西南地區覆蓋層深部黏土物理力學試驗參數研究

羅 欣， 孫 睿 達， 王 曉 龍

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072；2.四川大學，四川 成都 610064)

1 概 述

我國西南地區大部分河流河床中普遍存在深厚覆蓋層[1]。大渡河、岷江、金沙江及雅魯藏布江在正常的河流沉積厚度基礎上，由地殼抬升、冰川運動、滑坡淤堵、泥石流等內外力地質作用導致河谷深切造成的上覆深厚覆蓋層現象更為顯著，在世界范圍內都具代表性和典型性。

隨著“碳達峰、碳中和”目標的提出，能源行業持續快速發展和深刻變革。“水風光互補”“抽水蓄能”“水電改造”等相關概念的工程將逐步實施，這些工程建設過程中仍會不可避免地遇到覆蓋層地基問題[2]。

在水電工程建設實踐中，專門針對覆蓋層黏土特別是覆蓋層深部黏土布置的勘探及試驗工作量有限，覆蓋層黏土物理力學參數系統性研究通常受制于基礎試驗資料。得益于在工程實踐中積累的西南地區大量河床勘探的第一手資料，研究深部覆蓋層有了良好的條件和基礎。

重點關注經歷較長歷時的水力搬運、沖刷、浸泡、靜水沉積以及上覆荷重等外力作用后的深部黏土，結合施工階段深溪溝、長河壩和猴子巖等深厚覆蓋層深基坑的開挖對深部原生狀態覆蓋層物理力學試驗研究成果，并依托瀘定、硬梁包、ML工程等大型水電工程，搜集大渡河、雅魯藏布江等跨流域的覆蓋層勘探試驗資料，梳理、匯總了其20 m以下黏性土的鉆孔成果，對覆蓋層深部黏土的物理性質以及相關指標間的關聯、力學性質的宏觀表現特性進行統計和分析。

2 深部黏土基本物理性質

2.1 基本物理性質指標統計

深部黏性土典型斷面見圖1。共收集覆蓋層深部黏土物理性質試驗成果144組，按照干密度、含水率、孔隙比、液塑限、塑性指數、比重及顆粒級配特征含量等物理性質指標進行分類統計分析。黏土物理性質統計成果見表1，深部黏性干密度值分布圖和深部黏土黏粒含量占比分布圖見圖2、3。

圖1 深部黏性土典型斷面

圖2 深部黏性干密度值分布圖

圖3 深部黏土黏粒含量占比分布圖

表1 覆蓋層深部黏土物理性質成果統計表

由統計成果可知，深部黏土干密度為1.38 ～1.71 g/cm3，平均值為1.55 g/cm3。干密度值1.50 ～1.60 g/cm3，占統計組數的近60%。液限21.0%～51.0%，平均值為33.2%。塑限10.5%～30.0%，平均值為19.1%。塑性指數8.0～24.0，平均值為14.1。黏粒含量6.0%～56.5%，平均值為24.7%。黏粒含量15%～30%，占統計組數的近一半。

2.2 深部黏土的塑性

液、塑限是反映黏性土具不同軟硬狀態或稀稠狀態的重要含水率界限指標，目前試驗室常用光電式液、塑限測定儀測定[3]。整理了覆蓋層深部黏土的液、塑限Wp關系見圖4，并擬合了兩項指標的相關性，二者相關系數R達到了0.95，表明其良好的線性關系，見式1。

Wp=0.54WL+ 1.27

(1)

卡薩格蘭德在提出塑性圖時，曾強調指出：同一地區、同一成因的土，在塑性圖上大體占據著與A線相平行的位置，沿A線呈條帶狀分布[4]。將

圖4 液限WL～塑限WP關系

西南地區覆蓋層深部黏土的液限WL～塑性指數IP數據資料放于塑料圖上，同樣印證了這樣的規律性，液限WL～塑性指數IP關系見圖5。

圖5 液限WL～塑性指數IP關系

黏性土的塑性可以用吸著水理論來解釋，若要使土具有塑性，需要在土顆粒外保持一定厚度的吸著水膜并在顆粒間主要通過公共吸著水膜連接[5]。土顆粒減小時比表面積增大，小到一定程度，土顆粒對水的親和性就在宏觀上體現出土的黏性。從宏觀上判斷，黏粒含量的多少直接影響土的黏性。

