量、天然單軸抗壓強(qiáng)度有正相關(guān)關(guān)系（見(jiàn)圖1、圖2）。

作為土體另一重要指標(biāo)的含水率卻與壓縮模量成負(fù)相關(guān)關(guān)系，與天然單軸抗壓強(qiáng)度相關(guān)性較差，天然單軸抗壓強(qiáng)度隨含水率的改變變化不大（見(jiàn)圖3和圖4）。

由上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，土體試驗(yàn)得到的黏土巖壓縮模量受天然密度和含水率影響較大：巖體試驗(yàn)得到的黏土巖天然單軸抗壓強(qiáng)度受天然密度影響較大。一般泥質(zhì)巖具有較強(qiáng)的水理性，干、濕循環(huán)作用后礦物顆粒排列方式改變和脹縮過(guò)程中微裂隙萌生、發(fā)展的能量耗散會(huì)導(dǎo)致泥質(zhì)巖的脹縮變形不完全可逆。而本次試驗(yàn)的黏土巖由于成巖時(shí)間較短，因此其巖體天然單軸抗壓強(qiáng)度幾乎不受含水率的影響，主要呈現(xiàn)為普通的巖體性質(zhì)。

綜合分析可知，第三系黏土巖同時(shí)具有土和巖的雙重特性，土工試驗(yàn)結(jié)果和巖石試驗(yàn)結(jié)果均可以反映出該巖體一定的物理力學(xué)性質(zhì)，但又都難以全面準(zhǔn)確地反映出第三系黏土巖天然狀態(tài)下的物理力學(xué)性質(zhì)。含水率對(duì)土體力學(xué)性質(zhì)影響較大而對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)影響較小。

3 波速一旁壓聯(lián)合測(cè)試的應(yīng)用

由于巖基載荷試驗(yàn)受試驗(yàn)條件制約而難以普及，因此工程實(shí)踐中更多地依賴(lài)于巖石抗壓試驗(yàn)。軟巖具有一些特殊物理力學(xué)性質(zhì)，其承載力的確定有別于土和硬巖，且室內(nèi)試驗(yàn)的影響因素較多，與原位試驗(yàn)結(jié)果差距很大，難以客觀評(píng)價(jià)其承載能力。因此，場(chǎng)區(qū)同時(shí)對(duì)黏土巖進(jìn)行了橫波、縱波測(cè)試并開(kāi)展了旁壓試驗(yàn)來(lái)確定黏土巖的承載力。

3.1 波速測(cè)試結(jié)果

巖體的剪切波速綜合反映了巖石的強(qiáng)度和巖體的完整性，與地基承載力相關(guān)性密切，測(cè)試技術(shù)成熟，積累了較多經(jīng)驗(yàn)，可作為巖土分級(jí)和估計(jì)地基承載力的指標(biāo)，見(jiàn)表3。

本次對(duì)持力層的黏土巖開(kāi)展了孔內(nèi)剪切波速和壓縮波速測(cè)試，試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。

3.2 旁壓測(cè)試結(jié)果

預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)是通過(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，利用儀器量測(cè)壓力與變形的關(guān)系，測(cè)求地基土的力學(xué)參數(shù)。本次旁壓試驗(yàn)設(shè)備主要由旁壓器、壓力體積控制器、高壓氣瓶三部分組成，該工程旁壓試驗(yàn)采用法國(guó)路易斯·梅納爾公司研制的GA-NX型預(yù)鉆式三腔旁壓儀。

本次在場(chǎng)區(qū)3個(gè)鉆孔內(nèi)不同層位共進(jìn)行了5個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的旁壓試驗(yàn)。除1個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)因成孔壓力不夠而沒(méi)有獲得完整曲線外，其余試驗(yàn)點(diǎn)均取得了可靠的測(cè)試曲線。對(duì)旁壓試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算（繪制P-V曲線，確定旁壓初始?jí)毫?、旁壓臨塑壓力、旁壓極限壓力、旁壓剪切模量），結(jié)果見(jiàn)表5。

3.3 波速一旁壓聯(lián)合測(cè)試結(jié)果

波速一旁壓聯(lián)合測(cè)試在軟巖中的應(yīng)用已有大量的文獻(xiàn)可以參考，參考其他地區(qū)軟巖的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，得出該工程黏土巖壓縮波、臨塑壓力與巖石抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如下：式中：Pf為臨塑壓力；Vp為壓縮波速；R0為黏土巖的抗壓強(qiáng)度。

可見(jiàn)，該工程黏土巖的壓縮波速v約為1000m/s，計(jì)算得到黏土巖的抗壓強(qiáng)度R0=2313kPa。

4 地基承載力綜合分析

根據(jù)黏土巖的物理力學(xué)試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)。在物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)過(guò)程中，首先剔除了離散性較大的異常數(shù)值，然后計(jì)算出其平均值和變異系數(shù)（見(jiàn)表6）。

4.1 土工試驗(yàn)法

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，將黏土巖按一般第四系黏性土考慮時(shí)，依據(jù)《北京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)勘察設(shè)計(jì)規(guī)范》引，黏土巖地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值fka為240kPa。

4.2 巖體試驗(yàn)法

將黏土巖按巖石基礎(chǔ)考慮時(shí)，依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，巖石地基承載力特征值計(jì)算公式為式中：ψr為折減系數(shù)，對(duì)于較完整浸水黏土巖，其取0.2；ψ為修正統(tǒng)計(jì)系數(shù)；f0為巖石地基承載力特征值；frk為巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度；frm為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值：δ為變異系數(shù)；n為樣本個(gè)數(shù)。

