紅黏土工程特性與輸變電工程中應(yīng)對(duì)處理措施分析

李俊宇，楊 煜

（中國(guó)電建集團(tuán)四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610041）

0 引言

紅黏土為碳酸鹽巖經(jīng)紅土化作用形成的一種區(qū)域性特殊黏土，根據(jù)成因可分為原生、次生兩大類[1]，其特殊性表現(xiàn)在高液塑限、高分散性、高含水率與高孔隙比、高飽和度、低密度和低壓縮性、垂直方向“上硬下軟”的性質(zhì)，并具有明顯的收縮性，以及較低的滲透性。其礦物組成分為黏土礦物、游離氧化物和碎屑物質(zhì)以及少量不定型物質(zhì)。黏土礦物具有穩(wěn)定的結(jié)晶格架、細(xì)粒組結(jié)成穩(wěn)固的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，這也是構(gòu)成紅黏土良好力學(xué)牲能的基本因素。本文采取紅黏土原狀土進(jìn)行了基本參數(shù)測(cè)定以及必要的土工試驗(yàn)，所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）。

1 紅黏土基本參數(shù)測(cè)定

對(duì)多組原狀土樣測(cè)定基本參數(shù)，取平均值，如表1所示。

表1 紅黏土原狀土樣基本物理參數(shù)

以上參數(shù)印證了紅黏土高液塑性、高含水率與高孔隙比、高飽和度的特性，孔隙滲透系數(shù)k（cm/s）數(shù)量級(jí)在10-8，已屬于不透水層范疇，而裂隙滲透系數(shù)k′（cm/s）數(shù)量級(jí)在10-5～10-3，為前者的103～105倍，差異巨大，說(shuō)明紅黏土的滲透性受裂隙控制顯著。

2 土工試驗(yàn)參數(shù)測(cè)定

2.1 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

采用快剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合抗剪強(qiáng)度公式的一般表達(dá)式τ=σ tanφ+c。土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)較高，黏聚力c 約為60kPa～77kPa，平均值69.5kPa；內(nèi)摩擦角φ 約為11.3°～15.6°，平均值13.3°。抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)成果如圖1所示。

圖1 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)成果

2.2 標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)

采用標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)，四組土樣，控制試驗(yàn)條件相同，每組固結(jié)壓力均為12.5kPa、25kPa、50kPa、100kPa、200kPa、300kPa、400kPa、600kPa，每級(jí)壓力下的固結(jié)時(shí)間均為24h。

試驗(yàn)得到e-lgp 曲線（圖2），可得壓縮系數(shù)a1-2以及壓縮模量Es1-2如表2 所示?？煽闯鏊慕M土樣均屬于中等偏低壓縮性土[1]。

圖2 土樣e-lgp 關(guān)系曲線

2.3 回彈模量測(cè)試

采用杠桿壓力儀法，五組土樣。泊松比μ 近似取0.35，土樣在各級(jí)壓力下土對(duì)應(yīng)的回彈模量如表3 所示。

表3 土樣在各級(jí)壓力下土對(duì)應(yīng)的回彈模量

壓力p 與回彈模量Ee 擬合關(guān)系曲線如圖3 所示，p與Ee 近似呈直線關(guān)系，擬合直線方程為Ee=0.19p+29.06。

圖3 壓力p 與回彈模量Ee 的關(guān)系曲線

2.4 先期固結(jié)壓力計(jì)算

目前常用由卡薩格蘭德1936 年提出的e-lgp 曲線經(jīng)驗(yàn)作圖法，用曲率突變點(diǎn)推出先期固結(jié)壓力Pc，但誤差較大。Butterfield 提出用Ln（1+e）-logp 雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)法，其可靠性得到大量試驗(yàn)的驗(yàn)證[2]。雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下曲線大致形成兩段直線，交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓力值即為Pc。圖4為土樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得出各組土樣先期固結(jié)壓力Pc；結(jié)合表2 取樣深度得各組樣自重應(yīng)力σz。

