西南地區(qū)覆蓋層深部黏土物理力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)研究

羅 欣， 孫 睿 達(dá)， 王 曉 龍

(1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072；2.四川大學(xué)，四川 成都 610064)

1 概 述

我國(guó)西南地區(qū)大部分河流河床中普遍存在深厚覆蓋層[1]。大渡河、岷江、金沙江及雅魯藏布江在正常的河流沉積厚度基礎(chǔ)上，由地殼抬升、冰川運(yùn)動(dòng)、滑坡淤堵、泥石流等內(nèi)外力地質(zhì)作用導(dǎo)致河谷深切造成的上覆深厚覆蓋層現(xiàn)象更為顯著，在世界范圍內(nèi)都具代表性和典型性。

隨著“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出，能源行業(yè)持續(xù)快速發(fā)展和深刻變革?！八L(fēng)光互補(bǔ)”“抽水蓄能”“水電改造”等相關(guān)概念的工程將逐步實(shí)施，這些工程建設(shè)過程中仍會(huì)不可避免地遇到覆蓋層地基問題[2]。

在水電工程建設(shè)實(shí)踐中，專門針對(duì)覆蓋層黏土特別是覆蓋層深部黏土布置的勘探及試驗(yàn)工作量有限，覆蓋層黏土物理力學(xué)參數(shù)系統(tǒng)性研究通常受制于基礎(chǔ)試驗(yàn)資料。得益于在工程實(shí)踐中積累的西南地區(qū)大量河床勘探的第一手資料，研究深部覆蓋層有了良好的條件和基礎(chǔ)。

重點(diǎn)關(guān)注經(jīng)歷較長(zhǎng)歷時(shí)的水力搬運(yùn)、沖刷、浸泡、靜水沉積以及上覆荷重等外力作用后的深部黏土，結(jié)合施工階段深溪溝、長(zhǎng)河壩和猴子巖等深厚覆蓋層深基坑的開挖對(duì)深部原生狀態(tài)覆蓋層物理力學(xué)試驗(yàn)研究成果，并依托瀘定、硬梁包、ML工程等大型水電工程，搜集大渡河、雅魯藏布江等跨流域的覆蓋層勘探試驗(yàn)資料，梳理、匯總了其20 m以下黏性土的鉆孔成果，對(duì)覆蓋層深部黏土的物理性質(zhì)以及相關(guān)指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)、力學(xué)性質(zhì)的宏觀表現(xiàn)特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

2 深部黏土基本物理性質(zhì)

2.1 基本物理性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

深部黏性土典型斷面見圖1。共收集覆蓋層深部黏土物理性質(zhì)試驗(yàn)成果144組，按照干密度、含水率、孔隙比、液塑限、塑性指數(shù)、比重及顆粒級(jí)配特征含量等物理性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)分析。黏土物理性質(zhì)統(tǒng)計(jì)成果見表1，深部黏性干密度值分布圖和深部黏土黏粒含量占比分布圖見圖2、3。

圖1 深部黏性土典型斷面

圖2 深部黏性干密度值分布圖

圖3 深部黏土黏粒含量占比分布圖

表1 覆蓋層深部黏土物理性質(zhì)成果統(tǒng)計(jì)表

由統(tǒng)計(jì)成果可知，深部黏土干密度為1.38 ～1.71 g/cm3，平均值為1.55 g/cm3。干密度值1.50 ～1.60 g/cm3，占統(tǒng)計(jì)組數(shù)的近60%。液限21.0%～51.0%，平均值為33.2%。塑限10.5%～30.0%，平均值為19.1%。塑性指數(shù)8.0～24.0，平均值為14.1。黏粒含量6.0%～56.5%，平均值為24.7%。黏粒含量15%～30%，占統(tǒng)計(jì)組數(shù)的近一半。

2.2 深部黏土的塑性

液、塑限是反映黏性土具不同軟硬狀態(tài)或稀稠狀態(tài)的重要含水率界限指標(biāo)，目前試驗(yàn)室常用光電式液、塑限測(cè)定儀測(cè)定[3]。整理了覆蓋層深部黏土的液、塑限Wp關(guān)系見圖4，并擬合了兩項(xiàng)指標(biāo)的相關(guān)性，二者相關(guān)系數(shù)R達(dá)到了0.95，表明其良好的線性關(guān)系，見式1。

Wp=0.54WL+ 1.27

(1)

卡薩格蘭德在提出塑性圖時(shí)，曾強(qiáng)調(diào)指出：同一地區(qū)、同一成因的土，在塑性圖上大體占據(jù)著與A線相平行的位置，沿A線呈條帶狀分布[4]。將

圖4 液限WL～塑限WP關(guān)系

西南地區(qū)覆蓋層深部黏土的液限WL～塑性指數(shù)IP數(shù)據(jù)資料放于塑料圖上，同樣印證了這樣的規(guī)律性，液限WL～塑性指數(shù)IP關(guān)系見圖5。

