大寧水庫水下第三系黏土巖地基承載力分析

趙志江 范子訓

摘要：針對水下第三系黏土巖地基承載力評價存在的問題，以大寧水庫地區新建泵站為案例，采用土、巖分類對比試驗方法，分析水下第三系黏土巖的力學性質和物理力學指標，并通過原位測試、波速測試、旁壓試驗等多種手段對黏土巖的地基承載力進行了綜合分析，并利用波速一旁壓聯合測試法定量分析評價黏土巖的地基承載力。結果表明：第三系黏土巖具有明顯的土巖二象性，其含水率對土體的力學性質影響較大而對巖體的力學性質影響相對較?。簡为毑捎门詨涸囼灧ㄓ嬎沭ね翈r地基承載力特征值為未經過開挖卸荷和擾動的巖體承載力，其結果大于天然巖體的承載力特征值：剪切波速試驗和波速一旁壓聯合測試求得的承載力較為符合實際情況，波速一旁壓聯合測試法可以作為原位測試的理論參考，定量評價地基承裁力。

關鍵詞：黏土巖；承載力；土巖二象性；波速一旁壓聯合測試；大寧水庫

中圖分類號：TU471.6

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.025

大寧水庫是南水北調中線進京的調蓄水庫，為了保證北京市西部地區供水安全，現擬在大寧水庫中堤外側建一泵站，泵站基礎持力層位于第三系黏土巖之上，且同時位于水面以下。由于第三系黏土巖屬半成巖，且受水的影響較大，因此黏土巖承載力的確定對地基處理方案的合理選擇和設計有較大影響。

由于勘察期間受場區條件限制無法進行原位載荷試驗，相關規范也缺少對黏土巖的專項評價，因此第三系黏土巖的地基承載力確定是一個難題。本文充分考慮該場區黏土巖半成巖的特性，分別對其按土體和巖體進行試驗，以期發現其中的聯系。同時開展了多種原位測試方法，對黏土巖開展剪切波速測試、壓縮波速測試和旁壓試驗，并結合目前國內其他地區對類似巖體已進行的研究，利用波速一旁壓聯合測試法綜合分析黏土巖的物理力學性質。

1 場區工程地質概況

新建泵站位于大寧水庫中堤外側。大寧水庫庫區橫跨小清河及永定河兩水系，庫區西側為小清河故道，東側為永定河河道：庫區左岸為永定河人工填筑西堤，右岸為中堤。泵站場區由東至西微地貌單元分別為庫岸—岸坡—庫底，現狀庫岸高程一般為54～58m，庫底高程一般為38～45m。2009年大寧水庫庫區清理前庫底為亂掘砂石坑，后經平整改造后地形有改善?？辈炱陂g水庫水深為7～15m。

工程區分布的主要地層巖性：表層為人工堆積層，其下為第四系卵石沉積層和第三系巖層。設計泵站基礎持力層為第三系黏土巖，且黏土巖位于庫水位以下。由于第三系黏土巖屬于軟巖，成巖時間短，強度低，巖、土性質并存，在卸荷條件下或開挖暴露后受環境條件（特別是水環境）的影響，其工程地質性質容易發生變化。因此，黏土巖承載力的確定是該工程最重要的問題。

2 黏土巖的土巖二象性

2.1 取樣與試驗結果

場區第三系沉積的黏土巖膠結中等一差，含少量云母及中粗砂粒，局部含少量礫石。鉆探取樣較困難、鉆進效率較低，需使用旋轉鉆機泥漿護壁鉆進。從鉆探取芯和手觸的情況判斷，黏土巖均為半膠結狀態。巖芯天然狀態下處于堅硬狀態，但在暴露狀態和干濕交替環境中會產生隨外界濕度變化的膨脹和收縮崩解。

黏土巖成巖時間短、膠結較差，鉆孔取得的樣品已經過圍壓釋放、機械振動，利用室內試驗取得的物理力學指標與天然狀態的有較大差異，部分巖樣具有巖石性質，而部分巖樣具有土體性質，整體取樣具明顯的土巖二象性。為更加準確地提供泵站基礎持力層黏土巖的地基承載力，本次對泵站基礎持力層附近的黏土巖分別依據《土工試驗方法標準》和《工程巖體試驗方法標準》進行了含水率試驗、顆粒密度試驗、固結試驗、天然單軸抗壓強度試驗。其中取9組樣品進行土工試驗，取13組樣品進行巖體試驗，試驗結果見表1和表2。