圖4 土樣先期固結(jié)壓力計(jì)算

土樣①：σz=70.24kPa，Pc=247kPa，OCR＞1。

土樣②：σz=114.14kPa，Pc=239kPa，OCR＞1。

土樣③：σz=158.04kPa，Pc=184kPa，OCR＞1。

土樣④：σz=193.16kPa，Pc=227kPa，OCR＞1。

超固結(jié)土是先期固結(jié)壓力大于現(xiàn)有自重應(yīng)力的土，即超固結(jié)比OCR＞1。土樣OCR 均大于1，均判定為超固結(jié)土[1]。結(jié)合已有研究[2-5]，紅黏土的Pc 表現(xiàn)規(guī)律與傳統(tǒng)理論不符，主要受其成因、成分與結(jié)構(gòu)的影響。說(shuō)明紅黏土非一般意義的超固結(jié)土，其超固結(jié)特性的根源在于氣候條件、特殊的成土過(guò)程與物質(zhì)結(jié)構(gòu)，加上游離氧化物的存在，使其具有強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)連結(jié)力，表現(xiàn)出較高強(qiáng)度，本試驗(yàn)結(jié)果較好的驗(yàn)證了這一機(jī)制。

綜上所述，紅黏土的超固結(jié)特性是微觀結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的宏觀反映，不全是上覆應(yīng)力歷史的記載，因此，紅黏土的Pc 與傳統(tǒng)定義有本質(zhì)區(qū)別?？赏茢鄠鹘y(tǒng)固結(jié)沉降理論不完全適用于紅黏土。分析其固結(jié)沉降特性，建議結(jié)合沉降觀測(cè)、預(yù)測(cè)等方法。

3 輸變電工程中紅黏土處理措施

在巖溶發(fā)育的碳酸鹽巖地區(qū)，基巖上部紅黏土地層表現(xiàn)出更為復(fù)雜的形態(tài)。

3.1 變電工程

以綿陽(yáng)擂鼓220kV 變電站為例，場(chǎng)地上覆全新統(tǒng)黃褐色殘坡積紅黏土，下伏石炭系灰?guī)r。土層水平向、垂直向厚度變化大，為1.0～8.6m，基巖面起伏大，溶蝕溝槽、裂隙發(fā)育；紅黏土豎向狀態(tài)變化大，上部硬塑～可塑，近基巖面呈軟塑～流塑，呈上硬下軟特征，從而地層結(jié)構(gòu)變化大，各層壓縮性及強(qiáng)度差異較大，地基均勻性差。

場(chǎng)地紅黏土膨脹性弱，但具一定收縮性，其大氣影響急劇層深度約為1.4m。根據(jù)原位測(cè)試及土工試驗(yàn)，上部硬塑～可塑段承載力特征值約180kPa，壓縮模量約6.5MPa，地基強(qiáng)度較好，為場(chǎng)地內(nèi)主要持力層之一，推薦充分利用其作為建（構(gòu)）筑物天然地基持力層，在滿足最小埋深、做好地表水處理措施的情況下，基礎(chǔ)可盡量淺埋。當(dāng)采用淺基礎(chǔ)，盡量避免土巖組合地基而使基礎(chǔ)置于同一地層。對(duì)于軟塑紅黏土或土巖組合地基未經(jīng)處理不宜作持力層，對(duì)一般性建筑物土巖組合地基，可削掉一定厚度的土或基巖，改用碎石或土夾石作墊層以調(diào)節(jié)變形和不均勻沉降；或采用調(diào)整基礎(chǔ)形式、尺寸和埋深等方法。對(duì)較重要的或?qū)Σ痪鶆虺两得舾械?，宜在基底不同部位布置勘探點(diǎn)，采取釬探、風(fēng)鉆或探槽等手段（勘探深度不小于3m），進(jìn)一步查明基底各部位土層的厚度、狀態(tài)，以便采取針對(duì)性的處理措施。當(dāng)以上措施無(wú)法滿足要求時(shí)，應(yīng)考慮更換基礎(chǔ)形式，如采用樁基礎(chǔ)?；娱_(kāi)挖后禁止長(zhǎng)時(shí)間暴露，宜及時(shí)澆筑基礎(chǔ)，封閉基坑。

