全強(qiáng)風(fēng)化礦物飽水狀態(tài)下變形模量原位試驗(yàn)研究

羅啟迅，王曉龍，于新凱

（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 610065）

旁壓試驗(yàn)?zāi)茉谕猎瓉?lái)所處的位置保持土的天然結(jié)構(gòu)和天然應(yīng)力狀態(tài)測(cè)定土的性能，是行之有效的原位測(cè)試手段。載荷試驗(yàn)?zāi)苤庇^模擬礦山工程施工對(duì)地層的作用，被認(rèn)為最直接的承載力和變形模量測(cè)試方法[1]。變形試驗(yàn)通過(guò)循環(huán)加載方式[2]，考慮了地層回彈作用，是載荷試驗(yàn)的印證和補(bǔ)充。

對(duì)于中小型水庫(kù)，出于經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的考慮，往往不會(huì)全部清除覆蓋層[3]。這就需要考慮覆蓋層的強(qiáng)度和變形情況，對(duì)于強(qiáng)風(fēng)化礦物還需要考慮其遇水軟化的特性。本文在探洞內(nèi)對(duì)不同深度的飽水48h的全強(qiáng)風(fēng)化礦物進(jìn)行了載荷試驗(yàn)和變形試驗(yàn)，并在其附近的試驗(yàn)孔內(nèi)對(duì)應(yīng)深度進(jìn)行了旁壓試驗(yàn)。本文分析了不同風(fēng)化程度礦物的變形指標(biāo)，提出了飽水狀態(tài)下由旁壓剪切模量推求礦物變形模量的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

1 地質(zhì)體基本特性

1.1 礦物成分

對(duì)弱風(fēng)化的礦石進(jìn)行磨片鑒定，磨片礦物鏡下照片見(jiàn)圖1。鏡下礦石具有中-粗粒結(jié)構(gòu)。礦石呈淺灰色，具中粗粒粒狀結(jié)構(gòu)，碎裂結(jié)構(gòu)，略見(jiàn)定向構(gòu)造（表現(xiàn)為長(zhǎng)英質(zhì)組分的定向），裂隙較為發(fā)育。礦石中主要組分為長(zhǎng)石（約＞65%）：灰白色略帶淡黃綠色，＜5mm，少數(shù)光澤暗淡呈土狀；石英（約30%），煙灰色，集合體粒度可達(dá)12mm，油脂光澤，有破碎；礦石中基本無(wú)暗色礦物，但含少量黃綠色簾石或粘土礦物粉末。

1.2 物理性質(zhì)

按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237-1999）[4]對(duì)試驗(yàn)位置的土體進(jìn)行了密度、含水率、界限含水率、比重和顆分試驗(yàn)，試驗(yàn)成果見(jiàn)表1～表2和圖2。EPD07-3(⊥)為強(qiáng)風(fēng)化地質(zhì)礦物，未進(jìn)行顆分試驗(yàn)，其物性指標(biāo)為試驗(yàn)點(diǎn)的指標(biāo)。EPD07-1(⊥)和EPD07-2(⊥)均定名為粘土質(zhì)礫。

圖1 原礦的磨片礦物鏡下照片

從表中可以看到隨著試驗(yàn)點(diǎn)位置的深入，土體的干密度、濕密度、細(xì)粒含量和比重增大；土體的孔隙比、含水率（吸水率）、液限、塑限、塑性指數(shù)和不均勻系數(shù)減小。這是由于表層礦體的風(fēng)化程度強(qiáng)，發(fā)生的物理化學(xué)變化更激烈，其細(xì)粒和黏土礦物含量更高，相應(yīng)的保水能力、液塑限和不均勻系數(shù)就會(huì)大于深層土體。而深部層的礦石較為完整，原生礦物和粗粒含量多，其密度和比重等指標(biāo)大于表層土體。

圖2 試驗(yàn)地質(zhì)樣品的顆分曲線

2 原位試驗(yàn)

按照表3所示方案，進(jìn)行了原位試驗(yàn)，EPD07-1(⊥)靠近地表未進(jìn)行變形試驗(yàn)。

2.1 載荷試驗(yàn)

在勘探洞內(nèi)進(jìn)行載荷試驗(yàn)，將洞頂加工平整后，使用高強(qiáng)水泥將反力背板粘在洞頂，從而利用洞頂提供反力。反力背板下依次為傳力軸，千斤頂，承壓板。在承壓板上安置百分表，千斤頂與油泵相連接。使用油泵控制千斤頂提供集中力的方式加載，檢測(cè)荷載逐級(jí)施加，一次卸載，三組載荷試驗(yàn)均加載至比例極限后2級(jí)。

表1 試驗(yàn)土體物理性質(zhì)

表2 試驗(yàn)地質(zhì)樣品顆粒級(jí)配組成

表3 原位試驗(yàn)方案

表4 載荷試驗(yàn)成果

對(duì)礦物的飽水48h后進(jìn)行載荷試驗(yàn)，成果見(jiàn)表4、圖3～圖5，成果表明：試驗(yàn)礦物的承載力基本值為1080kPa～2000kPa，變形模量為13.4MPa～49.7Mpa。隨試驗(yàn)深度增加，承載力基本值和變形模量增大，比例極限相應(yīng)變形量減小。

