郭紅梅

(北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100101)

0 引言

長(zhǎng)春市城市快速軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃由7條地鐵和輕軌線路組成放射式的線網(wǎng)，其中3條放射線為地鐵線(1、2、5號(hào)線)、2條半環(huán)線為輕軌線(3、4號(hào)線)，線網(wǎng)總長(zhǎng)度179 km。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)條件及地鐵勘察報(bào)告揭露的地層，城區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層分布較為穩(wěn)定，其巖土類型在平面上變化不大，在立面上變化較大，覆蓋層厚度不等，在市區(qū)中心至周邊最厚可達(dá)30 m，一般在9～15 m左右，其分布自上而下是粉質(zhì)黏土及黏土、含礫中粗砂和砂礫石，基底的地層為白堊系泥巖和泥質(zhì)粉砂巖，在區(qū)內(nèi)廣泛分布，除局部有零星出露外，大部分被第四系覆蓋?？偟奶攸c(diǎn)為一套以棕紅色為主的陸湖相沉積、碎屑巖與泥巖頻繁交替，分為四組，即泉頭組、青山口組、姚家組和嫩江組，總厚度約1575 m[1-2]。

由于全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化礫巖現(xiàn)場(chǎng)難以鉆探取樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，泥巖存在水穩(wěn)性、膨脹性、崩解性等因素的影響，所需提供的不同風(fēng)化程度礫巖層、泥巖層的地鐵勘察設(shè)計(jì)參數(shù)多以經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為主，有的參數(shù)還沒有經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以參考，提供參數(shù)的準(zhǔn)確性和合理性也有待推敲。本文通過礫巖和泥巖中的現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)原位剪切試驗(yàn)，獲取泥巖、礫巖的承載力值、抗剪強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)以及現(xiàn)場(chǎng)基床系數(shù)值，通過現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)提供礫巖和泥巖層的滲透系數(shù)、影響半徑等水文地質(zhì)參數(shù)等，為地鐵建設(shè)工程地質(zhì)問題分析及設(shè)計(jì)提供充足的地質(zhì)依據(jù)。

1 白堊系地層地鐵勘察關(guān)鍵技術(shù)問題分析

1.1 泥巖崩解性和膨脹問題

由于泥巖具有吸水軟化和失水崩解等工程特性，如不能作出正確的評(píng)價(jià)，會(huì)帶來預(yù)料不到的危害，如施工出現(xiàn)反復(fù)、工程延期、不能正常運(yùn)營(yíng)、追加投資等，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，因此查明白堊系泥巖地層崩解性和膨脹性是勘察技術(shù)難點(diǎn)之一[3]。

1.2 承載力特征值問題

《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》采用巖體基本質(zhì)量對(duì)巖體進(jìn)行分級(jí)，再根據(jù)巖體級(jí)別確定巖體的承載力。目前確定巖石地基承載力的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)主要有《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)5.2.6條規(guī)定，對(duì)破碎、極破碎的巖石地基承載力特征值的確定，同時(shí)還可根據(jù)平板載荷試驗(yàn)確定，對(duì)完整、較完整和較破碎的巖石地基承載力特征值，以飽和單軸抗壓強(qiáng)度為依據(jù)計(jì)算;其它行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)多以經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)估方法為主，但在涉及水穩(wěn)性、膨脹性、崩解性等因素對(duì)泥巖承載力的影響時(shí)，各自的試驗(yàn)方法、依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)等許多方面均存在差異，在承載力確定問題上也存在較大分歧。由于平板載荷試驗(yàn)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且試驗(yàn)費(fèi)用多，長(zhǎng)春地區(qū)白堊系礫巖和泥巖的載荷試驗(yàn)方面參考資料幾乎沒有。

1.3 基床系數(shù)的問題

基床系數(shù)是地鐵工程設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，也稱彈性抗力系數(shù)或地基反力系數(shù)，主要用來進(jìn)行地基梁計(jì)算、襯砌配筋計(jì)算、路基計(jì)算、支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算等。基床系數(shù)與地基土的類別、土的狀況(密度、含水量)、物理力學(xué)特性、基礎(chǔ)的形狀及作用面積受力狀況有關(guān)，當(dāng)有成熟地區(qū)經(jīng)驗(yàn)時(shí)，可通過原位測(cè)試、室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)綜合確定，但長(zhǎng)春地區(qū)沒有地鐵工程積累的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

