楊春景　張迪　孫海楓

摘 要：為了獲得黃河上游第三系紅層軟巖承載力和變形參數(shù)沿水平向及垂直向的變化規(guī)律，利用旁壓試驗(yàn)和平板載荷試驗(yàn)對(duì)分布于柴家峽水利樞紐的紅層軟巖展開(kāi)研究。 結(jié)果表明：紅層軟巖的地基承載力和變形參數(shù)在較小水平距離的范圍內(nèi)有較大變化，不同水平位置的試驗(yàn)結(jié)果與巖土體的埋深、含水率及風(fēng)化程度等有關(guān);在同一水平位置處的承載力和變形模量，沿垂直向深度呈線性上升的規(guī)律，物理化學(xué)風(fēng)化和地應(yīng)力作用使得地表與深層巖體的承載力及變形特征有所差異。研究結(jié)果揭示了紅層軟巖的工程特性具有明顯空間變異性的特點(diǎn)，導(dǎo)致跨度較大的構(gòu)筑物布置在紅層軟巖地段時(shí)常會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降。

關(guān)鍵詞：紅層軟巖;旁壓試驗(yàn);平板載荷試驗(yàn);工程特性;空間分布特征

中圖分類號(hào)：TV223.1?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.024

Study on Space Distribution of In-situ Engineering Parameters of Red-Bed Soft Rock in Chaijiaxia Area

YANG Chunjing1，2， ZHANG Di1， SUN Haifeng3

（1.Yellow River Conservancy Technical Institute， Kaifeng 475004， China;

2.Kaifeng Yellow River Civil Engineering Experimental Center， Kaifeng 475004， China;

3.Sichuan Vocational and Technical College of Communications， Chengdu 611130， China）

Abstract：? In order to obtain the vertical and horizontal parameters of the bearing capacity and deformation characteristics of soft rock in the Chaijiaxia area， the soft rock of a dam foundation of diversion channel was studied based on the pressuremeter tests and plate load tests. The results show that the bearing capacity and deformation parameters of soft rock in red-bed vary greatly in a small horizontal distance， and increase linearly along the depth vertically. And the test results are related to the depth， moisture content and weathering degree of rock and soil. The modulus of deformation can be obtained from the modulus of pressuremeter tests at different depths by means of the structural coefficient. Weathering and stress states make the bearing capacity and denaturation characteristics of surface and deep rock mass are various from each other. The research results reflect the spatial distribution characteristics of mechanical and deformation characteristics of soft rock in red beds，thus the uneven settlement of structures with large span often occurs in red-bed soft rock. The test results can provide a certain reference for the selection of design parameters of related strata and also provides a reference for the formulation of relevant formation in-situ test scheme.

Key words： red-bed soft rock; pressuremeter test; flat loading test; engineering characteristic;spatial distribution characteristics

第三系紅層沉積巖在我國(guó)西南、西北地區(qū)分布相當(dāng)廣泛，是在黃河上游地區(qū)基礎(chǔ)工程建設(shè)中經(jīng)常遇到的主要特殊巖土體類型之一[1-2]。該類型的巖石是在干旱、半干旱和高溫環(huán)境條件中形成的巖土體，其顏色主要呈紅褐色，巖性偏軟，力學(xué)性質(zhì)較差，強(qiáng)度和剛度較低，沉積巖的類型主要包括泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖和砂礫巖等， 產(chǎn)狀主要為互層狀， 統(tǒng)稱為紅層軟巖[3]。受風(fēng)化程度、氣候條件、地形、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與水文地質(zhì)條件等因素影響，不同地區(qū)的巖土體性質(zhì)也存在明顯差異性[4]。紅層軟巖是一類具有特殊物理力學(xué)性質(zhì)的軟弱巖體， 在開(kāi)挖、卸載和暴露后容易受到降雨等氣候影響， 使巖土體的強(qiáng)度參數(shù)和工程地質(zhì)特性產(chǎn)生較大變異[5]。

