长春地区白垩系地层地铁勘察参数的确定

郭红梅

(北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101)

0 引言

长春市城市快速轨道交通线网规划由7条地铁和轻轨线路组成放射式的线网，其中3条放射线为地铁线(1、2、5号线)、2条半环线为轻轨线(3、4号线)，线网总长度179 km。根据区域地质条件及地铁勘察报告揭露的地层，城区内第四系覆盖层分布较为稳定，其岩土类型在平面上变化不大，在立面上变化较大，覆盖层厚度不等，在市区中心至周边最厚可达30 m，一般在9～15 m左右，其分布自上而下是粉质黏土及黏土、含砾中粗砂和砂砾石，基底的地层为白垩系泥岩和泥质粉砂岩，在区内广泛分布，除局部有零星出露外，大部分被第四系覆盖。总的特点为一套以棕红色为主的陆湖相沉积、碎屑岩与泥岩频繁交替，分为四组，即泉头组、青山口组、姚家组和嫩江组，总厚度约1575 m[1-2]。

由于全风化、强风化砾岩现场难以钻探取样进行室内土工试验，泥岩存在水稳性、膨胀性、崩解性等因素的影响，所需提供的不同风化程度砾岩层、泥岩层的地铁勘察设计参数多以经验数据为主，有的参数还没有经验数据可以参考，提供参数的准确性和合理性也有待推敲。本文通过砾岩和泥岩中的现场载荷试验和现场原位剪切试验，获取泥岩、砾岩的承载力值、抗剪强度参数指标以及现场基床系数值，通过现场抽水试验提供砾岩和泥岩层的渗透系数、影响半径等水文地质参数等，为地铁建设工程地质问题分析及设计提供充足的地质依据。

1 白垩系地层地铁勘察关键技术问题分析

1.1 泥岩崩解性和膨胀问题

由于泥岩具有吸水软化和失水崩解等工程特性，如不能作出正确的评价，会带来预料不到的危害，如施工出现反复、工程延期、不能正常运营、追加投资等，造成巨大经济损失，因此查明白垩系泥岩地层崩解性和膨胀性是勘察技术难点之一[3]。

1.2 承载力特征值问题

《工程岩体分级标准》采用岩体基本质量对岩体进行分级，再根据岩体级别确定岩体的承载力。目前确定岩石地基承载力的国家标准主要有《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)5.2.6条规定，对破碎、极破碎的岩石地基承载力特征值的确定，同时还可根据平板载荷试验确定，对完整、较完整和较破碎的岩石地基承载力特征值，以饱和单轴抗压强度为依据计算;其它行业标准多以经验数据评估方法为主，但在涉及水稳性、膨胀性、崩解性等因素对泥岩承载力的影响时，各自的试验方法、依据标准等许多方面均存在差异，在承载力确定问题上也存在较大分歧。由于平板载荷试验费时、费力且试验费用多，长春地区白垩系砾岩和泥岩的载荷试验方面参考资料几乎没有。

1.3 基床系数的问题

基床系数是地铁工程设计的重要参数，也称弹性抗力系数或地基反力系数，主要用来进行地基梁计算、衬砌配筋计算、路基计算、支护结构计算等。基床系数与地基土的类别、土的状况(密度、含水量)、物理力学特性、基础的形状及作用面积受力状况有关，当有成熟地区经验时，可通过原位测试、室内试验结合地区经验综合确定，但长春地区没有地铁工程积累的相关经验。

1.4 基坑支护参数问题

由于白垩系全风化、强风化砾岩现场钻探难以取样进行室内试验，现阶段勘察报告中的砾岩力学指标主要以经验为主，提供的抗剪强度指标往往偏于保守，对工程设计浪费较大，而抗剪强度指标对支护体系的类型、钢筋用量、桩的长度都有重要的影响，所以提供准确合理的参数对工程造价意义重大。

1.5 地下水控制问题

长春地铁工程车站结构埋深一般在15～30 m，一般采用明挖法施工，根据勘察资料揭示，沿线场地地下水埋深较浅，地下水位位于地铁车站底板之上，均需采取地下水控制措施，应根据抽水试验测定的水文地质参数，进行地下水控制方案设计，确定风化砾岩、泥岩层的渗透系数等水文参数，对抗浮水位的确定、降水设计等至关重要。

2 白垩系地层地铁勘察参数的确定

2.1 泥岩的崩解性和膨胀性判定

为判定风化岩的崩解性，对钻孔内的15组试样进行了二次循环崩解试验，结果表明第一循环耐崩解指数为0～49.90%，平均耐崩解指数为9.67%。第二循环耐崩解指数为0～18.78%，平均耐崩解指数为1.66%。按照相关规范综合判定长春全风化泥岩及强风化泥岩属于极低耐久性岩石。