2.2 物理力學指標的對比與分析

由試驗結果對比可知，土工試驗和巖體試驗所得的天然含水率和天然密度均較接近，且天然密度與壓縮模量、天然單軸抗壓強度有正相關關系（見圖1、圖2）。

作為土體另一重要指標的含水率卻與壓縮模量成負相關關系，與天然單軸抗壓強度相關性較差，天然單軸抗壓強度隨含水率的改變變化不大（見圖3和圖4）。

由上述試驗數據可知，土體試驗得到的黏土巖壓縮模量受天然密度和含水率影響較大：巖體試驗得到的黏土巖天然單軸抗壓強度受天然密度影響較大。一般泥質巖具有較強的水理性，干、濕循環作用后礦物顆粒排列方式改變和脹縮過程中微裂隙萌生、發展的能量耗散會導致泥質巖的脹縮變形不完全可逆。而本次試驗的黏土巖由于成巖時間較短，因此其巖體天然單軸抗壓強度幾乎不受含水率的影響，主要呈現為普通的巖體性質。

綜合分析可知，第三系黏土巖同時具有土和巖的雙重特性，土工試驗結果和巖石試驗結果均可以反映出該巖體一定的物理力學性質，但又都難以全面準確地反映出第三系黏土巖天然狀態下的物理力學性質。含水率對土體力學性質影響較大而對巖體力學性質影響較小。

3 波速一旁壓聯合測試的應用

由于巖基載荷試驗受試驗條件制約而難以普及，因此工程實踐中更多地依賴于巖石抗壓試驗。軟巖具有一些特殊物理力學性質，其承載力的確定有別于土和硬巖，且室內試驗的影響因素較多，與原位試驗結果差距很大，難以客觀評價其承載能力。因此，場區同時對黏土巖進行了橫波、縱波測試并開展了旁壓試驗來確定黏土巖的承載力。

3.1 波速測試結果

巖體的剪切波速綜合反映了巖石的強度和巖體的完整性，與地基承載力相關性密切，測試技術成熟，積累了較多經驗，可作為巖土分級和估計地基承載力的指標，見表3。

本次對持力層的黏土巖開展了孔內剪切波速和壓縮波速測試，試驗統計結果見表4。

3.2 旁壓測試結果

預鉆式旁壓試驗是通過旁壓器在預先打好的鉆孔中對孔壁施加橫向壓力，使土體產生徑向變形，利用儀器量測壓力與變形的關系，測求地基土的力學參數。本次旁壓試驗設備主要由旁壓器、壓力體積控制器、高壓氣瓶三部分組成，該工程旁壓試驗采用法國路易斯·梅納爾公司研制的GA-NX型預鉆式三腔旁壓儀。

本次在場區3個鉆孔內不同層位共進行了5個試驗點的旁壓試驗。除1個試驗點因成孔壓力不夠而沒有獲得完整曲線外，其余試驗點均取得了可靠的測試曲線。對旁壓試驗現場采集的數據進行分析計算（繪制P-V曲線，確定旁壓初始壓力、旁壓臨塑壓力、旁壓極限壓力、旁壓剪切模量），結果見表5。

3.3 波速一旁壓聯合測試結果

波速一旁壓聯合測試在軟巖中的應用已有大量的文獻可以參考，參考其他地區軟巖的經驗參數，得出該工程黏土巖壓縮波、臨塑壓力與巖石抗壓強度的關系如下：式中：Pf為臨塑壓力；Vp為壓縮波速；R0為黏土巖的抗壓強度。

可見，該工程黏土巖的壓縮波速v約為1000m/s，計算得到黏土巖的抗壓強度R0=2313kPa。

4 地基承載力綜合分析

根據黏土巖的物理力學試驗指標進行分析和統計。在物理力學指標統計過程中，首先剔除了離散性較大的異常數值，然后計算出其平均值和變異系數（見表6）。

4.1 土工試驗法

結合試驗結果，將黏土巖按一般第四系黏性土考慮時，依據《北京地區建筑地基基礎勘察設計規范》引，黏土巖地基承載力標準值fka為240kPa。

4.2 巖體試驗法

將黏土巖按巖石基礎考慮時，依據《建筑地基基礎設計規范》，巖石地基承載力特征值計算公式為式中：ψr為折減系數，對于較完整浸水黏土巖，其取0.2；ψ為修正統計系數；f0為巖石地基承載力特征值；frk為巖石單軸飽和抗壓強度；frm為巖石飽和單軸抗壓強度平均值：δ為變異系數；n為樣本個數。

