紅黏土工程特性與輸變電工程中應對處理措施分析

李俊宇，楊 煜

（中國電建集團四川電力設計咨詢有限責任公司，四川 成都 610041）

0 引言

紅黏土為碳酸鹽巖經紅土化作用形成的一種區域性特殊黏土，根據成因可分為原生、次生兩大類[1]，其特殊性表現在高液塑限、高分散性、高含水率與高孔隙比、高飽和度、低密度和低壓縮性、垂直方向“上硬下軟”的性質，并具有明顯的收縮性，以及較低的滲透性。其礦物組成分為黏土礦物、游離氧化物和碎屑物質以及少量不定型物質。黏土礦物具有穩定的結晶格架、細粒組結成穩固的團粒結構，這也是構成紅黏土良好力學牲能的基本因素。本文采取紅黏土原狀土進行了基本參數測定以及必要的土工試驗，所依據的標準為《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019）。

1 紅黏土基本參數測定

對多組原狀土樣測定基本參數，取平均值，如表1所示。

表1 紅黏土原狀土樣基本物理參數

以上參數印證了紅黏土高液塑性、高含水率與高孔隙比、高飽和度的特性，孔隙滲透系數k（cm/s）數量級在10-8，已屬于不透水層范疇，而裂隙滲透系數k′（cm/s）數量級在10-5～10-3，為前者的103～105倍，差異巨大，說明紅黏土的滲透性受裂隙控制顯著。

2 土工試驗參數測定

2.1 抗剪強度試驗

采用快剪試驗，試驗結果符合抗剪強度公式的一般表達式τ=σ tanφ+c。土樣抗剪強度指標較高，黏聚力c 約為60kPa～77kPa，平均值69.5kPa；內摩擦角φ 約為11.3°～15.6°，平均值13.3°。抗剪強度試驗成果如圖1所示。

圖1 抗剪強度試驗成果

2.2 標準固結試驗

采用標準固結試驗，四組土樣，控制試驗條件相同，每組固結壓力均為12.5kPa、25kPa、50kPa、100kPa、200kPa、300kPa、400kPa、600kPa，每級壓力下的固結時間均為24h。

試驗得到e-lgp 曲線（圖2），可得壓縮系數a1-2以及壓縮模量Es1-2如表2 所示。可看出四組土樣均屬于中等偏低壓縮性土[1]。

圖2 土樣e-lgp 關系曲線

2.3 回彈模量測試

采用杠桿壓力儀法，五組土樣。泊松比μ 近似取0.35，土樣在各級壓力下土對應的回彈模量如表3 所示。

表3 土樣在各級壓力下土對應的回彈模量

壓力p 與回彈模量Ee 擬合關系曲線如圖3 所示，p與Ee 近似呈直線關系，擬合直線方程為Ee=0.19p+29.06。

圖3 壓力p 與回彈模量Ee 的關系曲線

2.4 先期固結壓力計算

目前常用由卡薩格蘭德1936 年提出的e-lgp 曲線經驗作圖法，用曲率突變點推出先期固結壓力Pc，但誤差較大。Butterfield 提出用Ln（1+e）-logp 雙對數坐標法，其可靠性得到大量試驗的驗證[2]。雙對數坐標下曲線大致形成兩段直線，交點對應的壓力值即為Pc。圖4為土樣試驗數據，可得出各組土樣先期固結壓力Pc；結合表2 取樣深度得各組樣自重應力σz。

圖4 土樣先期固結壓力計算

土樣①：σz=70.24kPa，Pc=247kPa，OCR＞1。

土樣②：σz=114.14kPa，Pc=239kPa，OCR＞1。

土樣③：σz=158.04kPa，Pc=184kPa，OCR＞1。

土樣④：σz=193.16kPa，Pc=227kPa，OCR＞1。

超固結土是先期固結壓力大于現有自重應力的土，即超固結比OCR＞1。土樣OCR 均大于1，均判定為超固結土[1]。結合已有研究[2-5]，紅黏土的Pc 表現規律與傳統理論不符，主要受其成因、成分與結構的影響。說明紅黏土非一般意義的超固結土，其超固結特性的根源在于氣候條件、特殊的成土過程與物質結構，加上游離氧化物的存在，使其具有強大的結構連結力，表現出較高強度，本試驗結果較好的驗證了這一機制。

綜上所述，紅黏土的超固結特性是微觀結構強度的宏觀反映，不全是上覆應力歷史的記載，因此，紅黏土的Pc 與傳統定義有本質區別。可推斷傳統固結沉降理論不完全適用于紅黏土。分析其固結沉降特性，建議結合沉降觀測、預測等方法。

