蔣長興，潘長貴

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550002)

與一般的覆蓋土層不同，卵礫石具有特殊的工程力學(xué)特性，這主要是由于卵礫石的物質(zhì)組成、地層成因、空間分布和顆粒幾何尺寸等決定的，具體表現(xiàn)在其顆粒大小不均，巖石的強(qiáng)度差異較大，分選性較大，膠結(jié)程度與填充成分和地層歷史有關(guān)，在不同的沉積位置其磨圓度、沉積厚度等變化較大，不僅具有類似于粉土或者砂土的沉積韻律性，對(duì)地質(zhì)鉆探來說，往往難于取得原狀樣獲得較為準(zhǔn)確的地層界線[1-8]。水利工程建設(shè)中如果需要在河床覆蓋層上建設(shè)大壩等水利工程建筑物，不可避免地遇到厚度不均、力學(xué)特性差異明顯的卵礫石層，查明卵礫石層的空間分布、地基承載力、物質(zhì)組成成分等是工程建設(shè)的首要前提[9-10]。

本文依托具體的水利工程項(xiàng)目，采用綜合測(cè)試方法的手段，對(duì)場(chǎng)區(qū)卵礫石層采用瑞利面波勘察、旁壓試驗(yàn)、平板載荷試驗(yàn)、室內(nèi)大型顆粒分析和壓縮試驗(yàn)等，綜合分析卵礫石的地層界線、土層的地基承載力、顆粒大小及組成以及壓縮模量，為工程的順利建設(shè)提供了保障和地質(zhì)依據(jù)。

1 工程概況

貴州某水利工程大壩壩體高度約90 m，水庫庫容量約為5 268萬 m3，屬于中型Ⅲ等工程，大壩為2級(jí)建筑物。根據(jù)地質(zhì)鉆探表明，場(chǎng)區(qū)地層較簡單，表層分布為第四系沖洪積粉細(xì)砂，厚度較小約為2.0～3.0 m，質(zhì)較均，粒較純，主要成分為石英、長石和少量云母；下部分布較厚的第四系全新統(tǒng)沖洪積卵礫石層，如圖1所示，厚度約15.0～35.0 m，土層巖石較雜，顆粒大小分布不均，20～200 mm粒徑顆粒含量大于50%，顆粒較粗大，顆粒間的排列具有空間易變性，密實(shí)性與壓縮性、抗剪強(qiáng)度等于卵石顆粒的接觸關(guān)系、填充物質(zhì)以及壓密歷史有關(guān)，整體以單粒結(jié)構(gòu)為主，孔隙率較高，約29%～38%，卵礫石的原巖成分主要為碳酸鹽巖，顆?？箟簭?qiáng)度較大，最高可達(dá)80 MPa；巖石基巖為奧陶系灰?guī)r，巖體抗剪強(qiáng)度較高，與上部卵石層為整合接觸，可認(rèn)為是不可壓縮和不透水層。

圖1 場(chǎng)區(qū)卵石鉆探取樣

2 綜合測(cè)試方法

2.1 瑞利面波法勘察

瑞利面波方法是通過在地面采用磅錘激發(fā)穩(wěn)態(tài)震源，在地表產(chǎn)生以不同頻率的瑞利面波，并利用地震檢波器對(duì)其其進(jìn)行接收，根據(jù)瑞利面波在不同地層中傳播的頻散現(xiàn)象進(jìn)行地層的劃分。圖2為場(chǎng)區(qū)內(nèi)典型的瑞利面波解釋斷面，從圖中可以看出在0.0～2.0 m段，為粉細(xì)砂層，橫波速度范圍在60～100 m/s，而在2.00～12.0 m范圍內(nèi)則為松散卵礫石層，土層的橫波速度范圍在100～180 m/s，而在深度12.0～31.0 m范圍捏為密實(shí)卵礫石層，橫波速度范圍在180～300 m/s之間，31.0 m以下為基巖層，橫波速度大于300 m/s。瑞利面波的解釋成果是地質(zhì)鉆探最好的驗(yàn)證和補(bǔ)充，且在地層的邊界的劃分上，由于地質(zhì)鉆探對(duì)卵石取樣困難，且地層的動(dòng)力觸探困難造成土層密實(shí)度狀態(tài)的評(píng)價(jià)困難等原因，而瑞利面波法對(duì)這類問題得到了較好地解決。同時(shí)，瑞利面波法具有成本低廉、測(cè)試快速、經(jīng)濟(jì)效益良好等優(yōu)點(diǎn)，能夠獲取直觀連續(xù)的地質(zhì)解釋斷面，如圖3所示。