1.4 基坑支護(hù)參數(shù)問題

由于白堊系全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化礫巖現(xiàn)場(chǎng)鉆探難以取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，現(xiàn)階段勘察報(bào)告中的礫巖力學(xué)指標(biāo)主要以經(jīng)驗(yàn)為主，提供的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)往往偏于保守，對(duì)工程設(shè)計(jì)浪費(fèi)較大，而抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)支護(hù)體系的類型、鋼筋用量、樁的長(zhǎng)度都有重要的影響，所以提供準(zhǔn)確合理的參數(shù)對(duì)工程造價(jià)意義重大。

1.5 地下水控制問題

長(zhǎng)春地鐵工程車站結(jié)構(gòu)埋深一般在15～30 m，一般采用明挖法施工，根據(jù)勘察資料揭示，沿線場(chǎng)地地下水埋深較淺，地下水位位于地鐵車站底板之上，均需采取地下水控制措施，應(yīng)根據(jù)抽水試驗(yàn)測(cè)定的水文地質(zhì)參數(shù)，進(jìn)行地下水控制方案設(shè)計(jì)，確定風(fēng)化礫巖、泥巖層的滲透系數(shù)等水文參數(shù)，對(duì)抗浮水位的確定、降水設(shè)計(jì)等至關(guān)重要。

2 白堊系地層地鐵勘察參數(shù)的確定

2.1 泥巖的崩解性和膨脹性判定

為判定風(fēng)化巖的崩解性，對(duì)鉆孔內(nèi)的15組試樣進(jìn)行了二次循環(huán)崩解試驗(yàn)，結(jié)果表明第一循環(huán)耐崩解指數(shù)為0～49.90%，平均耐崩解指數(shù)為9.67%。第二循環(huán)耐崩解指數(shù)為0～18.78%，平均耐崩解指數(shù)為1.66%。按照相關(guān)規(guī)范綜合判定長(zhǎng)春全風(fēng)化泥巖及強(qiáng)風(fēng)化泥巖屬于極低耐久性巖石。

為判定風(fēng)化巖的膨脹性，在鉆孔內(nèi)采取了32組土樣進(jìn)行了膨脹性試驗(yàn)，風(fēng)化泥巖土工試驗(yàn)所得蒙脫石含量為23.78%～35.11%，自由膨脹率δef平均值小于40%。全風(fēng)化泥巖膨脹力為11.2～27.8 kPa，平均值為17.15 kPa，強(qiáng)風(fēng)化泥巖膨脹力為9.86～15.72 kPa，平均值為12.44 kPa。全風(fēng)化泥巖陽(yáng)離子交換量CEC為150.8～301.5 mmol/kg，平均值為218.6 mmol/kg。強(qiáng)風(fēng)化泥巖陽(yáng)離子交換量CEC為145.8～306.6 mmol/kg，平均值為230.7 mmol/kg。依據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定綜合判定長(zhǎng)春風(fēng)化泥巖屬弱膨脹潛勢(shì)巖[4]。

2.2 平板載荷試驗(yàn)確定承載力特征值、變形模量及基床系數(shù)

試驗(yàn)場(chǎng)地位于長(zhǎng)春市九臺(tái)區(qū)龍湖鎮(zhèn)，試驗(yàn)采用堆重反力梁試驗(yàn)方案，相對(duì)穩(wěn)定法。沉降量觀測(cè)采用4支量程為50 mm，精度為0.01 mm的位移傳感器，安裝在承壓板上，并固定在基準(zhǔn)梁上。強(qiáng)風(fēng)化礫巖層平板載荷試驗(yàn)采用直徑565 mm，面積0.25 m2的圓形剛性承壓板;全風(fēng)化泥巖層平板載荷試驗(yàn)采用直徑800 mm、面積0.5 m2的圓形剛性承壓板，試驗(yàn)將預(yù)估極限承載力值2000 kPa分成10級(jí)進(jìn)行加載，每次加一級(jí)荷載，每級(jí)卸載值取加載時(shí)分級(jí)荷載的2倍。