3 輸變電工程中紅黏土處理措施

在巖溶發育的碳酸鹽巖地區，基巖上部紅黏土地層表現出更為復雜的形態。

3.1 變電工程

以綿陽擂鼓220kV 變電站為例，場地上覆全新統黃褐色殘坡積紅黏土，下伏石炭系灰巖。土層水平向、垂直向厚度變化大，為1.0～8.6m，基巖面起伏大，溶蝕溝槽、裂隙發育；紅黏土豎向狀態變化大，上部硬塑～可塑，近基巖面呈軟塑～流塑，呈上硬下軟特征，從而地層結構變化大，各層壓縮性及強度差異較大，地基均勻性差。

場地紅黏土膨脹性弱，但具一定收縮性，其大氣影響急劇層深度約為1.4m。根據原位測試及土工試驗，上部硬塑～可塑段承載力特征值約180kPa，壓縮模量約6.5MPa，地基強度較好，為場地內主要持力層之一，推薦充分利用其作為建（構）筑物天然地基持力層，在滿足最小埋深、做好地表水處理措施的情況下，基礎可盡量淺埋。當采用淺基礎，盡量避免土巖組合地基而使基礎置于同一地層。對于軟塑紅黏土或土巖組合地基未經處理不宜作持力層，對一般性建筑物土巖組合地基，可削掉一定厚度的土或基巖，改用碎石或土夾石作墊層以調節變形和不均勻沉降；或采用調整基礎形式、尺寸和埋深等方法。對較重要的或對不均勻沉降敏感的，宜在基底不同部位布置勘探點，采取釬探、風鉆或探槽等手段（勘探深度不小于3m），進一步查明基底各部位土層的厚度、狀態，以便采取針對性的處理措施。當以上措施無法滿足要求時，應考慮更換基礎形式，如采用樁基礎。基坑開挖后禁止長時間暴露，宜及時澆筑基礎，封閉基坑。

3.2 輸電線路工程

鐵塔基礎荷載屬于交變荷載，包含豎向壓力、水平力、上拔力，不均勻沉降問題更為突出。一般情況山區鐵塔基礎大都采用嵌巖樁，紅黏土特性對其影響較小。樁基礎能較好地控制不均勻沉降，對提高基礎承載力效果顯著。當紅黏土厚度及狀態差異較大、塔腿承受較大上拔力或水平力、地形坡度較大等復雜狀況時，需進一步做樁基抗拔或水平承載力等驗算。

根據相關文獻[6-7]，對于土巖組合地基，當紅黏土為硬塑狀態時，可視為均勻地基，忽略基巖面起伏影響；為可塑時，選擇合理的基底寬度后地基可正常使用；當為軟塑時，需要進行地基處理，可采取換填或結構加固處理。若地基以紅黏土為主，則對灰巖處理，用“褥墊層法”；若地基以灰巖為主，則對紅黏土處理，用“超挖換填法”，提高地基均勻性。最后應作承載力及變形驗算。

由于紅黏土的裂隙性，其裂隙滲透系數遠大于孔隙滲透系數，水流很容易從裂隙入滲而對場地穩定性造成不利影響。所以場地、基坑附近應重視防水、截排水措施，基坑開挖應采取快速作業法進行，避免基坑曝曬和泡水。

4 結語

（1）硬塑～可塑狀態的紅黏土，壓縮性多表現為中等或中等偏低。

（2）紅黏土孔隙、裂隙滲透系數相差巨大，后者為前者的103～105倍，紅黏土的滲透性受裂隙控制顯著。基于紅黏土的裂隙性與收縮性，大氣影響急劇層深度范圍內的土體，基礎施工時、施工完成后均應特別注意防水、保水措施。

（3）本試驗紅黏土土樣超固結比OCR 均大于1，可以判定均為超固結土。但這類特殊土的超固結特性是微觀結構強度的宏觀反映，并不都是上覆壓力歷史的記載。因此紅黏土的Pc 值與傳統的定義有著本質的區別，可以推斷傳統的固結沉降理論不完全適用于紅黏土。分析其固結沉降特性，建議結合沉降觀測和預測等方法。

（4）紅黏土厚度及狀態變化均較大，加上其特殊性，土巖組合地基引起的不均勻沉降是工程建設中需要重點解決的問題。對于輸變電工程，應該結合具體建（構）筑物的受力狀態、基底持力層情況，選擇合理的基礎形式以及具有針對性的地基處理措施。總之，紅黏土特殊的工程性質有利也有害，應該掌握其特性，充分利用其良好工程特性，又要充分認識其不良特性，才能有效的指導工程建設，從而更合理、經濟地采取應對措施。