全强风化矿物饱水状态下变形模量原位试验研究

罗启迅，王晓龙，于新凯

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610065）

旁压试验能在土原来所处的位置保持土的天然结构和天然应力状态测定土的性能，是行之有效的原位测试手段。载荷试验能直观模拟矿山工程施工对地层的作用，被认为最直接的承载力和变形模量测试方法[1]。变形试验通过循环加载方式[2]，考虑了地层回弹作用，是载荷试验的印证和补充。

对于中小型水库，出于经济和环保的考虑，往往不会全部清除覆盖层[3]。这就需要考虑覆盖层的强度和变形情况，对于强风化矿物还需要考虑其遇水软化的特性。本文在探洞内对不同深度的饱水48h的全强风化矿物进行了载荷试验和变形试验，并在其附近的试验孔内对应深度进行了旁压试验。本文分析了不同风化程度矿物的变形指标，提出了饱水状态下由旁压剪切模量推求矿物变形模量的经验系数。

1 地质体基本特性

1.1 矿物成分

对弱风化的矿石进行磨片鉴定，磨片矿物镜下照片见图1。镜下矿石具有中-粗粒结构。矿石呈浅灰色，具中粗粒粒状结构，碎裂结构，略见定向构造（表现为长英质组分的定向），裂隙较为发育。矿石中主要组分为长石（约＞65%）：灰白色略带淡黄绿色，＜5mm，少数光泽暗淡呈土状；石英（约30%），烟灰色，集合体粒度可达12mm，油脂光泽，有破碎；矿石中基本无暗色矿物，但含少量黄绿色帘石或粘土矿物粉末。

1.2 物理性质

按照《土工试验规程》（SL237-1999）[4]对试验位置的土体进行了密度、含水率、界限含水率、比重和颗分试验，试验成果见表1～表2和图2。EPD07-3(⊥)为强风化地质矿物，未进行颗分试验，其物性指标为试验点的指标。EPD07-1(⊥)和EPD07-2(⊥)均定名为粘土质砾。

图1 原矿的磨片矿物镜下照片

从表中可以看到随着试验点位置的深入，土体的干密度、湿密度、细粒含量和比重增大；土体的孔隙比、含水率（吸水率）、液限、塑限、塑性指数和不均匀系数减小。这是由于表层矿体的风化程度强，发生的物理化学变化更激烈，其细粒和黏土矿物含量更高，相应的保水能力、液塑限和不均匀系数就会大于深层土体。而深部层的矿石较为完整，原生矿物和粗粒含量多，其密度和比重等指标大于表层土体。

图2 试验地质样品的颗分曲线

2 原位试验

按照表3所示方案，进行了原位试验，EPD07-1(⊥)靠近地表未进行变形试验。

2.1 载荷试验

在勘探洞内进行载荷试验，将洞顶加工平整后，使用高强水泥将反力背板粘在洞顶，从而利用洞顶提供反力。反力背板下依次为传力轴，千斤顶，承压板。在承压板上安置百分表，千斤顶与油泵相连接。使用油泵控制千斤顶提供集中力的方式加载，检测荷载逐级施加，一次卸载，三组载荷试验均加载至比例极限后2级。

表1 试验土体物理性质

表2 试验地质样品颗粒级配组成

表3 原位试验方案

表4 载荷试验成果

对矿物的饱水48h后进行载荷试验，成果见表4、图3～图5，成果表明：试验矿物的承载力基本值为1080kPa～2000kPa，变形模量为13.4MPa～49.7Mpa。随试验深度增加，承载力基本值和变形模量增大，比例极限相应变形量减小。

这与试验土体的物性指标有良好的一致性，风化严重的地质体更松散，更易破碎，其承载力和变形模量小，比例极限对应的变形量更大。

2.2 变形试验

在勘探洞内进行载荷试验，试验装置与载荷试验相同。采用刚性承压板法，分五级加压，采用逐级一次循环法。对矿物样品饱水48h后进行变形试验，成果见表5和成果表明：割线模量为25.6kPa～43.2kPa，包络线模量为21.6MPa～40.1MPa。变形试验的模量与载荷试验的模量较吻合。深层矿物样品的变形模量大于表层土体，也与载荷试验一直。

2.3 旁压试验

旁压试验实质是原位横向载荷试验，由法国工程师梅纳(Louis Ménard)发明于1957年。其原理是将圆柱形旁压器竖直放入土中，利用旁压器扩张对周围地层矿物施加均匀压力，量测压力和径向变形关系来获取地质矿物在水平方向的应力应变关系[5]。其试验时的应力条件接近于圆柱孔穴扩张课题。本试验采用PY-2型预钻式旁压仪，三腔式旁压器公称外径φ90mm，试验预钻孔径φ94mm。

坝址覆盖层残积矿物钻孔旁压成果见表6和图8～图10，成果表明：地层承载力基本值为830kPa～1940kPa；旁压模量为10.77MPa～40.16MPa；旁压剪切模量为4.24MPa～16.73MPa。与载荷和变形试验成果一致，旁压试验获得的强度和变形参数，也随着试验深度的增大而增大。

表5 矿物变形试验成果汇总表

表6 旁压试验成果

图3 EPD07-1(⊥)载荷试验压力～沉降曲线

图4 EPD07-2(⊥)载荷试验压力～沉降曲线

图5 EPD07-3(⊥)载荷试验压力～沉降曲线

2.4 变形模量

《工程地质手册》推荐使用以下公式推求土体的变形模量：

式中：E0为变形模量，MPa；Gm为旁压剪切模量，MPa；k为经验系数，对于砾砂取11。

从表4和表6中可以看到旁压试验获得的承载力基本值与载荷时候获得的较为接近，二者有良好的一致性。但旁压试验获得的承载力基本值普遍略小于载荷，主要是由于载荷试验在平面上进行，而旁压试验在孔内进行，存在应力集中的影响。

旁压剪切模量与载荷变形模量关系如表7所示，表中的经验系数均接近3。而《工程地质手册》推荐的经验系数k=11，两者差距巨大。导致差异的主要原因是本次载荷试验是在饱水48h的状态下进行的，而《工程地质手册》的经验系数是针对天然状态的土体（载荷试验一般均在干地条件下进行）。由此可见，含水率的变化对全强风化矿物的变形指标有巨大影响，对于饱和状态的地质体不能直接套用工程地质手册的经验系数，应以载荷试验成果为准。

表7 旁压剪切模量与变形模量关系表

3 结论

（1）对全强风化矿物的物性试验、载荷试验、变形试验和旁压试验成果之间有良好的一致性和自洽性。试验成果表明：随着风化程度的减弱，土体的密度、比重、细粒含量、变形和强度指标增大，而土的孔隙比、含水率、液塑限和不均匀系数减小。

图6 EPD07-2(⊥)变形试验压力～变形曲线

图7 EPD07-3(⊥)变形试验压力～变形曲线

图8 EPD07-1(⊥)旁压试验曲线

图9 EPD07-2(⊥)旁压试验曲线

图10 EPD07-3(⊥)旁压试验曲线

（2）旁压试验获得的承载力基本值与载荷试验获得的较为接近。载荷试验变形模量约为旁压剪切模量的3倍。对于饱和状态的土体不能直接套用工程地质手册的经验系数，应以载荷试验成果为准。