這與試驗(yàn)土體的物性指標(biāo)有良好的一致性，風(fēng)化嚴(yán)重的地質(zhì)體更松散，更易破碎，其承載力和變形模量小，比例極限對(duì)應(yīng)的變形量更大。

2.2 變形試驗(yàn)

在勘探洞內(nèi)進(jìn)行載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置與載荷試驗(yàn)相同。采用剛性承壓板法，分五級(jí)加壓，采用逐級(jí)一次循環(huán)法。對(duì)礦物樣品飽水48h后進(jìn)行變形試驗(yàn)，成果見(jiàn)表5和成果表明：割線模量為25.6kPa～43.2kPa，包絡(luò)線模量為21.6MPa～40.1MPa。變形試驗(yàn)的模量與載荷試驗(yàn)的模量較吻合。深層礦物樣品的變形模量大于表層土體，也與載荷試驗(yàn)一直。

2.3 旁壓試驗(yàn)

旁壓試驗(yàn)實(shí)質(zhì)是原位橫向載荷試驗(yàn)，由法國(guó)工程師梅納(Louis Ménard)發(fā)明于1957年。其原理是將圓柱形旁壓器豎直放入土中，利用旁壓器擴(kuò)張對(duì)周圍地層礦物施加均勻壓力，量測(cè)壓力和徑向變形關(guān)系來(lái)獲取地質(zhì)礦物在水平方向的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[5]。其試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力條件接近于圓柱孔穴擴(kuò)張課題。本試驗(yàn)采用PY-2型預(yù)鉆式旁壓儀，三腔式旁壓器公稱外徑φ90mm，試驗(yàn)預(yù)鉆孔徑φ94mm。

壩址覆蓋層殘積礦物鉆孔旁壓成果見(jiàn)表6和圖8～圖10，成果表明：地層承載力基本值為830kPa～1940kPa；旁壓模量為10.77MPa～40.16MPa；旁壓剪切模量為4.24MPa～16.73MPa。與載荷和變形試驗(yàn)成果一致，旁壓試驗(yàn)獲得的強(qiáng)度和變形參數(shù)，也隨著試驗(yàn)深度的增大而增大。

表5 礦物變形試驗(yàn)成果匯總表

表6 旁壓試驗(yàn)成果

圖3 EPD07-1(⊥)載荷試驗(yàn)壓力～沉降曲線

圖4 EPD07-2(⊥)載荷試驗(yàn)壓力～沉降曲線

圖5 EPD07-3(⊥)載荷試驗(yàn)壓力～沉降曲線

2.4 變形模量

《工程地質(zhì)手冊(cè)》推薦使用以下公式推求土體的變形模量：

式中：E0為變形模量，MPa；Gm為旁壓剪切模量，MPa；k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，對(duì)于礫砂取11。

從表4和表6中可以看到旁壓試驗(yàn)獲得的承載力基本值與載荷時(shí)候獲得的較為接近，二者有良好的一致性。但旁壓試驗(yàn)獲得的承載力基本值普遍略小于載荷，主要是由于載荷試驗(yàn)在平面上進(jìn)行，而旁壓試驗(yàn)在孔內(nèi)進(jìn)行，存在應(yīng)力集中的影響。

旁壓剪切模量與載荷變形模量關(guān)系如表7所示，表中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)均接近3。而《工程地質(zhì)手冊(cè)》推薦的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)k=11，兩者差距巨大。導(dǎo)致差異的主要原因是本次載荷試驗(yàn)是在飽水48h的狀態(tài)下進(jìn)行的，而《工程地質(zhì)手冊(cè)》的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)是針對(duì)天然狀態(tài)的土體（載荷試驗(yàn)一般均在干地條件下進(jìn)行）。由此可見(jiàn)，含水率的變化對(duì)全強(qiáng)風(fēng)化礦物的變形指標(biāo)有巨大影響，對(duì)于飽和狀態(tài)的地質(zhì)體不能直接套用工程地質(zhì)手冊(cè)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，應(yīng)以載荷試驗(yàn)成果為準(zhǔn)。

表7 旁壓剪切模量與變形模量關(guān)系表

3 結(jié)論

（1）對(duì)全強(qiáng)風(fēng)化礦物的物性試驗(yàn)、載荷試驗(yàn)、變形試驗(yàn)和旁壓試驗(yàn)成果之間有良好的一致性和自洽性。試驗(yàn)成果表明：隨著風(fēng)化程度的減弱，土體的密度、比重、細(xì)粒含量、變形和強(qiáng)度指標(biāo)增大，而土的孔隙比、含水率、液塑限和不均勻系數(shù)減小。

圖6 EPD07-2(⊥)變形試驗(yàn)壓力～變形曲線

圖7 EPD07-3(⊥)變形試驗(yàn)壓力～變形曲線

圖8 EPD07-1(⊥)旁壓試驗(yàn)曲線

圖9 EPD07-2(⊥)旁壓試驗(yàn)曲線

圖10 EPD07-3(⊥)旁壓試驗(yàn)曲線

（2）旁壓試驗(yàn)獲得的承載力基本值與載荷試驗(yàn)獲得的較為接近。載荷試驗(yàn)變形模量約為旁壓剪切模量的3倍。對(duì)于飽和狀態(tài)的土體不能直接套用工程地質(zhì)手冊(cè)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，應(yīng)以載荷試驗(yàn)成果為準(zhǔn)。