紅石河水庫紅層地基工程特性的空間分布特征研究

石 磊

(南通市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 南通 226006)

第三系紅層在我國西南方地區分布相當廣泛，尤其是在云貴川三省的分布面積占總面積的30%左右，是該地區的基礎建設中經常遇到主要巖土體之一[1- 2]。該類型地基土是在干旱、半干旱和高溫環境條件中形成的巖土體，其顏色主要呈紅褐色，巖性偏軟，力學性質較差，強度和剛度較低，沉積巖的類型主要包括泥巖、泥質砂巖、砂巖、砂質泥巖和砂礫巖等，產狀主要為互層狀[3]。受風化程度、氣候條件、地形、新構造運動與水文地質條件等因素影響，不同地區的巖土體性質也存在明顯差異性[4]。故紅層軟巖是一類具有特殊物理力學特性的軟弱巖體，在開挖、卸載和暴露后容易受到降雨等氣候影響，使得巖土體的強度參數和工程地質特性產生較大變異[5]。

在紅層軟巖分布地區建設混凝土壩，由于軟巖巖強度低，工程穩定性差，力學參數變異性大，其取值對于水利工程的安全及經濟性影響巨大。由于軟巖地層地基沉降變形特點非常復雜多樣，與巖土體力學和變形特性、地基處理方法、地基回填高度、回填速度和控制沉降的方法等因素有關。在天然的巖土體地基上，巖土體力學性質、構造、結構、完整度和風化程度等往往決定著工程穩定性[6]。因此，深入了解紅層軟巖工程參數的空間分布特征對于選取真實合理的巖土體強度和剛度的設計參數有重要參考價值[7]。

巖土體原位測試技術是一種利用試驗設備直接對地基土進行測試的方法，避免了試驗對地基土取樣、運輸和制樣等過程的影響，相對于室內試驗更加真實可靠，是巖土工程勘察中一種必不可少的測試手段[8]。本試驗對沿水平向和垂直向分布的典型紅層軟巖地層試驗點開展旁壓試驗和平板載荷試驗，如圖1-2所示。獲得了不同水平距離和埋深點的承載力和變形參數，旨在為紅層軟巖地基施工和設計提供參考。

1 工程背景與測試方法

1.1 工程背景

紅石河水庫在瑞麗市畹町經濟開發區東部的紅石河上，位于云南省西部，德宏傣族景頗族自治州南部，東部與潞西市相鄰，西部與瑞麗市相連，北部與隴川縣相接，南部與緬甸接壤，是我國陸路通往緬甸及東南亞國家的要道。紅石河水庫是一座以灌溉為主、兼顧城鎮供水備用水源的中型水庫，水庫徑流面積2.4km2，壩高39.58m，壩長190.5m，總庫容為111.1萬m3，興利庫容91.02萬m3，死庫容6.68萬m3。

水庫周邊的地層上覆第四系風積、坡積紅黏土，土質疏松，垂直向的節理發育;其下伏的基巖是第三系沉積紅層軟巖，巖性主要泥巖、泥質砂巖、砂巖、砂質泥巖和砂礫巖等，產狀主要為互層狀，產狀相對平緩，遇水易崩解、泥化、紅層軟巖的物理性質的室內試驗成果見表1。沿水壩壩基分布著深厚的紅層軟巖，其力學性質偏軟，遇水容易發生泥化，對壩基的穩定性由重要影響。

圖1 試驗點平面布置

圖2 試驗地層垂向布置

1.2 測試方法

1.2.1平板載荷試驗

本試驗采用面積為0.64m2的剛性承壓板進行地基逐級施壓，測得加壓中的土層變形量與荷載值，從而得到天然土層的強度和變形參數[9- 10]。試驗前先將承壓板被放置于1m深的探槽底部并鋪設厚度為20mm左右的砂墊層進行地面找平。本試驗采用常用的沉降非穩定法，即快速法進行施壓，每級荷載施加后，隔15、15、15、15、30、30min測讀一次沉降，保證每級荷載維持2h。試驗獲得軟巖地基上的4個點位的荷載-沉降量曲線，即P-S曲線，按照相關規范確定地基承載力特征值和變形參數。

1.2.2預鉆旁壓試驗

采用PY- 3型預鉆式旁壓儀進行旁壓測試，將旁壓儀在預先鉆好的豎直孔內的指定位置進行加壓使旁壓腔膨脹，由膨脹產生的壓力施加在孔壁使土體發生變形破壞。試驗中通過量測裝置獲取旁壓腔壓力和土體變形值之間的關系，從而得到孔壁土體的承載力、變形性質等指標[11]。預鉆旁壓試驗可以從表征土體水平方向應力、強度特性和地基承載力3個方面評價不同深度土體的工程特性[12- 14]。

2 試驗結果

2.1 平板載荷試驗結果分析

共進行6次淺層平板載荷測試，分別標記為H1～H6，試驗點沿渠道壩基軸線呈直線分布，相鄰點之間的距離為50m，結果如圖3所示。6組P-S曲線的沉降量均有明顯突變的情況，因此按照拐點法確定獲得地基承載力特征值，即取直線段終點所對應的荷載值為比例界限，該比例界限所對應的荷載值為地基承載力特征值fak，結果見表2。