3.2 輸電線路工程

鐵塔基礎(chǔ)荷載屬于交變荷載，包含豎向壓力、水平力、上拔力，不均勻沉降問(wèn)題更為突出。一般情況山區(qū)鐵塔基礎(chǔ)大都采用嵌巖樁，紅黏土特性對(duì)其影響較小。樁基礎(chǔ)能較好地控制不均勻沉降，對(duì)提高基礎(chǔ)承載力效果顯著。當(dāng)紅黏土厚度及狀態(tài)差異較大、塔腿承受較大上拔力或水平力、地形坡度較大等復(fù)雜狀況時(shí)，需進(jìn)一步做樁基抗拔或水平承載力等驗(yàn)算。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[6-7]，對(duì)于土巖組合地基，當(dāng)紅黏土為硬塑狀態(tài)時(shí)，可視為均勻地基，忽略基巖面起伏影響；為可塑時(shí)，選擇合理的基底寬度后地基可正常使用；當(dāng)為軟塑時(shí)，需要進(jìn)行地基處理，可采取換填或結(jié)構(gòu)加固處理。若地基以紅黏土為主，則對(duì)灰?guī)r處理，用“褥墊層法”；若地基以灰?guī)r為主，則對(duì)紅黏土處理，用“超挖換填法”，提高地基均勻性。最后應(yīng)作承載力及變形驗(yàn)算。

由于紅黏土的裂隙性，其裂隙滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于孔隙滲透系數(shù)，水流很容易從裂隙入滲而對(duì)場(chǎng)地穩(wěn)定性造成不利影響。所以場(chǎng)地、基坑附近應(yīng)重視防水、截排水措施，基坑開(kāi)挖應(yīng)采取快速作業(yè)法進(jìn)行，避免基坑曝曬和泡水。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）硬塑～可塑狀態(tài)的紅黏土，壓縮性多表現(xiàn)為中等或中等偏低。

（2）紅黏土孔隙、裂隙滲透系數(shù)相差巨大，后者為前者的103～105倍，紅黏土的滲透性受裂隙控制顯著?；诩t黏土的裂隙性與收縮性，大氣影響急劇層深度范圍內(nèi)的土體，基礎(chǔ)施工時(shí)、施工完成后均應(yīng)特別注意防水、保水措施。

（3）本試驗(yàn)紅黏土土樣超固結(jié)比OCR 均大于1，可以判定均為超固結(jié)土。但這類特殊土的超固結(jié)特性是微觀結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的宏觀反映，并不都是上覆壓力歷史的記載。因此紅黏土的Pc 值與傳統(tǒng)的定義有著本質(zhì)的區(qū)別，可以推斷傳統(tǒng)的固結(jié)沉降理論不完全適用于紅黏土。分析其固結(jié)沉降特性，建議結(jié)合沉降觀測(cè)和預(yù)測(cè)等方法。

（4）紅黏土厚度及狀態(tài)變化均較大，加上其特殊性，土巖組合地基引起的不均勻沉降是工程建設(shè)中需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。對(duì)于輸變電工程，應(yīng)該結(jié)合具體建（構(gòu)）筑物的受力狀態(tài)、基底持力層情況，選擇合理的基礎(chǔ)形式以及具有針對(duì)性的地基處理措施。總之，紅黏土特殊的工程性質(zhì)有利也有害，應(yīng)該掌握其特性，充分利用其良好工程特性，又要充分認(rèn)識(shí)其不良特性，才能有效的指導(dǎo)工程建設(shè)，從而更合理、經(jīng)濟(jì)地采取應(yīng)對(duì)措施。