大宁水库水下第三系黏土岩地基承载力分析

赵志江 范子训

摘要：针对水下第三系黏土岩地基承载力评价存在的问题，以大宁水库地区新建泵站为案例，采用土、岩分类对比试验方法，分析水下第三系黏土岩的力学性质和物理力学指标，并通过原位测试、波速测试、旁压试验等多种手段对黏土岩的地基承载力进行了综合分析，并利用波速一旁压联合测试法定量分析评价黏土岩的地基承载力。结果表明：第三系黏土岩具有明显的土岩二象性，其含水率对土体的力学性质影响较大而对岩体的力学性质影响相对较小：单独采用旁压试验法计算黏土岩地基承载力特征值为未经过开挖卸荷和扰动的岩体承载力，其结果大于天然岩体的承载力特征值：剪切波速试验和波速一旁压联合测试求得的承载力较为符合实际情况，波速一旁压联合测试法可以作为原位测试的理论参考，定量评价地基承裁力。

关键词：黏土岩；承载力；土岩二象性；波速一旁压联合测试；大宁水库

中图分类号：TU471.6

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.025

大宁水库是南水北调中线进京的调蓄水库，为了保证北京市西部地区供水安全，现拟在大宁水库中堤外侧建一泵站，泵站基础持力层位于第三系黏土岩之上，且同时位于水面以下。由于第三系黏土岩属半成岩，且受水的影响较大，因此黏土岩承载力的确定对地基处理方案的合理选择和设计有较大影响。

由于勘察期间受场区条件限制无法进行原位载荷试验，相关规范也缺少对黏土岩的专项评价，因此第三系黏土岩的地基承载力确定是一个难题。本文充分考虑该场区黏土岩半成岩的特性，分别对其按土体和岩体进行试验，以期发现其中的联系。同时开展了多种原位测试方法，对黏土岩开展剪切波速测试、压缩波速测试和旁压试验，并结合目前国内其他地区对类似岩体已进行的研究，利用波速一旁压联合测试法综合分析黏土岩的物理力学性质。

1 场区工程地质概况

新建泵站位于大宁水库中堤外侧。大宁水库库区横跨小清河及永定河两水系，库区西侧为小清河故道，东侧为永定河河道：库区左岸为永定河人工填筑西堤，右岸為中堤。泵站场区由东至西微地貌单元分别为库岸—岸坡—库底，现状库岸高程一般为54～58m，库底高程一般为38～45m。2009年大宁水库库区清理前库底为乱掘砂石坑，后经平整改造后地形有改善。勘察期间水库水深为7～15m。

工程区分布的主要地层岩性：表层为人工堆积层，其下为第四系卵石沉积层和第三系岩层。设计泵站基础持力层为第三系黏土岩，且黏土岩位于库水位以下。由于第三系黏土岩属于软岩，成岩时间短，强度低，岩、土性质并存，在卸荷条件下或开挖暴露后受环境条件（特别是水环境）的影响，其工程地质性质容易发生变化。因此，黏土岩承载力的确定是该工程最重要的问题。

2 黏土岩的土岩二象性

2.1 取样与试验结果

场区第三系沉积的黏土岩胶结中等一差，含少量云母及中粗砂粒，局部含少量砾石。钻探取样较困难、钻进效率较低，需使用旋转钻机泥浆护壁钻进。从钻探取芯和手触的情况判断，黏土岩均为半胶结状态。岩芯天然状态下处于坚硬状态，但在暴露状态和干湿交替环境中会产生随外界湿度变化的膨胀和收缩崩解。

黏土岩成岩时间短、胶结较差，钻孔取得的样品已经过围压释放、机械振动，利用室内试验取得的物理力学指标与天然状态的有较大差异，部分岩样具有岩石性质，而部分岩样具有土体性质，整体取样具明显的土岩二象性。为更加准确地提供泵站基础持力层黏土岩的地基承载力，本次对泵站基础持力层附近的黏土岩分别依据《土工试验方法标准》和《工程岩体试验方法标准》进行了含水率试验、颗粒密度试验、固结试验、天然单轴抗压强度试验。其中取9组样品进行土工试验，取13组样品进行岩体试验，试验结果见表1和表2。