为判定风化岩的膨胀性，在钻孔内采取了32组土样进行了膨胀性试验，风化泥岩土工试验所得蒙脱石含量为23.78%～35.11%，自由膨胀率δef平均值小于40%。全风化泥岩膨胀力为11.2～27.8 kPa，平均值为17.15 kPa，强风化泥岩膨胀力为9.86～15.72 kPa，平均值为12.44 kPa。全风化泥岩阳离子交换量CEC为150.8～301.5 mmol/kg，平均值为218.6 mmol/kg。强风化泥岩阳离子交换量CEC为145.8～306.6 mmol/kg，平均值为230.7 mmol/kg。依据《膨胀土地区建筑技术规范》相关规定综合判定长春风化泥岩属弱膨胀潜势岩[4]。

2.2 平板载荷试验确定承载力特征值、变形模量及基床系数

试验场地位于长春市九台区龙湖镇，试验采用堆重反力梁试验方案，相对稳定法。沉降量观测采用4支量程为50 mm，精度为0.01 mm的位移传感器，安装在承压板上，并固定在基准梁上。强风化砾岩层平板载荷试验采用直径565 mm，面积0.25 m2的圆形刚性承压板;全风化泥岩层平板载荷试验采用直径800 mm、面积0.5 m2的圆形刚性承压板，试验将预估极限承载力值2000 kPa分成10级进行加载，每次加一级荷载，每级卸载值取加载时分级荷载的2倍。

2.2.1 强风化砾岩现场平板载荷试验

1)场地地质概况

试验场地自地面下地层为填土层、粉质黏土层及全、强风化砾岩层，填土层厚约0.5 m，粉质黏土层厚约0.5 m，全风化砾岩层厚约1 m，试验场地未见地下水。试验深度为地面下2.5 m，在强风化砾岩层上共布置了3个载荷试验检测点。

2)承载力特征值

按照规范规定，最大沉降量与承压板直径之比大于或等于0.06时认为已到破坏荷载，试验采用的承压板直径为0.565 m，沉降量达33.9 mm时方为破坏荷载，而测点S1加载至2600 kPa时，沉降量为36.75 mm，大于33.9 mm，因此取沉降量33.9 mm时所对应的荷载值的一半即1234 kPa为该测点的承载力特征值。测点S2、S3加载至3400 kPa时，沉降量分别为14.01 mm、11.73 mm，均小于34 mm，且p-s曲线也没有出现陡降型曲线，故承载力特征值可判定不小于1700 kPa。试验结果详见表1，各试验点p-s详见图1—图3所示。

表1 强风化砾岩层载荷试验点结果表

图1 检测点S1试验p-s关系曲线

图2 检测点S2试验p-s关系曲线

图3 检测点S3试验p-s关系曲线

3)变形模量

根据《岩土工程勘察规范》GB 50021—2001(2009版)中规定，变形模量计算公式E0=I0(1-μ2)pd/s计算得各测点的变形模量取值见表2，其中承压板形状系数(圆形承压板)I0=0.785。[5]

表2 各测点的变形模量取值

4)基准基床系数

基准基床系数采用直径为30 cm的承压板测定，本次载荷试验采用直径d=0.565 m的非标准板，基床系数值随着基础宽度的增加而有所减少，根据《城市轨道交通岩土工程勘察规范》(GB 50307—2012)中规定换算的基准基床系数如表3所示，强风化砾岩的基准基床系数值可以190 MPa/m作为参考值使用。

表3 各测点的基准基床系数取值计算表

2.2.2 全风化泥岩平板载荷试验

1)场地地质概况

试验场地自地面下地层为填土层及全、强风化泥岩层，填土层厚约0.5 m，全风化泥岩层厚约1.5 m，之下为强风化泥岩层，试验场地未见地下水。试验深度为地面下1.5 m，共布置了2个载荷试验检测点，其中S5号点采用浸水试验方法。浸水载荷试验的目的在于模拟建筑物建成运营后，可能遭水浸泡，导致地基膨胀变形、压缩变形及强度衰减等最不利于工程建筑物稳定的情况，以此研究和预估未来泥岩地基的工程演化。

2)承载力特征值确定

按照规范规定，最大沉降量与承压板直径之比大于或等于0.06时认为已到破坏荷载，试验采用的承压板直径为0.8 m，则沉降量达48 mm时方为破坏荷载，而S4加载至720 kPa时，沉降量为50.50 mm大于48 mm，因此取沉降量48 mm时所对应的荷载值的一半即347 kPa为该测点的承载力特征值。S5加载至500 kPa时，沉降量为49.12 mm大于48 mm，因此取沉降量48 mm时所对应的荷载值的一半即247 kPa为该测点的承载力特征值。试验结果详见表4，各试验点的p-s曲线详见图4、图5所示。