塑性指數綜合反映土顆粒的大小、礦物成分、土顆粒表面與結合水相互作用，是土塑性的定量指標。繪制了黏粒含量P<0.005與塑性指數IP關系圖。黏粒含量與塑性指數呈明顯的正相關性，且不同黏粒含量對應的塑性指數在圖上呈線性平行條帶分布(圖6)。表明西南地區覆蓋層深部黏土因成因相似，其塑性指數的變化區間相對穩定。

圖6 黏粒含量P<0.005～塑性指數IP關系

3 深部黏土力學性質

3.1 常規力學性質指標統計

共收集覆蓋層深部黏土常規力學性質試驗成果44組，試驗控制干密度為1.45～1.65 g/cm3，平均值為1.56 g/cm3。控制含水率為7.2%～36.7%，平均值為18.5%。按常規力學性試驗項目統計了壓縮系數、壓縮模量、滲透系數、飽和固結快剪下的強度指標。黏土力學性質試驗成果見表2。

表2 覆蓋層深部黏土力學性質試驗成果統計表

3.2 深部黏土的壓縮性

據統計，壓縮系數av0.1～0.2=0.095～0.48 MPa-1，平均值為0.22 MPa-1。av0.1～0.2=0.102～0.48 MPa-142組，占統計組數的近95%。0.1～0.2 MPa壓力下壓縮模量Es0.1～0.2=4.0 MPa～18.0 MPa，平均值為9.0 MPa，壓縮模量Es0.1～0.2<4 MPa，2組，占統計組數的近5%。壓縮模量Es0.1～0.2=4.0～15.0 MPa，38組，占統計組數的近86%。Es0.1～0.2>15 MPa，4組，占統計組數的近9%。表明覆蓋層深部黏土具中～低壓縮性，黏性土壓縮性(按Es劃分)分布圖見圖7。

圖7 黏性土壓縮性(按Es劃分)分布圖

3.3 深部黏土的滲透特性

據統計，滲透系數為k20=1.6×10-4cm/s～2.6×10-7cm/s，平均值為3.0×10-5cm/s，滲透系數為k20=10-4cm/s～10-5cm/s，弱透水的19組，占統計組數的近43%。滲透系數為k20=10-5cm/s～1×10-6cm/s，微透水的14組，占統計組數的近32%。滲透系數為k20<1×10-6cm/s，極微透水的6組，占統計組數的近14%。表明覆蓋層深部黏土具弱～極微透水性，黏性土滲透系數占比分布圖見圖8。

圖8 黏性土滲透系數占比分布圖

3.4 深部黏土的強度特性

據統計，飽和固結快剪強度C=8～28 kPa，平均值為14 kPa。φ=16.6°～29.0°，平均值為24.4°。其中φ=22°～25.0°， 22組，占統計組數的近50%，φ=25°～29.0°，20組，占統計組數的近45%。表明覆蓋層深部黏土具中～低抗剪強度。

4 結 語

依托長河壩、猴子巖、瀘定、硬梁包、ML工程等大型水電工程，搜集、整理了西南地區跨流域的覆蓋層勘探試驗資料，統計分析了覆蓋層深部黏土的物理力學性質以及相關指標的關聯。

統計分析成果表明：盡管西南地區跨流域的覆蓋層深部黏土在礦物成分、顆粒組份等存在差異，由于其形成原因的相似性(較長歷時的水力搬運、沖刷、浸泡、靜水沉積以及上覆荷重等外力作用)，深部黏土在可塑性、常規的壓縮、滲透、強度等特性方面呈現出一定的相似性。深部黏性土大部分具中～低壓縮性、弱～極微透水與中～低抗剪強度的工程性質。提出的物理力學試驗統計值可為后續相關工程地質評價或基礎處理提供一定參考。