2.2 物理力学指标的对比与分析

由试验结果对比可知，土工试验和岩体试验所得的天然含水率和天然密度均较接近，且天然密度与压缩模量、天然单轴抗压强度有正相关关系（见图1、图2）。

作为土体另一重要指标的含水率却与压缩模量成负相关关系，与天然单轴抗压强度相关性较差，天然单轴抗压强度随含水率的改变变化不大（见图3和图4）。

由上述试验数据可知，土体试验得到的黏土岩压缩模量受天然密度和含水率影响较大：岩体试验得到的黏土岩天然单轴抗压强度受天然密度影响较大。一般泥质岩具有较强的水理性，干、湿循环作用后矿物颗粒排列方式改变和胀缩过程中微裂隙萌生、发展的能量耗散会导致泥质岩的胀缩变形不完全可逆。而本次试验的黏土岩由于成岩时间较短，因此其岩体天然单轴抗压强度几乎不受含水率的影响，主要呈现为普通的岩体性质。

综合分析可知，第三系黏土岩同时具有土和岩的双重特性，土工试验结果和岩石试验结果均可以反映出该岩体一定的物理力学性质，但又都难以全面准确地反映出第三系黏土岩天然状态下的物理力学性质。含水率对土体力学性质影响较大而对岩体力学性质影响较小。

3 波速一旁压联合测试的应用

由于岩基载荷试验受试验条件制约而难以普及，因此工程实践中更多地依赖于岩石抗压试验。软岩具有一些特殊物理力学性质，其承载力的确定有别于土和硬岩，且室内试验的影响因素较多，与原位试验结果差距很大，难以客观评价其承载能力。因此，场区同时对黏土岩进行了横波、纵波测试并开展了旁压试验来确定黏土岩的承载力。

3.1 波速测试结果

岩体的剪切波速综合反映了岩石的强度和岩体的完整性，与地基承载力相关性密切，测试技术成熟，积累了较多经验，可作为岩土分级和估计地基承载力的指标，见表3。

本次对持力层的黏土岩开展了孔内剪切波速和压缩波速测试，试验统计结果见表4。

3.2 旁压测试结果

预钻式旁压试验是通过旁压器在预先打好的钻孔中对孔壁施加横向压力，使土体产生径向变形，利用仪器量测压力与变形的关系，测求地基土的力学参数。本次旁压试验设备主要由旁压器、压力体积控制器、高压气瓶三部分组成，该工程旁压试验采用法国路易斯·梅纳尔公司研制的GA-NX型预钻式三腔旁压仪。

本次在场区3个钻孔内不同层位共进行了5个试验点的旁压试验。除1个试验点因成孔压力不够而没有获得完整曲线外，其余试验点均取得了可靠的测试曲线。对旁压试验现场采集的数据进行分析计算（绘制P-V曲线，确定旁压初始压力、旁压临塑压力、旁压极限压力、旁压剪切模量），结果见表5。

3.3 波速一旁压联合测试结果

波速一旁压联合测试在软岩中的应用已有大量的文献可以参考，参考其他地区软岩的经验参数，得出该工程黏土岩压缩波、临塑压力与岩石抗压强度的关系如下：式中：Pf为临塑压力；Vp为压缩波速；R0为黏土岩的抗压强度。

可见，该工程黏土岩的压缩波速v约为1000m/s，计算得到黏土岩的抗压强度R0=2313kPa。

4 地基承载力综合分析

根据黏土岩的物理力学试验指标进行分析和统计。在物理力学指标统计过程中，首先剔除了离散性较大的异常数值，然后计算出其平均值和变异系数（见表6）。

4.1 土工试验法

结合试验结果，将黏土岩按一般第四系黏性土考虑时，依据《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》引，黏土岩地基承载力标准值fka为240kPa。

4.2 岩体试验法

将黏土岩按岩石基础考虑时，依据《建筑地基基础设计规范》，岩石地基承载力特征值计算公式为式中：ψr为折减系数，对于较完整浸水黏土岩，其取0.2；ψ为修正统计系数；f0为岩石地基承载力特征值；frk为岩石单轴饱和抗压强度；frm为岩石饱和单轴抗压强度平均值：δ为变异系数；n为样本个数。