2.2.1 強(qiáng)風(fēng)化礫巖現(xiàn)場(chǎng)平板載荷試驗(yàn)

1)場(chǎng)地地質(zhì)概況

試驗(yàn)場(chǎng)地自地面下地層為填土層、粉質(zhì)黏土層及全、強(qiáng)風(fēng)化礫巖層，填土層厚約0.5 m，粉質(zhì)黏土層厚約0.5 m，全風(fēng)化礫巖層厚約1 m，試驗(yàn)場(chǎng)地未見地下水。試驗(yàn)深度為地面下2.5 m，在強(qiáng)風(fēng)化礫巖層上共布置了3個(gè)載荷試驗(yàn)檢測(cè)點(diǎn)。

2)承載力特征值

按照規(guī)范規(guī)定，最大沉降量與承壓板直徑之比大于或等于0.06時(shí)認(rèn)為已到破壞荷載，試驗(yàn)采用的承壓板直徑為0.565 m，沉降量達(dá)33.9 mm時(shí)方為破壞荷載，而測(cè)點(diǎn)S1加載至2600 kPa時(shí)，沉降量為36.75 mm，大于33.9 mm，因此取沉降量33.9 mm時(shí)所對(duì)應(yīng)的荷載值的一半即1234 kPa為該測(cè)點(diǎn)的承載力特征值。測(cè)點(diǎn)S2、S3加載至3400 kPa時(shí)，沉降量分別為14.01 mm、11.73 mm，均小于34 mm，且p-s曲線也沒有出現(xiàn)陡降型曲線，故承載力特征值可判定不小于1700 kPa。試驗(yàn)結(jié)果詳見表1，各試驗(yàn)點(diǎn)p-s詳見圖1—圖3所示。

表1 強(qiáng)風(fēng)化礫巖層載荷試驗(yàn)點(diǎn)結(jié)果表

圖1 檢測(cè)點(diǎn)S1試驗(yàn)p-s關(guān)系曲線

圖2 檢測(cè)點(diǎn)S2試驗(yàn)p-s關(guān)系曲線

圖3 檢測(cè)點(diǎn)S3試驗(yàn)p-s關(guān)系曲線

3)變形模量

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》GB 50021—2001(2009版)中規(guī)定，變形模量計(jì)算公式E0=I0(1-μ2)pd/s計(jì)算得各測(cè)點(diǎn)的變形模量取值見表2，其中承壓板形狀系數(shù)(圓形承壓板)I0=0.785。[5]

表2 各測(cè)點(diǎn)的變形模量取值

4)基準(zhǔn)基床系數(shù)

基準(zhǔn)基床系數(shù)采用直徑為30 cm的承壓板測(cè)定，本次載荷試驗(yàn)采用直徑d=0.565 m的非標(biāo)準(zhǔn)板，基床系數(shù)值隨著基礎(chǔ)寬度的增加而有所減少，根據(jù)《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50307—2012)中規(guī)定換算的基準(zhǔn)基床系數(shù)如表3所示，強(qiáng)風(fēng)化礫巖的基準(zhǔn)基床系數(shù)值可以190 MPa/m作為參考值使用。

表3 各測(cè)點(diǎn)的基準(zhǔn)基床系數(shù)取值計(jì)算表

2.2.2 全風(fēng)化泥巖平板載荷試驗(yàn)

