李玉超

(海南中南標(biāo)質(zhì)量科學(xué)研究院，海南 ?？?570023)

隨著國家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、社會各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施迅速推進(jìn)，水利水電工程越來越成為我國各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)事業(yè)和工農(nóng)業(yè)發(fā)展中的重要支持技術(shù)之一。水利水電工程以力學(xué)和水文學(xué)為基礎(chǔ)，進(jìn)行相關(guān)工程設(shè)計(jì)和施工管控，以此削弱水災(zāi)水患，是一種科學(xué)、合理利用水資源的綜合性技術(shù)。面對這一重要基礎(chǔ)設(shè)施和基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，越來越多的高精尖人才將水壩、水閘以及水電站等水利樞紐作為主要研究對象，運(yùn)用數(shù)學(xué)、力學(xué)、工程結(jié)構(gòu)、水利水能計(jì)算等理論知識，通過更完善的工程設(shè)計(jì)方法、施工管理方法以及科學(xué)研究方法進(jìn)行水電工程的勘測、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、管控等方面的工作，從而優(yōu)化了水電工程的建設(shè)工作，為各領(lǐng)域的發(fā)展提供性能更加優(yōu)越的管控設(shè)施[1]。

當(dāng)前我國的經(jīng)濟(jì)水平城市化水平不斷提高，在一些城市或地區(qū)加大了對于水利水電工程的投入，因此做好工程建設(shè)是一項(xiàng)至關(guān)重要的工作。為了保證工程項(xiàng)目的可靠性和穩(wěn)固性，提出了一種對水利水電工程地基巖土試驗(yàn)檢測的方法，通過檢測地基巖土成分、性質(zhì)來掌握地基土質(zhì)，為后面的工程設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。傳統(tǒng)的檢測方法存在計(jì)算復(fù)雜、檢測程序不夠系統(tǒng)化的問題，針對水電工程地基巖土研究更加完善的土質(zhì)試驗(yàn)檢測要點(diǎn)。根據(jù)提出的新的檢測要點(diǎn)，深入對水電工程地基的土質(zhì)和地質(zhì)分析、加強(qiáng)對環(huán)境特征以及地基承載力的評估判斷，為水利水電工程的施工設(shè)計(jì)提供更全面、系統(tǒng)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，改善原有地基土質(zhì)檢測過程中數(shù)據(jù)不夠精確和充足的弊端，為下一步的工程設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)，同時(shí)也為今后水電工程維護(hù)提供重要的技術(shù)支持[2]。

1 地基巖土試驗(yàn)檢測要點(diǎn)

針對水電工程地基巖土傳統(tǒng)試驗(yàn)檢測中存在的問題，研究水電工程巖土地基的檢測要點(diǎn)。

1.1 均勻分布式巖土樣本采集

對于水電工程地基巖土進(jìn)行試驗(yàn)檢測，首先要對地基巖土進(jìn)行勘測采集巖土樣本，這是地基巖土試驗(yàn)的基礎(chǔ)工作，同時(shí)也是所有數(shù)據(jù)輸出準(zhǔn)確的前提。對于巖土樣本的選擇，需要考慮水電工程所處的地理位置，選取具有代表性的巖土進(jìn)行取樣，同時(shí)為了樣本的多樣性還要保證巖土樣本的數(shù)量，一般對于一層巖土需要選擇多組巖土樣本，并且在選取每一土層中的巖土?xí)r不要集中采集，一定要采用均勻、分布式的采樣手法。水電工程地基立面效果示意圖如圖1所示[3]。

圖1 水電工程地基巖土立面示意圖

通過圖1可知，對于地基的表層巖土設(shè)置若干個(gè)采樣點(diǎn)，對每一采樣點(diǎn)下的巖土進(jìn)行分層采樣。對于表層巖石，直接在基坑中進(jìn)行巖石采樣；對于深層地基巖土，利用鉆機(jī)對表層巖土進(jìn)行鉆孔，在鉆孔內(nèi)或者鉆心中進(jìn)行巖土樣本提取。巖土物理力學(xué)試驗(yàn)所需采取巖土樣品數(shù)量、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)見表1[4]。

表1 地基巖土采樣數(shù)量及質(zhì)量信息化標(biāo)準(zhǔn)