在紅層軟巖分布地區(qū)建設(shè)混凝土壩，由于紅層軟巖強(qiáng)度低，工程穩(wěn)定性差，力學(xué)參數(shù)變異性大，因此其取值對(duì)于水利工程的安全性及經(jīng)濟(jì)性影響巨大。紅層軟巖地層地基沉降變形非常復(fù)雜多樣， 與巖土體力學(xué)和變形特性、地基處理方法、地基回填高度、回填速度和控制沉降的方法等因素有關(guān)。在天然的巖土體地基上，巖土體力學(xué)性質(zhì)、構(gòu)造、結(jié)構(gòu)、完整度和風(fēng)化程度等往往決定著工程穩(wěn)定性[6]。巖土體原位測(cè)試技術(shù)是一種利用試驗(yàn)設(shè)備直接對(duì)地基土進(jìn)行測(cè)試的方法，避免了取樣、運(yùn)輸和制樣等過(guò)程的影響，相對(duì)于室內(nèi)試驗(yàn)更真實(shí)，是巖土工程勘察中的重要測(cè)試手段[7]。前人基于原位試驗(yàn)對(duì)紅層軟巖開(kāi)展了大量試驗(yàn)研究，取得了一系列研究成果。劉振宇等[7]通過(guò)載荷試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)紅層軟巖的地基承載力特征值較小，工程沉降量較大;劉穎等[8]基于原位剪切試驗(yàn)和平板載荷試驗(yàn)的結(jié)果，指出紅層軟巖的強(qiáng)度代表值與實(shí)際情況有一定差異，突出了原位試驗(yàn)的可靠性;胡啟軍等[9]利用原位剪切試驗(yàn)對(duì)紅層泥巖樁基承載力的計(jì)算方法進(jìn)行了修正。以上利用原位測(cè)試技術(shù)對(duì)紅層軟巖進(jìn)行的研究，主要集中在一個(gè)測(cè)試位置的工程特性探測(cè)，關(guān)于空間位置對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響研究并未涉及。此外，有關(guān)研究表明紅層軟巖受分布位置、風(fēng)化程度和地下水的影響，其力學(xué)性質(zhì)的空間分布具有很強(qiáng)的不均勻性與各向異性[10-11]。當(dāng)跨度較大的水利樞紐構(gòu)筑物布置在紅層軟巖地段時(shí)，地基常會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開(kāi)裂等嚴(yán)重病害[12]。因此，開(kāi)展紅層軟巖原位工程特性的空間分布特征研究對(duì)揭示該地區(qū)工程特性分布特征和選取合適的設(shè)計(jì)參數(shù)具有重要意義。

本試驗(yàn)在柴家峽水利樞紐的紅層軟巖地層上進(jìn)行，分別沿水平向和垂直向開(kāi)展旁壓試驗(yàn)和平板載荷試驗(yàn)，獲得了不同水平距離和埋深點(diǎn)的承載力及變形參數(shù)，綜合這兩種試驗(yàn)的結(jié)果，對(duì)柴家峽水利樞紐紅層軟巖原位工程特性的空間變形性進(jìn)行評(píng)價(jià)，旨在為相關(guān)地層紅層軟巖的原位試驗(yàn)方案和工程參數(shù)選取提供參考。

1 工程地質(zhì)條件與原位測(cè)試方法

1.1 巖層概況

試驗(yàn)場(chǎng)地位于甘肅省蘭州市，地處黃河上游龍羊峽至青銅峽河段，柴家峽河段沿岸西緣，其地層條件復(fù)雜，場(chǎng)地附近未見(jiàn)斷裂構(gòu)造，巖體構(gòu)造比較穩(wěn)定。上覆較淺的第四系坡積土，土質(zhì)疏松， 垂直向的節(jié)理發(fā)育;其下伏的深厚基巖是第三系沉積紅層軟巖， 巖性主要有泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖和砂礫巖等，產(chǎn)狀主要為互層狀，產(chǎn)狀相對(duì)平緩，遇水易崩解、泥化。巖石鉆孔取得芯樣見(jiàn)圖1，物理性質(zhì)的室內(nèi)試驗(yàn)成果見(jiàn)表1。圖2為柴家峽紅層軟巖坡體，可以看出該地區(qū)分布了深厚的紅層軟巖，便于開(kāi)展原位試驗(yàn)和鉆孔取樣。