由上述公式计算可得黏土岩地基承载力特征值fa为47kPa。

4.3 波速试验法

由表4可知，黏土岩的剪切波速约为500m/s，依据剪切波试验成果，对应黏土岩承载力特征值为400kPa。

4.4 旁壓试验法

依据《工程地质手册》，利用旁压试验特征值计算地基土承载力。临塑荷载法公式为极限荷载法公式为式中：fka为地基承载力特征值；Fs为安全系数，这里取2。

临塑荷载法、极限荷载法计算得到的地基承载力见表7。

按照旁压试验法计算黏土岩地基承载力特征值fka约为3685kPa。

4.5 波速一旁压联合测试法

在含水率相差很小的条件下，岩样的力学参数主要受岩石特性的影响，均匀岩样的力学参数基本一致，相差很小。场区黏土岩在确保施工期间及建筑物使用后不遭水浸泡时，可不进行饱和处理。故可将由波速一旁压联合测试法求得的黏土岩的抗压强度R。视为frk：

计算可得黏土岩地基承载力特征值fka为463kPa。

4.6 对比分析

由不同方法求得的地基承载力特征值：将黏土岩按一般黏性土考虑时，地基承载力特征值为240kPa；按浸水岩体考虑时，地基承载力特征值为47kPa；按波速试验结果确定时，其特征值为400kPa；按旁压试验结果确定时，其特征值为3685kPa；按波速一旁压联合测试法确定时，其特征值为463kPa。

去掉最大值和最小值后求得平均值为368kPa。对于工程设计，第三系的黏土岩地基承载力应在300～400kPa范围内选取较为合适。工程施工将泵站基础开挖至黏土岩后，对场区地基选取了4个试验点进行平板载荷试验，试验结果表明场区黏土岩天然地基承载力特征值均可达到400kPa。

黏土岩成岩时代为第三系，沉降时间相比第四系更长，故将黏土岩视为黏性土，利用压缩模量计算的承载力偏小。同理，相比其他岩石，黏土岩仅为半成岩，若将其完全按岩体考虑，其承载力理论计算结果远远小于实际承载力。

按照旁压试验法计算是以侧壁压裂的原理来计算黏土岩的地基承载力特征值，与岩体实际破坏原理差异性较大，故其计算结果远远大于实际承载力。

剪切波速试验和波速一旁压联合测试求得的承载力较为接近且比较符合实际情况。但是波速一旁压联合测试法计算过程中参数选取较多，人为干预较大，同时在实际操作过程中人力物力投入较大，相比剪切波速法可操作性较差。

波速一旁压联合测试法是直接针对黏土岩进行的原位测试，可以反映岩体强度与声波的相关关系，间接获取岩体的强度参数和变形参数，可以弥补原位测试的缺失，为其他难以进行原位载荷试验的场区地基承载力提供理论参考。

因此，第三系黏土岩地基承载力的确定，需通过多种方法综合分析，针对设计条件和场地条件选取合理的承载力特征值。建议对地质条件复杂且无法开展现场载荷试验的黏土岩地基场区运用波速一旁压联合测试方法确定地基承载力。

5 结论

（1）第三系黏土岩成岩时间短，具有明显的土岩二象性，但其含水率对土体的力学性质影响较大而对岩体的力学性质影响相对较小。

（2）旁压试验法计算黏土岩地基承载力特征值为未经过开挖卸荷和扰动的岩体承载力，其结果大于天然岩体的承载力特征值。

（3）剪切波速试验和波速一旁压联合测试求得的承载力较为符合实际情况。在工程应用中剪切波速测试更易于操作，波速一旁压联合测试法则可作为原位测试的理论参考。

（4）建议对地质条件复杂且无法开展现场载荷试验的黏土岩地基场区运用波速一旁压联合测试方法确定地基承载力。

（5）地基承载力是工程勘察所需提供的基础数据，目前已有较多的评价方法和标准。但是随着工程技术的发展，需要针对更多不同的特殊岩土进行精确评价，因此在未来的勘察工作中需采取更多的手段来评价场地的地基承载力。