1)場(chǎng)地地質(zhì)概況

試驗(yàn)場(chǎng)地自地面下地層為填土層及全、強(qiáng)風(fēng)化泥巖層，填土層厚約0.5 m，全風(fēng)化泥巖層厚約1.5 m，之下為強(qiáng)風(fēng)化泥巖層，試驗(yàn)場(chǎng)地未見地下水。試驗(yàn)深度為地面下1.5 m，共布置了2個(gè)載荷試驗(yàn)檢測(cè)點(diǎn)，其中S5號(hào)點(diǎn)采用浸水試驗(yàn)方法。浸水載荷試驗(yàn)的目的在于模擬建筑物建成運(yùn)營(yíng)后，可能遭水浸泡，導(dǎo)致地基膨脹變形、壓縮變形及強(qiáng)度衰減等最不利于工程建筑物穩(wěn)定的情況，以此研究和預(yù)估未來泥巖地基的工程演化。

2)承載力特征值確定

按照規(guī)范規(guī)定，最大沉降量與承壓板直徑之比大于或等于0.06時(shí)認(rèn)為已到破壞荷載，試驗(yàn)采用的承壓板直徑為0.8 m，則沉降量達(dá)48 mm時(shí)方為破壞荷載，而S4加載至720 kPa時(shí)，沉降量為50.50 mm大于48 mm，因此取沉降量48 mm時(shí)所對(duì)應(yīng)的荷載值的一半即347 kPa為該測(cè)點(diǎn)的承載力特征值。S5加載至500 kPa時(shí)，沉降量為49.12 mm大于48 mm，因此取沉降量48 mm時(shí)所對(duì)應(yīng)的荷載值的一半即247 kPa為該測(cè)點(diǎn)的承載力特征值。試驗(yàn)結(jié)果詳見表4，各試驗(yàn)點(diǎn)的p-s曲線詳見圖4、圖5所示。

表4 泥巖層載荷試驗(yàn)點(diǎn)結(jié)果表

圖4 檢測(cè)點(diǎn)S4的試驗(yàn)p-s關(guān)系曲線

圖5 檢測(cè)點(diǎn)S5（浸水試驗(yàn)點(diǎn)）試驗(yàn)p-s關(guān)系曲線

3)變形模量

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)(2009版)[4]中規(guī)定變形模量計(jì)算公式E0=I0(1-μ2)pd/s計(jì)算得各測(cè)點(diǎn)的變形模量取值見表5。

表5 各測(cè)點(diǎn)的變形模量取值

4)基準(zhǔn)基床系數(shù)

基準(zhǔn)基床系數(shù)采用直徑為30 cm的承壓板測(cè)定，試驗(yàn)采用直徑d=800 cm的非標(biāo)準(zhǔn)板，基床系數(shù)值隨著基礎(chǔ)寬度的增加而有所減少。根據(jù)《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50307—2012)中規(guī)定換算的基準(zhǔn)基床系數(shù)如表6所示，天然狀態(tài)下全風(fēng)化泥巖與浸水狀態(tài)下全風(fēng)化泥巖基準(zhǔn)基床系數(shù)差別不大，全風(fēng)化泥巖基準(zhǔn)基床系數(shù)45～52 MPa/m作為參考值使用[6]。

表6 各測(cè)點(diǎn)的基準(zhǔn)基床系數(shù)取值計(jì)算表

2.3 現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)確定抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

本次現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)采用堆重反力梁試驗(yàn)方案，平推的試驗(yàn)方法，采用直徑565 mm、面積0.25 m2的圓形剛性承壓板，每5分鐘施加一級(jí)，每級(jí)荷載施加前后對(duì)各位移表測(cè)讀一次。采用一次逐級(jí)連續(xù)加載的方式施加荷載，直至試點(diǎn)巖體破壞。強(qiáng)風(fēng)化礫巖和全風(fēng)化泥巖分別確定檢測(cè)點(diǎn)1組。

2.3.1 強(qiáng)風(fēng)化礫巖現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)

1)場(chǎng)地地質(zhì)概況

場(chǎng)地自地面下地層為填土層、粉質(zhì)黏土層及全、強(qiáng)風(fēng)化礫巖層，填土層厚約0.5 m，粉質(zhì)黏土層厚約0.5 m，全風(fēng)化礫巖層厚約1 m，試驗(yàn)場(chǎng)地未見地下水，試驗(yàn)深度為地面下2.5 m。