1.2 試驗(yàn)方案

為了研究紅層軟巖工程特性在空間位置的分布特征，在柴家峽水利樞紐壩基的不同水平位置和垂直位置布設(shè)試驗(yàn)點(diǎn)，開(kāi)展平板載荷試驗(yàn)和旁壓試驗(yàn)。試驗(yàn)點(diǎn)的布置見(jiàn)圖3，其中：平板載荷試驗(yàn)點(diǎn)主要沿壩基軸線分布，每隔40 m進(jìn)行一次平板載荷試驗(yàn);旁壓試驗(yàn)點(diǎn)沿地層深度方向分布，每隔2 m的深度進(jìn)行一次旁壓試驗(yàn)。從圖4可以看出相距幾十米水平位置處的紅層軟巖分布厚度有很大差別，證明了研究其工程特性空間變異分布特征的必要性。

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 平板載荷試驗(yàn)

采用面積為0.64 m2的剛性承壓板進(jìn)行地基逐級(jí)施壓，測(cè)得加壓中的土層變形量與荷載值，從而得到天然土層的強(qiáng)度和變形參數(shù)[13]。試驗(yàn)前先將承壓板放置于1 m深的探槽底部并鋪設(shè)厚度為20 mm左右的砂墊層進(jìn)行地面找平。本試驗(yàn)采用常用的沉降非穩(wěn)定法，即快速法進(jìn)行施壓，每級(jí)荷載施加后，分別隔15、15、15、15、30、30 min 測(cè)讀一次沉降，保證每級(jí)荷載維持2 h。試驗(yàn)獲得軟巖地基上的4個(gè)點(diǎn)位的荷載—沉降量曲線，即P—S曲線， 按照相關(guān)規(guī)范確定地基承載力特征值和變形參數(shù)。

1.3.2 預(yù)鉆旁壓試驗(yàn)

采用PY-3型預(yù)鉆式旁壓儀進(jìn)行旁壓試驗(yàn)。首先利用鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔;再將旁壓儀放置在預(yù)先鉆好的豎直孔內(nèi)的指定位置進(jìn)行加壓，使旁壓腔膨脹，由膨脹產(chǎn)生的壓力施加在孔壁進(jìn)而使土體發(fā)生變形破壞;加壓過(guò)程中通過(guò)量測(cè)裝置獲取旁壓腔的壓力與土體變形值之間的關(guān)系，從而得到孔壁土體的承載力、變形性質(zhì)等指標(biāo)[14]。預(yù)鉆旁壓試驗(yàn)可以從土體水平向應(yīng)力、強(qiáng)度特性和地基承載力三個(gè)方面評(píng)價(jià)不同深度土體的工程特性。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 平板載荷試驗(yàn)結(jié)果分析

共進(jìn)行6次淺層平板載荷測(cè)試，分別標(biāo)記為H1～H6，試驗(yàn)點(diǎn)沿渠道壩基軸線呈直線分布，相鄰點(diǎn)之間的距離為50 m。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，由6條P—S曲線可以看出沉降量均有明顯突變的情況，因此按照拐點(diǎn)法確定地基承載力特征值，即取直線段終點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的荷載值為比例界限，該比例界限所對(duì)應(yīng)的荷載值為地基承載力特征值fak，結(jié)果見(jiàn)表2。

經(jīng)過(guò)載荷板壓縮的土層既發(fā)生彈性變形又發(fā)生塑性變形，處于彈性變形階段的荷載與沉降量為線性關(guān)系。借鑒汪稔等[15]利用彈性理論得到的地基土變形模量E0求解方法，公式如下：

E0=ω（1-μ2）p0Bs（1）

式中：p0為P—S曲線比例界限對(duì)應(yīng)的荷載值，kPa;s為P—S曲線比例界限對(duì)應(yīng)的沉降值，mm;B為載荷板寬度，mm;μ為土的泊松比，取μ=0.3;ω為沉降影響系數(shù)，取ω= 0.8。

水平向分布載荷試驗(yàn)得到的變形模量結(jié)果見(jiàn)表2?？梢钥闯鲈诓煌恢玫?個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)處，地基承載力和變形模量有明顯的差距，產(chǎn)生工程性質(zhì)水平分布差異的原因與在不同位置處軟巖的厚度不均勻性有關(guān)。

