綜合測試方法確定水利工程中卵礫石的力學特性研究

蔣長興，潘長貴

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，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特性，這主要是由于卵礫石的物質組成、地層成因、空間分布和顆粒幾何尺寸等決定的，具體表現在其顆粒大小不均，巖石的強度差異較大，分選性較大，膠結程度與填充成分和地層歷史有關，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，對地質鉆探來說，往往難于取得原狀樣獲得較為準確的地層界線[1-8]。水利工程建設中如果需要在河床覆蓋層上建設大壩等水利工程建筑物，不可避免地遇到厚度不均、力學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、物質組成成分等是工程建設的首要前提[9-10]。

本文依托具體的水利工程項目，采用綜合測試方法的手段，對場區卵礫石層采用瑞利面波勘察、旁壓試驗、平板載荷試驗、室內大型顆粒分析和壓縮試驗等，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，為工程的順利建設提供了保障和地質依據。

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級建筑物。根據地質鉆探表明，場區地層較簡單，表層分布為第四系沖洪積粉細砂，厚度較小約為2.0～3.0 m，質較均，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，密實性與壓縮性、抗剪強度等于卵石顆粒的接觸關系、填充物質以及壓密歷史有關，整體以單粒結構為主，孔隙率較高，約29%～38%，卵礫石的原巖成分主要為碳酸鹽巖，顆粒抗壓強度較大，最高可達80 MPa；巖石基巖為奧陶系灰巖，巖體抗剪強度較高，與上部卵石層為整合接觸，可認為是不可壓縮和不透水層。

圖1 場區卵石鉆探取樣

2 綜合測試方法

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穩態震源，在地表產生以不同頻率的瑞利面波，并利用地震檢波器對其其進行接收，根據瑞利面波在不同地層中傳播的頻散現象進行地層的劃分。圖2為場區內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，為粉細砂層，橫波速度范圍在60～100 m/s，而在2.00～12.0 m范圍內則為松散卵礫石層，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鉆探最好的驗證和補充，且在地層的邊界的劃分上，由于地質鉆探對卵石取樣困難，且地層的動力觸探困難造成土層密實度狀態的評價困難等原因，而瑞利面波法對這類問題得到了較好地解決。同時，瑞利面波法具有成本低廉、測試快速、經濟效益良好等優點，能夠獲取直觀連續的地質解釋斷面，如圖3所示。

圖2 瑞利面波法劃分卵石地層

圖3 瑞利面波法地質解譯斷面

2.2 旁壓試驗方法

旁壓試驗是巖土工程勘察中最為常見的原位測試方法之一，以預鉆式梅納旁壓試驗為例，試驗時通過將一個帶有膨脹薄膜的探頭放置在預定鉆孔深度內，通過對薄膜的膨脹測試土體的力學強度和變形參數等。由于卵礫石層對旁壓試驗探頭具有較大的損害，因此在試驗時對成孔質量要求較高，需要采用特制的植物泥漿進行鉆探[10]，另外也需要對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膨脹。表1為場區內2個鉆孔內的旁壓試驗成果。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 旁壓試驗成果分析一覽表

2.3 平板載荷試驗方法

平板載荷試驗是確定地基承載力最有效、最直接的測試方法，但測試深度較為淺，因此常與旁壓試驗等原位測試方法相結合求解地基的承載力。試驗采用直徑50 cm的圓形載荷板，采用混凝土堆載的方式對河床的卵石層進行測試，共選取了3組試驗點進行測試，測試深度為3.5 m，測試成果如圖4所示。從圖中夠可以看出，測試曲線主要有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破壞段，因此表明卵石層極限荷載較大，實際設計過程中可以采用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，不同測試點獲取的P-S曲線較為接近，表明場區淺層的卵石力學性質較為穩定，經過分析可知PT01、PT02、PT03測試點的臨塑荷載分別為660 kPa、610 kPa、595 kPa。

圖4 平板載荷試驗P-s曲線

2.4 室內顆粒分析試驗

為了查明場區卵礫石的顆粒組成成分，在室內試驗選擇大型顆粒分析進行測試。試樣為現場獲取的全組分土樣，為了保證數據的真實性和可靠性，共選取了10組試樣進行測試。

表2為場區卵礫石取樣進行的大型顆粒分析試驗成果。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%，經過計算分析，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，平均不均勻系數為359.70，最大不均勻系數為657.5，最小不均勻系數為30.0，平均曲率系數為3.75，最大曲率系數為29.50，最小曲率系數為0.06。