2)檢測(cè)結(jié)果

經(jīng)過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理及分析，在直角坐標(biāo)系中點(diǎn)出散點(diǎn)圖并建立相關(guān)方程見圖6，方程的相關(guān)性較好，強(qiáng)風(fēng)化礫巖巖體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)C=42.8 kPa，φ=28.4°。

圖6 強(qiáng)風(fēng)化礫巖直剪試驗(yàn)曲線

2.3.2 全風(fēng)化泥巖現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)

1)場(chǎng)地地質(zhì)概況

本場(chǎng)地自地面下地層為填土層及全、強(qiáng)風(fēng)化泥巖層，填土層厚約0.5 m，全風(fēng)化泥巖層厚約1.5 m，之下為強(qiáng)風(fēng)化泥巖層，試驗(yàn)場(chǎng)地未見地下水，試驗(yàn)深度為地面下1.5 m。

2)檢測(cè)結(jié)果

在全風(fēng)化泥巖上僅測(cè)得兩個(gè)法向應(yīng)力下的剪應(yīng)力，散點(diǎn)數(shù)量不足，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)只能作為參考，全風(fēng)化泥巖巖體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c=62.7 kPa，φ=10.6，全風(fēng)化泥巖室內(nèi)天然快剪指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值約為c=70.8 kPa，φ=15.1，三軸剪切試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值約為c=46kPa，φ=14.9?，F(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)指標(biāo)與室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)結(jié)果差別不大。

2.4 抽水試驗(yàn)確定水文地質(zhì)參數(shù)

在承壓水含水層風(fēng)化泥巖(部分為泥巖和泥質(zhì)砂巖互層)中共做了20組抽水試驗(yàn)，測(cè)定的泥巖滲透系數(shù)范圍值為0.079～3.380 m/d(部分為泥巖和泥質(zhì)砂巖互層)，影響半徑范圍值為37～200 m;在礫巖中共做了4組抽水試驗(yàn)，測(cè)定的礫巖滲透系數(shù)范圍值為0.15～0.29 m/d，影響半徑范圍值為14～78 m。在砂巖中共做了2組抽水試驗(yàn)，測(cè)定的砂巖滲透系數(shù)范圍值為1.2～13.3 m/d，影響半徑范圍值為98～130 m。

3 結(jié)論

1)二次循環(huán)崩解試驗(yàn)結(jié)果表明，長(zhǎng)春地區(qū)全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化泥巖屬極低耐久性巖，膨脹性試驗(yàn)表明，全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化泥巖屬弱膨脹潛勢(shì)巖。

2)強(qiáng)風(fēng)化礫巖承載力特征值可以取最小值1234 kPa，變形模量范圍值為45.1～119.1 MPa，平均值為87.2 MPa，基準(zhǔn)基床系數(shù)范圍值為190775～503684 k N/m3，可以190 MPa/m作為參考值使用。天然狀態(tài)下全風(fēng)化泥巖承載力特征值為347 kPa，變形模量為10.2 MPa，浸水狀態(tài)下全風(fēng)化泥巖承載力特征值為247 kPa，變形模量為9.1 MPa，基準(zhǔn)基床系數(shù)范圍值為46261～51769 k N/m3，全風(fēng)化泥巖基準(zhǔn)基床系數(shù)可以45～52 MPa/m作為參考值使用。浸水造成泥巖強(qiáng)度降低較明顯，在無荷載下浸水，強(qiáng)度降低更為劇烈。

3)現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)表明，強(qiáng)風(fēng)化礫巖巖體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值c=42.8 kPa、φ=28.4°，全風(fēng)化泥巖巖體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c=62.7kPa、φ=10.6作為參考值，其值與室內(nèi)剪切指標(biāo)差別不大。

4)現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)表明，泥巖滲透系數(shù)范圍值為0.079～3.380 m/d，影響半徑范圍值為37～200 m。礫巖滲透系數(shù)范圍值為0.15～0.29 m/d，影響半徑范圍值為14～78 m。砂巖滲透系數(shù)范圍值為1.2～13.3 m/d，影響半徑范圍值為98～130 m。