2.2 預(yù)鉆旁壓試驗(yàn)結(jié)果分析

旁壓變形曲線由初始階段、似彈性階段和塑性階段組成，對(duì)應(yīng)著土體在變形過(guò)程中的3種不同應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。其中：初始階段與似彈性階段的界限由初始?jí)毫0劃分，似彈性階段與塑性階段的界限由臨塑壓力Pf劃分，而塑性階段末端漸近線壓力被稱為極限壓力Pl。圖6是8條不同深度處（埋深6～20 m）的紅層軟巖旁壓曲線，相鄰點(diǎn)之間的間隔為2 m。

根據(jù)前人的研究，由試驗(yàn)得到的地基承載力fak按照臨塑壓力法，由臨塑壓力Pf和初始土壓力P0求差獲得[16]。

fak=Pf-P0（2）

再根據(jù)文獻(xiàn)[17]的研究結(jié)果計(jì)算土體的變形模量E0，公式如下：

E0=αEm（3）

式中：Em為旁壓模量;α為相關(guān)系數(shù)，取1.515。

由預(yù)鉆旁壓試驗(yàn)得到隨深度變化的軟土強(qiáng)度和剛度參數(shù)，見(jiàn)表3。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 原位工程特性的空間分布特征分析

采用平板載荷試驗(yàn)和預(yù)鉆旁壓試驗(yàn)，把該地區(qū)在水平向和垂直向的典型地層作為原位試驗(yàn)點(diǎn)開(kāi)展試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析獲得紅層軟巖的地基承載力和變形模量在一定水平距離和垂直深度范圍內(nèi)的分布存在較大變化，見(jiàn)圖 7。其中，進(jìn)行平板載荷試驗(yàn)的紅層軟巖處于地面表層，進(jìn)行預(yù)鉆旁壓試驗(yàn)的試驗(yàn)點(diǎn)處于鉆孔深度6～20 m的地層。綜合這兩種試驗(yàn)的結(jié)果，對(duì)該地區(qū)第三系紅層軟巖原位工程特性的空間變形性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

從圖7中的承載力特征曲線可以看出在樁號(hào)K166+400和K166+440試驗(yàn)點(diǎn)處的地基承載力特征值分別為327.9 kPa和392.1 kPa，從變形模量曲線可以看出在K166+400和K166+440試驗(yàn)點(diǎn)處的變形模量分別為5.21 MPa和5.30 MPa，說(shuō)明該處的地基承載力和變形特性較差。結(jié)合地質(zhì)勘探資料可知K166+400和K166+440試驗(yàn)點(diǎn)處紅層軟巖厚度較小，下臥白云質(zhì)灰?guī)r軟弱夾層，導(dǎo)致該處巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)較差。隨試驗(yàn)點(diǎn)的樁號(hào)增大，紅層軟巖厚度逐漸變厚，地基承載力有明顯增大趨勢(shì)，在K166+500 和K166+495 試驗(yàn)點(diǎn)的地基承載力比樁號(hào) K166+400 處的地基承載力分別提高了60%和 66%，變形模量分別提高了56%和 63%。而樁號(hào)K166+520處的紅層軟巖厚度突減，其地基承載力特征值和變形模量也出現(xiàn)大幅降低。說(shuō)明紅層軟巖在分布厚度與水平向的不均勻性，使得紅層軟巖地層的承載力和變形模量具有較大差異。

從圖8發(fā)現(xiàn)在紅層軟巖地層中，垂直向承載力和變形模量隨深度呈增大趨勢(shì)，其原因是在試驗(yàn)深度范圍內(nèi)的軟巖地層中， 在上覆荷載作用下，不同深度的地層應(yīng)力狀態(tài)不同，深部地層的固結(jié)程度較好，從而提高地基承載力和變形特性。土層地基承載力特征值的均值fakm=758 kPa，變形模量的均值Em=10.1 MPa。從圖中可以看出地基承載力特征值和變形模量與深度成明顯的線性關(guān)系。圖中地基承載力特征值與變形模量的確定性系數(shù)都達(dá)到了0.92以上，說(shuō)明地基承載力特征值與深度有較好的線性相關(guān)性，可以用線性公式對(duì)各深度的紅層軟巖地基承載力特征值和變形模量值進(jìn)行預(yù)測(cè)。