由上述公式計(jì)算可得黏土巖地基承載力特征值fa為47kPa。

4.3 波速試驗(yàn)法

由表4可知，黏土巖的剪切波速約為500m/s，依據(jù)剪切波試驗(yàn)成果，對(duì)應(yīng)黏土巖承載力特征值為400kPa。

4.4 旁壓試驗(yàn)法

依據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》，利用旁壓試驗(yàn)特征值計(jì)算地基土承載力。臨塑荷載法公式為極限荷載法公式為式中：fka為地基承載力特征值；Fs為安全系數(shù)，這里取2。

臨塑荷載法、極限荷載法計(jì)算得到的地基承載力見(jiàn)表7。

按照旁壓試驗(yàn)法計(jì)算黏土巖地基承載力特征值fka約為3685kPa。

4.5 波速一旁壓聯(lián)合測(cè)試法

在含水率相差很小的條件下，巖樣的力學(xué)參數(shù)主要受巖石特性的影響，均勻巖樣的力學(xué)參數(shù)基本一致，相差很小。場(chǎng)區(qū)黏土巖在確保施工期間及建筑物使用后不遭水浸泡時(shí)，可不進(jìn)行飽和處理。故可將由波速一旁壓聯(lián)合測(cè)試法求得的黏土巖的抗壓強(qiáng)度R。視為frk：

計(jì)算可得黏土巖地基承載力特征值fka為463kPa。

4.6 對(duì)比分析

由不同方法求得的地基承載力特征值：將黏土巖按一般黏性土考慮時(shí)，地基承載力特征值為240kPa；按浸水巖體考慮時(shí)，地基承載力特征值為47kPa；按波速試驗(yàn)結(jié)果確定時(shí)，其特征值為400kPa；按旁壓試驗(yàn)結(jié)果確定時(shí)，其特征值為3685kPa；按波速一旁壓聯(lián)合測(cè)試法確定時(shí)，其特征值為463kPa。

去掉最大值和最小值后求得平均值為368kPa。對(duì)于工程設(shè)計(jì)，第三系的黏土巖地基承載力應(yīng)在300～400kPa范圍內(nèi)選取較為合適。工程施工將泵站基礎(chǔ)開(kāi)挖至黏土巖后，對(duì)場(chǎng)區(qū)地基選取了4個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行平板載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明場(chǎng)區(qū)黏土巖天然地基承載力特征值均可達(dá)到400kPa。

黏土巖成巖時(shí)代為第三系，沉降時(shí)間相比第四系更長(zhǎng)，故將黏土巖視為黏性土，利用壓縮模量計(jì)算的承載力偏小。同理，相比其他巖石，黏土巖僅為半成巖，若將其完全按巖體考慮，其承載力理論計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)際承載力。

按照旁壓試驗(yàn)法計(jì)算是以側(cè)壁壓裂的原理來(lái)計(jì)算黏土巖的地基承載力特征值，與巖體實(shí)際破壞原理差異性較大，故其計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際承載力。

剪切波速試驗(yàn)和波速一旁壓聯(lián)合測(cè)試求得的承載力較為接近且比較符合實(shí)際情況。但是波速一旁壓聯(lián)合測(cè)試法計(jì)算過(guò)程中參數(shù)選取較多，人為干預(yù)較大，同時(shí)在實(shí)際操作過(guò)程中人力物力投入較大，相比剪切波速法可操作性較差。

波速一旁壓聯(lián)合測(cè)試法是直接針對(duì)黏土巖進(jìn)行的原位測(cè)試，可以反映巖體強(qiáng)度與聲波的相關(guān)關(guān)系，間接獲取巖體的強(qiáng)度參數(shù)和變形參數(shù)，可以彌補(bǔ)原位測(cè)試的缺失，為其他難以進(jìn)行原位載荷試驗(yàn)的場(chǎng)區(qū)地基承載力提供理論參考。

因此，第三系黏土巖地基承載力的確定，需通過(guò)多種方法綜合分析，針對(duì)設(shè)計(jì)條件和場(chǎng)地條件選取合理的承載力特征值。建議對(duì)地質(zhì)條件復(fù)雜且無(wú)法開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)的黏土巖地基場(chǎng)區(qū)運(yùn)用波速一旁壓聯(lián)合測(cè)試方法確定地基承載力。

5 結(jié)論

（1）第三系黏土巖成巖時(shí)間短，具有明顯的土巖二象性，但其含水率對(duì)土體的力學(xué)性質(zhì)影響較大而對(duì)巖體的力學(xué)性質(zhì)影響相對(duì)較小。

（2）旁壓試驗(yàn)法計(jì)算黏土巖地基承載力特征值為未經(jīng)過(guò)開(kāi)挖卸荷和擾動(dòng)的巖體承載力，其結(jié)果大于天然巖體的承載力特征值。

（3）剪切波速試驗(yàn)和波速一旁壓聯(lián)合測(cè)試求得的承載力較為符合實(shí)際情況。在工程應(yīng)用中剪切波速測(cè)試更易于操作，波速一旁壓聯(lián)合測(cè)試法則可作為原位測(cè)試的理論參考。

（4）建議對(duì)地質(zhì)條件復(fù)雜且無(wú)法開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)的黏土巖地基場(chǎng)區(qū)運(yùn)用波速一旁壓聯(lián)合測(cè)試方法確定地基承載力。

（5）地基承載力是工程勘察所需提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，目前已有較多的評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)。但是隨著工程技術(shù)的發(fā)展，需要針對(duì)更多不同的特殊巖土進(jìn)行精確評(píng)價(jià)，因此在未來(lái)的勘察工作中需采取更多的手段來(lái)評(píng)價(jià)場(chǎng)地的地基承載力。