圖2 瑞利面波法劃分卵石地層

圖3 瑞利面波法地質(zhì)解譯斷面

2.2 旁壓試驗(yàn)方法

旁壓試驗(yàn)是巖土工程勘察中最為常見的原位測(cè)試方法之一，以預(yù)鉆式梅納旁壓試驗(yàn)為例，試驗(yàn)時(shí)通過將一個(gè)帶有膨脹薄膜的探頭放置在預(yù)定鉆孔深度內(nèi)，通過對(duì)薄膜的膨脹測(cè)試土體的力學(xué)強(qiáng)度和變形參數(shù)等。由于卵礫石層對(duì)旁壓試驗(yàn)探頭具有較大的損害，因此在試驗(yàn)時(shí)對(duì)成孔質(zhì)量要求較高，需要采用特制的植物泥漿進(jìn)行鉆探[10]，另外也需要對(duì)探頭安裝鋼制鎧甲以保證薄膜不被劃破或者非圓柱形狀態(tài)膨脹。表1為場(chǎng)區(qū)內(nèi)2個(gè)鉆孔內(nèi)的旁壓試驗(yàn)成果。從表中可以看出，砂卵石層的壓縮模量和地基承載力在深度方向上變化較大，但總體上，深度小于12.0 m卵石層的壓縮模量、地基承載力小于深度大于12.0 m的卵石層。

表1 旁壓試驗(yàn)成果分析一覽表

2.3 平板載荷試驗(yàn)方法

平板載荷試驗(yàn)是確定地基承載力最有效、最直接的測(cè)試方法，但測(cè)試深度較為淺，因此常與旁壓試驗(yàn)等原位測(cè)試方法相結(jié)合求解地基的承載力。試驗(yàn)采用直徑50 cm的圓形載荷板，采用混凝土堆載的方式對(duì)河床的卵石層進(jìn)行測(cè)試，共選取了3組試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試深度為3.5 m，測(cè)試成果如圖4所示。從圖中夠可以看出，測(cè)試曲線主要有2部分組成，即彈性變形的直線段和塑性變形的曲線段。由于曲線段沒有出現(xiàn)破壞段，因此表明卵石層極限荷載較大，實(shí)際設(shè)計(jì)過程中可以采用P-S曲線的臨塑荷載作為地基的承載力。從圖2中可以看出，不同測(cè)試點(diǎn)獲取的P-S曲線較為接近，表明場(chǎng)區(qū)淺層的卵石力學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，經(jīng)過分析可知PT01、PT02、PT03測(cè)試點(diǎn)的臨塑荷載分別為660 kPa、610 kPa、595 kPa。

圖4 平板載荷試驗(yàn)P-s曲線

2.4 室內(nèi)顆粒分析試驗(yàn)

為了查明場(chǎng)區(qū)卵礫石的顆粒組成成分，在室內(nèi)試驗(yàn)選擇大型顆粒分析進(jìn)行測(cè)試。試樣為現(xiàn)場(chǎng)獲取的全組分土樣，為了保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性，共選取了10組試樣進(jìn)行測(cè)試。