經過載荷板壓縮的土層既發生彈性變形又發生塑性變形，處于彈性變形的階段的荷載與沉降曲線段為線性關系。因此可以利用彈性理論得到由P-S曲線求解的地基土變形模量E0，公式如下：

(1)

表1 紅層軟巖的基本物理力學性質

式中，p0—P-S曲線比例極限對應的荷載值，kPa；s—P-S曲線比例極限對應的沉降值，mm；B—載荷板寬度，mm;μ—土的泊松比，取μ=0.3;ω—沉降影響系數，取ω=0.8。

表2為水平向分布的6組載荷試驗的變形模量。可以看出4個點的地基承載力和變形模量的值雖然各不相同差距較大。產生差異的原因可能與土體在不同位置具有不均勻性有關。

圖3 平板載荷試驗曲線

表2 靜載試驗數據

2.2 旁壓試驗結果分析

旁壓曲線由初始階段、似彈性階段和塑性階段組成，對應著土體在變形過程中的3種不同應力應變狀態。其中，初始階段與似彈性階段的界限由初始壓力P0劃分，似彈性階段與塑性階段的界限由臨塑壓力Pf劃分，而塑性階段末端漸近線壓力被稱為極限壓力Pl。圖4為8條不同深度處(埋深6～20m)的紅層軟巖旁壓曲線，相鄰點之間間隔2m。

根據前人的研究，地基承載力fak按照臨塑壓力法，由臨塑壓力pf和初始土壓力p0求差獲得[12]。

fak=pf-p0

(2)

再由前人的研究[13]計算土體的變形模量E0，公式如下：

E0=αEm

(3)

式中，Em—旁壓模量，相關系數α取為1.515。由預鉆旁壓試驗得到隨深度變化的軟土強度和剛度參數結果見表3。

圖4 軟土旁壓試驗曲線

表3 旁壓試驗各參數數據

3 試驗結果分析

采用載荷試驗、預鉆旁壓試驗和標準貫入試驗，選取該地區在垂直向和水平向上的典型地層作為原位試驗點，對試驗結果分析獲得紅層軟巖的地基承載力和變形模量在一定水平距離和垂直深度范圍內的分布，如圖5—6所示。

圖5 不同水平位置的地基承載力和變形模量

從圖5中的承載力特征曲線可以看出在樁號K166+400和K166+440試驗點處的地基承載力特征值為327.9和392.1kPa，從變形模量曲線可以看出在K166+400和K166+440試驗點處的變形模量為5.21和5.30MPa。說明該處的地基承載力和變形特性較差。結合地質勘探資料知道該點紅層軟巖厚度較小，下臥白云質灰巖軟弱夾層并存在溶洞，含水率大，導致該處巖土體的物理力學性質較差。隨試驗點的樁號增大，紅層軟巖厚度逐漸變厚，地基承載力有明顯增大趨勢，在K166+500和K166+495試驗點的地基承載力比樁號K166+400處的地基承載力分別提高了60%和66%，變形模量分別提高了；而樁號K166+520處的紅層軟巖厚度突減，其承載力特征值和模量也出現大幅降低。說明紅層軟巖的分布厚度在水平向的不均勻性對紅層軟巖地層的承載力和變形模量具有較大影響。

圖6 地基承載力和變形模量與地層深度關系

從圖6不難看出在紅層軟巖地層中，垂直向承載力和模量呈現隨深度呈增大趨勢，究其原因，在試驗深度范圍內的軟巖地層中，由于上覆荷載作用，不同深度的地層應力狀態不同，深部地層的固結程度較好，從而提高地基承載力和變形特性。土層地基承載力特征值的均值fakm=1358kPa，變形模量的均值Em=10.1MPa。從圖6中可以看出變形模量和地基承載力特征值隨深度成明顯的線性關系。圖6中變形模量和和承載力特征值的線性關系的相關系數的平方都達到了0.93以上，說明地基承載力值與深度有較好的線性相關性，用圖中的線性公式可以對該地層各深度的紅層軟巖地基承載力特征值和變形模量值進行預測。

4 總結

(1)以紅石河水庫地基的紅層軟巖為研究對象，分析了地基承載力特征值和變形模量的空間分布規律，發現承載力和變形特性在水平向較小范圍內有較大幅度的變化，在垂直向的承載力和變形模量隨深度有增大趨勢。

(2)根據旁壓試驗結果，針對一定深度范圍內的承載力和變形模量提出了較簡便的擬合計算公式，對實踐工程中獲取不同深度的承載力和變形模量具有一定參考價值。

(3)紅石河的地基紅層軟巖具有明顯的水平不均勻性和垂直分層性，測得地基承載力和變形模量在較小的范圍內有較大程度的變化。因此，在紅層軟巖地區進行水利樞紐的基礎建設時，應注意其工程參數的空間分布特征對實際工程造成的影響。