表2 室內大型顆粒分析試驗

2.5 壓縮試驗

為了分析卵礫石的壓縮性能和壓縮模量，共獲取3組試驗進行壓縮試驗，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土層，按YT01、YT02、YT03試樣結果計算后可知砂卵石層壓縮系數范圍為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曲線平均值可計算壓縮模量為152 MPa。

圖5 壓縮試驗e-p曲線

3 測試成果的綜合分析

在水利工程地質勘察時，有必要對場區的巖土類別、地層分布以及物性差異進行初步的掌握，對于大型的水利工程，采用全地質鉆孔進行勘察，不僅成本較高，也不切實際，因為卵石層由于沉積成因原因往往厚度、分布起伏較大，僅僅依賴地質鉆孔進行地層界線的劃分準確性有待進一步驗證。采用物探的方法可以較好地對地質鉆探成果進行補充和驗證，認識卵礫石的空間分布、連續性和埋深進行直觀的了解。

場區的卵石地層較厚，利用鉆探獲取深部的卵石土樣進行試驗，存在眾多困難，一方面，卵石地層為松散顆粒間的接觸結構，孔隙間充填細顆粒物質，受到擾動后，細顆粒物質隨水沖走，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，極易受到鉆探的擾動。因此，在工程中常常采用多種測試方法對其進行定性和定量分析。值得注意的是，采用原位測試方法時，需要根據卵石顆粒塊體堅硬，且填充物質較軟的特性，一般選取能穿透地層，且堅固耐用的設備進行，本研究盡管選取預鉆式旁壓試驗進行，但是也應對探頭進行保護和提高成孔質量。其次，由于平板載荷試驗的方法限制，在確定卵石地基的承載力時，并不能得到深部的數據，因此只能在淺層進行試驗。從圖1可知，在地層豎向方向上，卵石的狀態從上到下是由松散向密實狀態轉變的，因此，沉積過程來看，下部的卵石層相對于上部的卵石層來說，壓密性更好，力學性質也更有利，可以確定在12.0～31.0 m深度范圍內的卵石層的力學參數強于2.0～12.0 m的卵石層，采用平板載荷試驗在土層的淺層進行試驗，獲得的測試成果代表整個卵石層的力學特性，是目前工程上的通用做法，也是安全可靠的。

對于卵石層的地基承載力，由平板載荷試驗確定的平均地基承載力特征值622 kPa，而由旁壓試驗確定的地基承載力在2.0～12.0 m范圍內，平均值為824 kPa，而在12.0～31.0 m范圍內，平均值為1 015 kPa。由此可知，確定地基承載力特征值時，相對于旁壓試驗來說，平板載荷試驗確定的數值偏于保守，這與前面的分析結果是一致的，因為旁壓試驗的測試深度較大且保持了土體的原位狀態，對土體擾動較小。在實際的工程建設中，如果場區的原位試驗僅進行了平板載荷試驗，可利用其結果直接確定地基承載力，而如果場區不僅進行了平板載荷試驗，還進行了可測試深度土體力學性質的原位測試試驗，如旁壓試驗等，建議采用后者確定的地基承載力進行設計和計算。綜合研究，本研究中卵石層的地基承載力為在2.0～12.0 m范圍內取824 kPa，在12.0～31.0 m范圍內取1 015 kPa，并根據《建筑地基基礎設計規范》中5.2.4條文中進行修正，修正后的地基承載力分別為936 kPa，1 250 kPa。

對于土體的壓縮模量，由圖3計算的壓縮模量范圍為Es=36.0～153 MPa，模量數值區間較大，而利用旁壓試驗獲取的旁壓模量也有類似的規律，旁壓模量范圍為Es=26.9～209.03 MPa，利用相關公式可以換算成壓縮模量，在實際計算地基的變形沉降時，可根據土層對應深度范圍內的壓縮模量Es進行計算。一般來講，大壩壩體對壩基產生的附加應力屬于空間問題，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算出砂卵石層內任意一點的附加應力，利用分層總和法即可計算出大壩的總沉降量。

4 結語

(1)由于卵礫石層的特殊物理力學性質，獲取其物理參數僅僅通過地質鉆探或者單一的測試方法存在困難，在實際工程中有必要采用綜合測試方法對測試參數進行綜合分析和評判。

(2)瑞利面波法可以對卵石地層進行較為準確的劃分，且在野外測試時具有速度快、成本低等優點，可以獲取連續和直觀的地質解釋剖面。

(3)旁壓試驗、平板載荷試驗、顆粒分析試驗和壓縮試驗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的重要試驗，測試成果可為水利工程大壩地基的設計提供真實可靠的參數，同時測試成果間也可以相互驗證和補充。