圖5 液限WL～塑性指數(shù)IP關(guān)系

黏性土的塑性可以用吸著水理論來解釋，若要使土具有塑性，需要在土顆粒外保持一定厚度的吸著水膜并在顆粒間主要通過公共吸著水膜連接[5]。土顆粒減小時(shí)比表面積增大，小到一定程度，土顆粒對(duì)水的親和性就在宏觀上體現(xiàn)出土的黏性。從宏觀上判斷，黏粒含量的多少直接影響土的黏性。

塑性指數(shù)綜合反映土顆粒的大小、礦物成分、土顆粒表面與結(jié)合水相互作用，是土塑性的定量指標(biāo)。繪制了黏粒含量P<0.005與塑性指數(shù)IP關(guān)系圖。黏粒含量與塑性指數(shù)呈明顯的正相關(guān)性，且不同黏粒含量對(duì)應(yīng)的塑性指數(shù)在圖上呈線性平行條帶分布(圖6)。表明西南地區(qū)覆蓋層深部黏土因成因相似，其塑性指數(shù)的變化區(qū)間相對(duì)穩(wěn)定。

圖6 黏粒含量P<0.005～塑性指數(shù)IP關(guān)系

3 深部黏土力學(xué)性質(zhì)

3.1 常規(guī)力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

共收集覆蓋層深部黏土常規(guī)力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果44組，試驗(yàn)控制干密度為1.45～1.65 g/cm3，平均值為1.56 g/cm3。控制含水率為7.2%～36.7%，平均值為18.5%。按常規(guī)力學(xué)性試驗(yàn)項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)了壓縮系數(shù)、壓縮模量、滲透系數(shù)、飽和固結(jié)快剪下的強(qiáng)度指標(biāo)。黏土力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果見表2。

表2 覆蓋層深部黏土力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表

3.2 深部黏土的壓縮性

據(jù)統(tǒng)計(jì)，壓縮系數(shù)av0.1～0.2=0.095～0.48 MPa-1，平均值為0.22 MPa-1。av0.1～0.2=0.102～0.48 MPa-142組，占統(tǒng)計(jì)組數(shù)的近95%。0.1～0.2 MPa壓力下壓縮模量Es0.1～0.2=4.0 MPa～18.0 MPa，平均值為9.0 MPa，壓縮模量Es0.1～0.2<4 MPa，2組，占統(tǒng)計(jì)組數(shù)的近5%。壓縮模量Es0.1～0.2=4.0～15.0 MPa，38組，占統(tǒng)計(jì)組數(shù)的近86%。Es0.1～0.2>15 MPa，4組，占統(tǒng)計(jì)組數(shù)的近9%。表明覆蓋層深部黏土具中～低壓縮性，黏性土壓縮性(按Es劃分)分布圖見圖7。

圖7 黏性土壓縮性(按Es劃分)分布圖

3.3 深部黏土的滲透特性

據(jù)統(tǒng)計(jì)，滲透系數(shù)為k20=1.6×10-4cm/s～2.6×10-7cm/s，平均值為3.0×10-5cm/s，滲透系數(shù)為k20=10-4cm/s～10-5cm/s，弱透水的19組，占統(tǒng)計(jì)組數(shù)的近43%。滲透系數(shù)為k20=10-5cm/s～1×10-6cm/s，微透水的14組，占統(tǒng)計(jì)組數(shù)的近32%。滲透系數(shù)為k20<1×10-6cm/s，極微透水的6組，占統(tǒng)計(jì)組數(shù)的近14%。表明覆蓋層深部黏土具弱～極微透水性，黏性土滲透系數(shù)占比分布圖見圖8。

圖8 黏性土滲透系數(shù)占比分布圖

3.4 深部黏土的強(qiáng)度特性

據(jù)統(tǒng)計(jì)，飽和固結(jié)快剪強(qiáng)度C=8～28 kPa，平均值為14 kPa。φ=16.6°～29.0°，平均值為24.4°。其中φ=22°～25.0°， 22組，占統(tǒng)計(jì)組數(shù)的近50%，φ=25°～29.0°，20組，占統(tǒng)計(jì)組數(shù)的近45%。表明覆蓋層深部黏土具中～低抗剪強(qiáng)度。

4 結(jié) 語

依托長(zhǎng)河壩、猴子巖、瀘定、硬梁包、ML工程等大型水電工程，搜集、整理了西南地區(qū)跨流域的覆蓋層勘探試驗(yàn)資料，統(tǒng)計(jì)分析了覆蓋層深部黏土的物理力學(xué)性質(zhì)以及相關(guān)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)。

統(tǒng)計(jì)分析成果表明：盡管西南地區(qū)跨流域的覆蓋層深部黏土在礦物成分、顆粒組份等存在差異，由于其形成原因的相似性(較長(zhǎng)歷時(shí)的水力搬運(yùn)、沖刷、浸泡、靜水沉積以及上覆荷重等外力作用)，深部黏土在可塑性、常規(guī)的壓縮、滲透、強(qiáng)度等特性方面呈現(xiàn)出一定的相似性。深部黏性土大部分具中～低壓縮性、弱～極微透水與中～低抗剪強(qiáng)度的工程性質(zhì)。提出的物理力學(xué)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值可為后續(xù)相關(guān)工程地質(zhì)評(píng)價(jià)或基礎(chǔ)處理提供一定參考。