表2為場(chǎng)區(qū)卵礫石取樣進(jìn)行的大型顆粒分析試驗(yàn)成果。從表中可以看出，卵礫石的顆粒粒徑主要分布在60～200 mm之間，平均顆粒含量約占34%，其次為20～60 mm，平均顆粒含量約占14.9%，經(jīng)過計(jì)算分析，卵礫石的平均有效粒徑為0.23 mm，最大有效粒徑為2.75 mm，最小有效粒徑為0.068 mm，平均不均勻系數(shù)為359.70，最大不均勻系數(shù)為657.5，最小不均勻系數(shù)為30.0，平均曲率系數(shù)為3.75，最大曲率系數(shù)為29.50，最小曲率系數(shù)為0.06。

表2 室內(nèi)大型顆粒分析試驗(yàn)

2.5 壓縮試驗(yàn)

為了分析卵礫石的壓縮性能和壓縮模量，共獲取3組試驗(yàn)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，成果如圖5所示。從圖中可知，e-p曲線平均值可知該卵石層為正常固結(jié)土層，按YT01、YT02、YT03試樣結(jié)果計(jì)算后可知砂卵石層壓縮系數(shù)范圍為av1-2=0.008～0.034 MPa，壓縮模量范圍為Es=36.0～153 MPa。大壩壩體位置處河床上覆土壓力荷載加上大壩自重約為1.91 MPa，由e-p曲線平均值可計(jì)算壓縮模量為152 MPa。

圖5 壓縮試驗(yàn)e-p曲線

3 測(cè)試成果的綜合分析

在水利工程地質(zhì)勘察時(shí)，有必要對(duì)場(chǎng)區(qū)的巖土類別、地層分布以及物性差異進(jìn)行初步的掌握，對(duì)于大型的水利工程，采用全地質(zhì)鉆孔進(jìn)行勘察，不僅成本較高，也不切實(shí)際，因?yàn)槁咽瘜佑捎诔练e成因原因往往厚度、分布起伏較大，僅僅依賴地質(zhì)鉆孔進(jìn)行地層界線的劃分準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。采用物探的方法可以較好地對(duì)地質(zhì)鉆探成果進(jìn)行補(bǔ)充和驗(yàn)證，認(rèn)識(shí)卵礫石的空間分布、連續(xù)性和埋深進(jìn)行直觀的了解。

場(chǎng)區(qū)的卵石地層較厚，利用鉆探獲取深部的卵石土樣進(jìn)行試驗(yàn)，存在眾多困難，一方面，卵石地層為松散顆粒間的接觸結(jié)構(gòu)，孔隙間充填細(xì)顆粒物質(zhì)，受到擾動(dòng)后，細(xì)顆粒物質(zhì)隨水沖走，而粗顆粒又不能代表土體的整體；另一方面，深部的卵石地層很難保持其天然狀態(tài)，極易受到鉆探的擾動(dòng)。因此，在工程中常常采用多種測(cè)試方法對(duì)其進(jìn)行定性和定量分析。值得注意的是，采用原位測(cè)試方法時(shí)，需要根據(jù)卵石顆粒塊體堅(jiān)硬，且填充物質(zhì)較軟的特性，一般選取能穿透地層，且堅(jiān)固耐用的設(shè)備進(jìn)行，本研究盡管選取預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)進(jìn)行，但是也應(yīng)對(duì)探頭進(jìn)行保護(hù)和提高成孔質(zhì)量。其次，由于平板載荷試驗(yàn)的方法限制，在確定卵石地基的承載力時(shí)，并不能得到深部的數(shù)據(jù)，因此只能在淺層進(jìn)行試驗(yàn)。從圖1可知，在地層豎向方向上，卵石的狀態(tài)從上到下是由松散向密實(shí)狀態(tài)轉(zhuǎn)變的，因此，沉積過程來看，下部的卵石層相對(duì)于上部的卵石層來說，壓密性更好，力學(xué)性質(zhì)也更有利，可以確定在12.0～31.0 m深度范圍內(nèi)的卵石層的力學(xué)參數(shù)強(qiáng)于2.0～12.0 m的卵石層，采用平板載荷試驗(yàn)在土層的淺層進(jìn)行試驗(yàn)，獲得的測(cè)試成果代表整個(gè)卵石層的力學(xué)特性，是目前工程上的通用做法，也是安全可靠的。