表4 泥岩层载荷试验点结果表

图4 检测点S4的试验p-s关系曲线

图5 检测点S5（浸水试验点）试验p-s关系曲线

3)变形模量

根据《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)(2009版)[4]中规定变形模量计算公式E0=I0(1-μ2)pd/s计算得各测点的变形模量取值见表5。

表5 各测点的变形模量取值

4)基准基床系数

基准基床系数采用直径为30 cm的承压板测定，试验采用直径d=800 cm的非标准板，基床系数值随着基础宽度的增加而有所减少。根据《城市轨道交通岩土工程勘察规范》(GB 50307—2012)中规定换算的基准基床系数如表6所示，天然状态下全风化泥岩与浸水状态下全风化泥岩基准基床系数差别不大，全风化泥岩基准基床系数45～52 MPa/m作为参考值使用[6]。

表6 各测点的基准基床系数取值计算表

2.3 现场剪切试验确定抗剪强度指标

本次现场剪切试验采用堆重反力梁试验方案，平推的试验方法，采用直径565 mm、面积0.25 m2的圆形刚性承压板，每5分钟施加一级，每级荷载施加前后对各位移表测读一次。采用一次逐级连续加载的方式施加荷载，直至试点岩体破坏。强风化砾岩和全风化泥岩分别确定检测点1组。

2.3.1 强风化砾岩现场剪切试验

1)场地地质概况

场地自地面下地层为填土层、粉质黏土层及全、强风化砾岩层，填土层厚约0.5 m，粉质黏土层厚约0.5 m，全风化砾岩层厚约1 m，试验场地未见地下水，试验深度为地面下2.5 m。

2)检测结果

经过对现场直剪试验数据整理及分析，在直角坐标系中点出散点图并建立相关方程见图6，方程的相关性较好，强风化砾岩岩体抗剪强度指标C=42.8 kPa，φ=28.4°。

图6 强风化砾岩直剪试验曲线

2.3.2 全风化泥岩现场剪切试验

1)场地地质概况

本场地自地面下地层为填土层及全、强风化泥岩层，填土层厚约0.5 m，全风化泥岩层厚约1.5 m，之下为强风化泥岩层，试验场地未见地下水，试验深度为地面下1.5 m。

2)检测结果

在全风化泥岩上仅测得两个法向应力下的剪应力，散点数量不足，抗剪强度指标只能作为参考，全风化泥岩岩体抗剪强度指标c=62.7 kPa，φ=10.6，全风化泥岩室内天然快剪指标标准值约为c=70.8 kPa，φ=15.1，三轴剪切试验抗剪强度指标标准值约为c=46kPa，φ=14.9。现场剪切试验指标与室内试验指标结果差别不大。

2.4 抽水试验确定水文地质参数

在承压水含水层风化泥岩(部分为泥岩和泥质砂岩互层)中共做了20组抽水试验，测定的泥岩渗透系数范围值为0.079～3.380 m/d(部分为泥岩和泥质砂岩互层)，影响半径范围值为37～200 m;在砾岩中共做了4组抽水试验，测定的砾岩渗透系数范围值为0.15～0.29 m/d，影响半径范围值为14～78 m。在砂岩中共做了2组抽水试验，测定的砂岩渗透系数范围值为1.2～13.3 m/d，影响半径范围值为98～130 m。

3 结论

1)二次循环崩解试验结果表明，长春地区全风化及强风化泥岩属极低耐久性岩，膨胀性试验表明，全风化及强风化泥岩属弱膨胀潜势岩。

2)强风化砾岩承载力特征值可以取最小值1234 kPa，变形模量范围值为45.1～119.1 MPa，平均值为87.2 MPa，基准基床系数范围值为190775～503684 k N/m3，可以190 MPa/m作为参考值使用。天然状态下全风化泥岩承载力特征值为347 kPa，变形模量为10.2 MPa，浸水状态下全风化泥岩承载力特征值为247 kPa，变形模量为9.1 MPa，基准基床系数范围值为46261～51769 k N/m3，全风化泥岩基准基床系数可以45～52 MPa/m作为参考值使用。浸水造成泥岩强度降低较明显，在无荷载下浸水，强度降低更为剧烈。

3)现场直剪试验表明，强风化砾岩岩体抗剪强度指标值c=42.8 kPa、φ=28.4°，全风化泥岩岩体抗剪强度指标c=62.7kPa、φ=10.6作为参考值，其值与室内剪切指标差别不大。

4)现场抽水试验表明，泥岩渗透系数范围值为0.079～3.380 m/d，影响半径范围值为37～200 m。砾岩渗透系数范围值为0.15～0.29 m/d，影响半径范围值为14～78 m。砂岩渗透系数范围值为1.2～13.3 m/d，影响半径范围值为98～130 m。