fak（x）=24.450x+414.409（4）

E0（x）=0.904x+1.935（5）

式中：x為地層的深度，m;fak（x）為x深度下地層的承載力特征值，kPa;E0（x）為x深度下地層的變形模量，MPa。

式（4）和式（5）的線性擬合效果均比較好，確定性系數(shù)分別為0.954 5和0.926 5。從地層風(fēng)化程度和應(yīng)力狀態(tài)的角度可以解釋這種差異性，載荷試驗(yàn)在地表進(jìn)行，得到的是地表紅層軟巖的變形模量、地基承載力，而旁壓試驗(yàn)所測(cè)試的是埋深6 m以下的紅層軟巖的變形模量、地基承載力。由于風(fēng)化的作用使得地表巖體的結(jié)構(gòu)相對(duì)深層巖體更為松散，深層巖體受到地應(yīng)力的作用，其力學(xué)性質(zhì)與地層埋深成正相關(guān)關(guān)系，因此通過(guò)平板載荷試驗(yàn)得到的變形模量、地基承載力比旁壓試驗(yàn)得到的結(jié)果小。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果的工程意義

本文的試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明柴家峽水利樞紐的紅層軟巖在水平向和垂直向的不均勻性對(duì)該地層的工程特性具有較大影響。紅層軟巖主要分布在峽谷、山坡和盆地等地質(zhì)環(huán)境中，常有在幾十米范圍內(nèi)分布厚度相差十米的獨(dú)特現(xiàn)象[18]。其橫向的分布厚度變化很大，力學(xué)行為受原始地貌與下伏基巖起伏的影響很顯著，導(dǎo)致巖體表現(xiàn)出的工程特性也存在很大差異。

基于這種特殊現(xiàn)象，本文采用原位測(cè)試手段定量評(píng)價(jià)了柴家峽紅層軟巖承載力和變形參數(shù)空間分布的規(guī)律，揭示了紅層軟巖分布地區(qū)的工程特性的空間變異性特點(diǎn)。當(dāng)跨度較大的水利樞紐構(gòu)筑物布置在紅層軟巖地段時(shí)，地基常會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開(kāi)裂等嚴(yán)重病害。在實(shí)際工程中，地基承載力特征值和變形模量是兩個(gè)重要的工程設(shè)計(jì)參數(shù)，直接決定了邊坡、壩基等工程安全系數(shù)的選取，考慮工程特性的空間變異性有利于防止地基的不均勻沉降。因此，本文的研究方法不僅為柴家峽水利樞紐的工程設(shè)計(jì)參數(shù)選取提供重要依據(jù)，也為其他相關(guān)地層原位測(cè)試方案的制定提供參考。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）以柴家峽紅層軟巖地層為研究對(duì)象，分析了地基承載力特征值和變形模量的空間分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)承載力和變形特性在水平向較小范圍內(nèi)有較大幅度的變化，在垂直向的承載力和變形模量隨深度增加有增大趨勢(shì)。

（2）根據(jù)預(yù)鉆旁壓試驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)一定深度范圍內(nèi)的承載力和變形模量提出了較簡(jiǎn)便的擬合計(jì)算公式，在實(shí)踐工程中，對(duì)確定不同深度的承載力和變形模量具有一定參考價(jià)值。

（3）平板載荷試驗(yàn)比預(yù)鉆旁壓試驗(yàn)得到的變形模量和地基承載力明顯偏小，這是因?yàn)轱L(fēng)化和地應(yīng)力的作用使得地表巖體的結(jié)構(gòu)相對(duì)深層巖體更為松散，應(yīng)力狀態(tài)也有所差異。

（4）紅層軟巖地層具有相當(dāng)明顯的水平不均勻性和垂直分層性，試驗(yàn)測(cè)得地基承載力和變形模量在較小的范圍內(nèi)有較大程度的變化。因此，在紅層軟巖地區(qū)進(jìn)行大跨度水利樞紐的構(gòu)筑物建設(shè)時(shí)，應(yīng)注意其不同空間位置處的工程設(shè)計(jì)參數(shù)，以防止地基的不均勻沉降。

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【責(zé)任編輯 崔瀟菡】

收稿日期：2018-12-05

基金項(xiàng)目：四川省科技廳科技項(xiàng)目（2014JY0254）

作者簡(jiǎn)介：楊春景（1981—），男，河北唐山人，講師，碩士研究生，研究方向?yàn)榈鼗幚硇录夹g(shù)、建筑材料實(shí)驗(yàn)與檢測(cè)技術(shù)等

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