對(duì)于卵石層的地基承載力，由平板載荷試驗(yàn)確定的平均地基承載力特征值622 kPa，而由旁壓試驗(yàn)確定的地基承載力在2.0～12.0 m范圍內(nèi)，平均值為824 kPa，而在12.0～31.0 m范圍內(nèi)，平均值為1 015 kPa。由此可知，確定地基承載力特征值時(shí)，相對(duì)于旁壓試驗(yàn)來說，平板載荷試驗(yàn)確定的數(shù)值偏于保守，這與前面的分析結(jié)果是一致的，因?yàn)榕詨涸囼?yàn)的測(cè)試深度較大且保持了土體的原位狀態(tài)，對(duì)土體擾動(dòng)較小。在實(shí)際的工程建設(shè)中，如果場(chǎng)區(qū)的原位試驗(yàn)僅進(jìn)行了平板載荷試驗(yàn)，可利用其結(jié)果直接確定地基承載力，而如果場(chǎng)區(qū)不僅進(jìn)行了平板載荷試驗(yàn)，還進(jìn)行了可測(cè)試深度土體力學(xué)性質(zhì)的原位測(cè)試試驗(yàn)，如旁壓試驗(yàn)等，建議采用后者確定的地基承載力進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。綜合研究，本研究中卵石層的地基承載力為在2.0～12.0 m范圍內(nèi)取824 kPa，在12.0～31.0 m范圍內(nèi)取1 015 kPa，并根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中5.2.4條文中進(jìn)行修正，修正后的地基承載力分別為936 kPa，1 250 kPa。

對(duì)于土體的壓縮模量，由圖3計(jì)算的壓縮模量范圍為Es=36.0～153 MPa，模量數(shù)值區(qū)間較大，而利用旁壓試驗(yàn)獲取的旁壓模量也有類似的規(guī)律，旁壓模量范圍為Es=26.9～209.03 MPa，利用相關(guān)公式可以換算成壓縮模量，在實(shí)際計(jì)算地基的變形沉降時(shí)，可根據(jù)土層對(duì)應(yīng)深度范圍內(nèi)的壓縮模量Es進(jìn)行計(jì)算。一般來講，大壩壩體對(duì)壩基產(chǎn)生的附加應(yīng)力屬于空間問題，河床段壩體地面為矩形，受豎向三角形分布荷載的作用，利用布辛納斯克公式可計(jì)算出砂卵石層內(nèi)任意一點(diǎn)的附加應(yīng)力，利用分層總和法即可計(jì)算出大壩的總沉降量。

4 結(jié)語

(1)由于卵礫石層的特殊物理力學(xué)性質(zhì)，獲取其物理參數(shù)僅僅通過地質(zhì)鉆探或者單一的測(cè)試方法存在困難，在實(shí)際工程中有必要采用綜合測(cè)試方法對(duì)測(cè)試參數(shù)進(jìn)行綜合分析和評(píng)判。

(2)瑞利面波法可以對(duì)卵石地層進(jìn)行較為準(zhǔn)確的劃分，且在野外測(cè)試時(shí)具有速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以獲取連續(xù)和直觀的地質(zhì)解釋剖面。

(3)旁壓試驗(yàn)、平板載荷試驗(yàn)、顆粒分析試驗(yàn)和壓縮試驗(yàn)是獲取卵石地層顆粒組成成分、地基承載力和壓縮模量等參數(shù)的重要試驗(yàn)，測(cè)試成果可為水利工程大壩地基的設(shè)計(jì)提供真實(shí)可靠的參數(shù)，同時(shí)測(cè)試成果間也可以相互驗(yàn)證和補(bǔ)充。