通過表1可知，由于地基巖土需要進(jìn)行的試驗(yàn)檢測極為復(fù)雜，因此需要考慮到樣品的外在狀態(tài)以及內(nèi)在狀態(tài)，以此得到更為精準(zhǔn)的采樣數(shù)據(jù)，巖土物理力學(xué)性質(zhì)參考數(shù)據(jù)見表2，依據(jù)此數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)學(xué)、物理學(xué)以及力學(xué)知識要點(diǎn)，參照表中的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行地基巖土采樣量計(jì)算[5,6]。

表2 巖土物理力學(xué)性質(zhì)參考指標(biāo)

因此參考上述表格提供的巖土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，根據(jù)水電工程的地理位置、水文因素以及其他相關(guān)自然條件，設(shè)置地基巖土樣本采樣量計(jì)算公式：

(1)

式中，q—每一采樣點(diǎn)中需要采集的地基巖土樣本量，ΔQi—第i層巖土土體的沉降量，mm；hi—第i層巖土土體的厚度，mm；s1i—第i層巖土土體壓縮前的孔隙比;s2i—第i層巖土土體壓縮后的孔隙比，n—所設(shè)置的巖土采樣點(diǎn)數(shù)量[7- 8]。

1.2 定量分析巖土成分

按照公式(1)的計(jì)算表達(dá)式進(jìn)行采樣量計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果在每一預(yù)先設(shè)置的采樣位置進(jìn)行巖土采樣。而巖土在不同的層位中，由于自然條件的影響，其土質(zhì)狀態(tài)也是不同的，具體見表3。

表3 不同巖層的土質(zhì)狀態(tài)

通過表3可知地基巖土在兩種狀態(tài)下所發(fā)生的物理變化，這些變化均遭受到了氣候、生物以及地形等因素的影響。隨著時(shí)間的流逝，地質(zhì)構(gòu)造也在不斷演化遷移，因而每一層中的土質(zhì)也不會完全一致，不同的土壤成分會導(dǎo)致該巖土的特性不盡相同[9,10]。因此為令檢測結(jié)果更加細(xì)致，根據(jù)公式(1)利用光譜成像儀對這些樣本進(jìn)行定量分析，該分析的計(jì)算表達(dá)式如下：

(2)

表3中的各類礦物元素就是定量分析的結(jié)果，可見水電工程地基巖土的檢測結(jié)果更加多樣豐富[11,12]。

表4 巖土中的主要礦物成分

1.3 巖土性質(zhì)特征類別分析

針對上述檢測出的巖土成分進(jìn)行性質(zhì)特征類別分析。當(dāng)前的地基巖土根據(jù)土質(zhì)成分的不同，會形成若干種抗壓性、滲水性、粘附性以及持水性各不相同的土質(zhì)，隨之地殼運(yùn)動以及降水等自然環(huán)境影響形成不同土質(zhì)的巖土層，這些巖土層的堅(jiān)固程度也會同所含有的礦物質(zhì)而發(fā)生改變。因此將巖土按照表3中的土質(zhì)特點(diǎn)，根據(jù)表4數(shù)據(jù)將地基巖土劃分為更加具體的3種土質(zhì)類型，以此對巖土進(jìn)行性質(zhì)特征分析[13,14]。根據(jù)非飽和土質(zhì)的強(qiáng)度理論進(jìn)行巖土性質(zhì)分析，此過程依靠膨脹土質(zhì)與初始含水量的關(guān)系進(jìn)行三類土質(zhì)的特點(diǎn)分析：

f(τ)=kj×[a′+η(u1-u2)tanφ]+(ρ-u1)]

(3)

式中，f(τ)—土質(zhì)特性，a′表示巖土有效粘性凝聚力，η—雨水下滲后的系數(shù)即巖土的初始含水量，u1—表層孔隙氣壓力，u2—表層孔隙水壓力，tanφ—a′下的土質(zhì)含水量變化常數(shù)，ρ—法向總應(yīng)力[15]。

根據(jù)公式(3)，巖土特征分析結(jié)果見表5。

表5 不同巖土的性質(zhì)特征分析

通過表5可以看出，地基的巖土性質(zhì)不同，這就會影響水電工程地基的承載力。將進(jìn)行特征分析后的巖土樣本進(jìn)行壓實(shí)處理，模擬出一個(gè)巖土地基模型，壓實(shí)處理強(qiáng)度計(jì)算表達(dá)式為：