由上述公式計算可得黏土巖地基承載力特征值fa為47kPa。

4.3 波速試驗法

由表4可知，黏土巖的剪切波速約為500m/s，依據剪切波試驗成果，對應黏土巖承載力特征值為400kPa。

4.4 旁壓試驗法

依據《工程地質手冊》，利用旁壓試驗特征值計算地基土承載力。臨塑荷載法公式為極限荷載法公式為式中：fka為地基承載力特征值；Fs為安全系數，這里取2。

臨塑荷載法、極限荷載法計算得到的地基承載力見表7。

按照旁壓試驗法計算黏土巖地基承載力特征值fka約為3685kPa。

4.5 波速一旁壓聯合測試法

在含水率相差很小的條件下，巖樣的力學參數主要受巖石特性的影響，均勻巖樣的力學參數基本一致，相差很小。場區黏土巖在確保施工期間及建筑物使用后不遭水浸泡時，可不進行飽和處理。故可將由波速一旁壓聯合測試法求得的黏土巖的抗壓強度R。視為frk：

計算可得黏土巖地基承載力特征值fka為463kPa。

4.6 對比分析

由不同方法求得的地基承載力特征值：將黏土巖按一般黏性土考慮時，地基承載力特征值為240kPa；按浸水巖體考慮時，地基承載力特征值為47kPa；按波速試驗結果確定時，其特征值為400kPa；按旁壓試驗結果確定時，其特征值為3685kPa；按波速一旁壓聯合測試法確定時，其特征值為463kPa。

去掉最大值和最小值后求得平均值為368kPa。對于工程設計，第三系的黏土巖地基承載力應在300～400kPa范圍內選取較為合適。工程施工將泵站基礎開挖至黏土巖后，對場區地基選取了4個試驗點進行平板載荷試驗，試驗結果表明場區黏土巖天然地基承載力特征值均可達到400kPa。

黏土巖成巖時代為第三系，沉降時間相比第四系更長，故將黏土巖視為黏性土，利用壓縮模量計算的承載力偏小。同理，相比其他巖石，黏土巖僅為半成巖，若將其完全按巖體考慮，其承載力理論計算結果遠遠小于實際承載力。

按照旁壓試驗法計算是以側壁壓裂的原理來計算黏土巖的地基承載力特征值，與巖體實際破壞原理差異性較大，故其計算結果遠遠大于實際承載力。

剪切波速試驗和波速一旁壓聯合測試求得的承載力較為接近且比較符合實際情況。但是波速一旁壓聯合測試法計算過程中參數選取較多，人為干預較大，同時在實際操作過程中人力物力投入較大，相比剪切波速法可操作性較差。

波速一旁壓聯合測試法是直接針對黏土巖進行的原位測試，可以反映巖體強度與聲波的相關關系，間接獲取巖體的強度參數和變形參數，可以彌補原位測試的缺失，為其他難以進行原位載荷試驗的場區地基承載力提供理論參考。

因此，第三系黏土巖地基承載力的確定，需通過多種方法綜合分析，針對設計條件和場地條件選取合理的承載力特征值。建議對地質條件復雜且無法開展現場載荷試驗的黏土巖地基場區運用波速一旁壓聯合測試方法確定地基承載力。

5 結論

（1）第三系黏土巖成巖時間短，具有明顯的土巖二象性，但其含水率對土體的力學性質影響較大而對巖體的力學性質影響相對較小。

（2）旁壓試驗法計算黏土巖地基承載力特征值為未經過開挖卸荷和擾動的巖體承載力，其結果大于天然巖體的承載力特征值。

（3）剪切波速試驗和波速一旁壓聯合測試求得的承載力較為符合實際情況。在工程應用中剪切波速測試更易于操作，波速一旁壓聯合測試法則可作為原位測試的理論參考。

（4）建議對地質條件復雜且無法開展現場載荷試驗的黏土巖地基場區運用波速一旁壓聯合測試方法確定地基承載力。

（5）地基承載力是工程勘察所需提供的基礎數據，目前已有較多的評價方法和標準。但是隨著工程技術的發展，需要針對更多不同的特殊巖土進行精確評價，因此在未來的勘察工作中需采取更多的手段來評價場地的地基承載力。