红石河水库红层地基工程特性的空间分布特征研究

石 磊

(南通市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 南通 226006)

第三系红层在我国西南方地区分布相当广泛，尤其是在云贵川三省的分布面积占总面积的30%左右，是该地区的基础建设中经常遇到主要岩土体之一[1- 2]。该类型地基土是在干旱、半干旱和高温环境条件中形成的岩土体，其颜色主要呈红褐色，岩性偏软，力学性质较差，强度和刚度较低，沉积岩的类型主要包括泥岩、泥质砂岩、砂岩、砂质泥岩和砂砾岩等，产状主要为互层状[3]。受风化程度、气候条件、地形、新构造运动与水文地质条件等因素影响，不同地区的岩土体性质也存在明显差异性[4]。故红层软岩是一类具有特殊物理力学特性的软弱岩体，在开挖、卸载和暴露后容易受到降雨等气候影响，使得岩土体的强度参数和工程地质特性产生较大变异[5]。

在红层软岩分布地区建设混凝土坝，由于软岩岩强度低，工程稳定性差，力学参数变异性大，其取值对于水利工程的安全及经济性影响巨大。由于软岩地层地基沉降变形特点非常复杂多样，与岩土体力学和变形特性、地基处理方法、地基回填高度、回填速度和控制沉降的方法等因素有关。在天然的岩土体地基上，岩土体力学性质、构造、结构、完整度和风化程度等往往决定着工程稳定性[6]。因此，深入了解红层软岩工程参数的空间分布特征对于选取真实合理的岩土体强度和刚度的设计参数有重要参考价值[7]。

岩土体原位测试技术是一种利用试验设备直接对地基土进行测试的方法，避免了试验对地基土取样、运输和制样等过程的影响，相对于室内试验更加真实可靠，是岩土工程勘察中一种必不可少的测试手段[8]。本试验对沿水平向和垂直向分布的典型红层软岩地层试验点开展旁压试验和平板载荷试验，如图1-2所示。获得了不同水平距离和埋深点的承载力和变形参数，旨在为红层软岩地基施工和设计提供参考。

1 工程背景与测试方法

1.1 工程背景

红石河水库在瑞丽市畹町经济开发区东部的红石河上，位于云南省西部，德宏傣族景颇族自治州南部，东部与潞西市相邻，西部与瑞丽市相连，北部与陇川县相接，南部与缅甸接壤，是我国陆路通往缅甸及东南亚国家的要道。红石河水库是一座以灌溉为主、兼顾城镇供水备用水源的中型水库，水库径流面积2.4km2，坝高39.58m，坝长190.5m，总库容为111.1万m3，兴利库容91.02万m3，死库容6.68万m3。

水库周边的地层上覆第四系风积、坡积红黏土，土质疏松，垂直向的节理发育;其下伏的基岩是第三系沉积红层软岩，岩性主要泥岩、泥质砂岩、砂岩、砂质泥岩和砂砾岩等，产状主要为互层状，产状相对平缓，遇水易崩解、泥化、红层软岩的物理性质的室内试验成果见表1。沿水坝坝基分布着深厚的红层软岩，其力学性质偏软，遇水容易发生泥化，对坝基的稳定性由重要影响。

图1 试验点平面布置

图2 试验地层垂向布置

1.2 测试方法

1.2.1平板载荷试验

本试验采用面积为0.64m2的刚性承压板进行地基逐级施压，测得加压中的土层变形量与荷载值，从而得到天然土层的强度和变形参数[9- 10]。试验前先将承压板被放置于1m深的探槽底部并铺设厚度为20mm左右的砂垫层进行地面找平。本试验采用常用的沉降非稳定法，即快速法进行施压，每级荷载施加后，隔15、15、15、15、30、30min测读一次沉降，保证每级荷载维持2h。试验获得软岩地基上的4个点位的荷载-沉降量曲线，即P-S曲线，按照相关规范确定地基承载力特征值和变形参数。

1.2.2预钻旁压试验

采用PY- 3型预钻式旁压仪进行旁压测试，将旁压仪在预先钻好的竖直孔内的指定位置进行加压使旁压腔膨胀，由膨胀产生的压力施加在孔壁使土体发生变形破坏。试验中通过量测装置获取旁压腔压力和土体变形值之间的关系，从而得到孔壁土体的承载力、变形性质等指标[11]。预钻旁压试验可以从表征土体水平方向应力、强度特性和地基承载力3个方面评价不同深度土体的工程特性[12- 14]。

2 试验结果

2.1 平板载荷试验结果分析

共进行6次浅层平板载荷测试，分别标记为H1～H6，试验点沿渠道坝基轴线呈直线分布，相邻点之间的距离为50m，结果如图3所示。6组P-S曲线的沉降量均有明显突变的情况，因此按照拐点法确定获得地基承载力特征值，即取直线段终点所对应的荷载值为比例界限，该比例界限所对应的荷载值为地基承载力特征值fak，结果见表2。