(4)

式中，p—壓實(shí)強(qiáng)度，e0—所有巖土樣本的壓實(shí)前孔隙比，c1—考慮凈應(yīng)力的壓縮系數(shù)，c2—考慮基質(zhì)的壓縮系數(shù)，logσ—凈應(yīng)力，logx—凈吸力，根據(jù)此公式得到模擬地基模型[16- 17]。

1.4 明確水電工程安全系數(shù)

在上述準(zhǔn)備工作完畢的基礎(chǔ)上，計(jì)算模擬地基模型的承載力狀況，以此明確水電工程施工安全系數(shù)。土力學(xué)知識體系中，通常認(rèn)為地基的極限承載力是其所能承受的最大壓力，因此利用上述壓縮的地基模型，對其進(jìn)行破壞形式假設(shè)，將滑動面進(jìn)行適當(dāng)簡化，依據(jù)平衡壓力條件求得地基最大承載力，水電地基基礎(chǔ)深埋的地基滑動面示意如圖2所示。

圖2 基礎(chǔ)深埋地基滑動面示意圖

根據(jù)圖2中設(shè)置的參數(shù)，計(jì)算地基承載力因數(shù)，公式如下：

(5)

式中，N1—承載力因數(shù)，僅與地基v有關(guān)的無量綱系數(shù)。

同理公式(5)計(jì)算與v有關(guān)的另一承載力因數(shù)N2，根據(jù)N1、N2的實(shí)際數(shù)值，進(jìn)行地基土質(zhì)最大承載量計(jì)算：

(6)

式中，A—地基巖土所能承受的最大極限壓力值，λ—水電工程設(shè)施壓力系數(shù)，s—地基模型的巖土土體粘聚力，f—基底水平面以上的基礎(chǔ)兩側(cè)的超載系數(shù)，γ—地基巖土的總重度[18,19]。

由于我國地域遼闊、地形地貌種類多地勢復(fù)雜，水電工程是很難建立在一個(gè)完全水平的地形上的，因此在中心傾斜荷載作用下，將豎向地基巖土極限承載力進(jìn)行調(diào)整計(jì)算，表達(dá)式如下：

f(A)=asbscslsmsnsA+afbfcflfmfnfA
+aγbγcγlγmγnγA

(7)

式中，as、af、aγ—基礎(chǔ)的地基形狀系數(shù)；bs、bf、bγ—荷載傾斜系數(shù)；cs、cf、cγ—地基基礎(chǔ)深度系數(shù)；ls、lf、lγ—地面傾斜系數(shù)；ms、mf、mγ—基底傾斜系數(shù)；ns、nf、nγ—承載力系數(shù)。

根據(jù)該計(jì)算結(jié)果明確此地區(qū)中的地基巖土最大承載力，以此計(jì)算水電工程的安全系數(shù)：

(8)

式中，I—水電工程施工安全系數(shù)，Q—水電工程的預(yù)估載重量，ω—地基載重離散值。

當(dāng)I>0.95時(shí)，說明載重量為Q的此項(xiàng)水電工程安全系數(shù)符合國家規(guī)定的安全標(biāo)準(zhǔn)，可以施工；當(dāng)I≤0.95時(shí)，則說明載重量Q過大，超過了地基的最大承載力，此時(shí)的水電工程安全系數(shù)過小，不能進(jìn)行水電工程建設(shè)需要重新制定建設(shè)方案[20]。

2 結(jié)論

傳統(tǒng)的地基巖土檢測直接計(jì)算地基承載力，檢測結(jié)果不夠精確，導(dǎo)致水電工程的安全系數(shù)偏低，存在安全隱患。通過采集地基巖土樣本，計(jì)算巖土采樣量，根據(jù)不同地基巖層的土質(zhì)狀態(tài)利用光譜成像儀進(jìn)行定量分析來了解巖土的礦物質(zhì)組成分析其性質(zhì)特征。并通過計(jì)算地基巖土承載力因數(shù)，調(diào)整中心傾斜荷載作用影響下的地基巖土最大承載力，以此明確水電工程的施工安全系數(shù)。該方法可以為水電工程施工提供科學(xué)的參考依據(jù)，有利于提升施工的安全系數(shù)。未來應(yīng)將其應(yīng)用在實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)并解決實(shí)際問題，提升方法的應(yīng)用范圍。