经过载荷板压缩的土层既发生弹性变形又发生塑性变形，处于弹性变形的阶段的荷载与沉降曲线段为线性关系。因此可以利用弹性理论得到由P-S曲线求解的地基土变形模量E0，公式如下：

(1)

表1 红层软岩的基本物理力学性质

式中，p0—P-S曲线比例极限对应的荷载值，kPa；s—P-S曲线比例极限对应的沉降值，mm；B—载荷板宽度，mm;μ—土的泊松比，取μ=0.3;ω—沉降影响系数，取ω=0.8。

表2为水平向分布的6组载荷试验的变形模量。可以看出4个点的地基承载力和变形模量的值虽然各不相同差距较大。产生差异的原因可能与土体在不同位置具有不均匀性有关。

图3 平板载荷试验曲线

表2 静载试验数据

2.2 旁压试验结果分析

旁压曲线由初始阶段、似弹性阶段和塑性阶段组成，对应着土体在变形过程中的3种不同应力应变状态。其中，初始阶段与似弹性阶段的界限由初始压力P0划分，似弹性阶段与塑性阶段的界限由临塑压力Pf划分，而塑性阶段末端渐近线压力被称为极限压力Pl。图4为8条不同深度处(埋深6～20m)的红层软岩旁压曲线，相邻点之间间隔2m。

根据前人的研究，地基承载力fak按照临塑压力法，由临塑压力pf和初始土压力p0求差获得[12]。

fak=pf-p0

(2)

再由前人的研究[13]计算土体的变形模量E0，公式如下：

E0=αEm

(3)

式中，Em—旁压模量，相关系数α取为1.515。由预钻旁压试验得到随深度变化的软土强度和刚度参数结果见表3。

图4 软土旁压试验曲线

表3 旁压试验各参数数据

3 试验结果分析

采用载荷试验、预钻旁压试验和标准贯入试验，选取该地区在垂直向和水平向上的典型地层作为原位试验点，对试验结果分析获得红层软岩的地基承载力和变形模量在一定水平距离和垂直深度范围内的分布，如图5—6所示。

图5 不同水平位置的地基承载力和变形模量

从图5中的承载力特征曲线可以看出在桩号K166+400和K166+440试验点处的地基承载力特征值为327.9和392.1kPa，从变形模量曲线可以看出在K166+400和K166+440试验点处的变形模量为5.21和5.30MPa。说明该处的地基承载力和变形特性较差。结合地质勘探资料知道该点红层软岩厚度较小，下卧白云质灰岩软弱夹层并存在溶洞，含水率大，导致该处岩土体的物理力学性质较差。随试验点的桩号增大，红层软岩厚度逐渐变厚，地基承载力有明显增大趋势，在K166+500和K166+495试验点的地基承载力比桩号K166+400处的地基承载力分别提高了60%和66%，变形模量分别提高了；而桩号K166+520处的红层软岩厚度突减，其承载力特征值和模量也出现大幅降低。说明红层软岩的分布厚度在水平向的不均匀性对红层软岩地层的承载力和变形模量具有较大影响。

图6 地基承载力和变形模量与地层深度关系

从图6不难看出在红层软岩地层中，垂直向承载力和模量呈现随深度呈增大趋势，究其原因，在试验深度范围内的软岩地层中，由于上覆荷载作用，不同深度的地层应力状态不同，深部地层的固结程度较好，从而提高地基承载力和变形特性。土层地基承载力特征值的均值fakm=1358kPa，变形模量的均值Em=10.1MPa。从图6中可以看出变形模量和地基承载力特征值随深度成明显的线性关系。图6中变形模量和和承载力特征值的线性关系的相关系数的平方都达到了0.93以上，说明地基承载力值与深度有较好的线性相关性，用图中的线性公式可以对该地层各深度的红层软岩地基承载力特征值和变形模量值进行预测。

4 总结

(1)以红石河水库地基的红层软岩为研究对象，分析了地基承载力特征值和变形模量的空间分布规律，发现承载力和变形特性在水平向较小范围内有较大幅度的变化，在垂直向的承载力和变形模量随深度有增大趋势。

(2)根据旁压试验结果，针对一定深度范围内的承载力和变形模量提出了较简便的拟合计算公式，对实践工程中获取不同深度的承载力和变形模量具有一定参考价值。

(3)红石河的地基红层软岩具有明显的水平不均匀性和垂直分层性，测得地基承载力和变形模量在较小的范围内有较大程度的变化。因此，在红层软岩地区进行水利枢纽的基础建设时，应注意其工程参数的空间分布特征对实际工程造成的影响。