柴家峡红层软岩原位工程特性的空间分布特征

杨春景　张迪　孙海枫

摘 要：为了获得黄河上游第三系红层软岩承载力和变形参数沿水平向及垂直向的变化规律，利用旁压试验和平板载荷试验对分布于柴家峡水利枢纽的红层软岩展开研究。 结果表明：红层软岩的地基承载力和变形参数在较小水平距离的范围内有较大变化，不同水平位置的试验结果与岩土体的埋深、含水率及风化程度等有关;在同一水平位置处的承载力和变形模量，沿垂直向深度呈线性上升的规律，物理化学风化和地应力作用使得地表与深层岩体的承载力及变形特征有所差异。研究结果揭示了红层软岩的工程特性具有明显空间变异性的特点，导致跨度较大的构筑物布置在红层软岩地段时常会产生不均匀沉降。

关键词：红层软岩;旁压试验;平板载荷试验;工程特性;空间分布特征

中图分类号：TV223.1   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.024

Study on Space Distribution of In-situ Engineering Parameters of Red-Bed Soft Rock in Chaijiaxia Area

YANG Chunjing1，2， ZHANG Di1， SUN Haifeng3

（1.Yellow River Conservancy Technical Institute， Kaifeng 475004， China;

2.Kaifeng Yellow River Civil Engineering Experimental Center， Kaifeng 475004， China;

3.Sichuan Vocational and Technical College of Communications， Chengdu 611130， China）

Abstract：  In order to obtain the vertical and horizontal parameters of the bearing capacity and deformation characteristics of soft rock in the Chaijiaxia area， the soft rock of a dam foundation of diversion channel was studied based on the pressuremeter tests and plate load tests. The results show that the bearing capacity and deformation parameters of soft rock in red-bed vary greatly in a small horizontal distance， and increase linearly along the depth vertically. And the test results are related to the depth， moisture content and weathering degree of rock and soil. The modulus of deformation can be obtained from the modulus of pressuremeter tests at different depths by means of the structural coefficient. Weathering and stress states make the bearing capacity and denaturation characteristics of surface and deep rock mass are various from each other. The research results reflect the spatial distribution characteristics of mechanical and deformation characteristics of soft rock in red beds，thus the uneven settlement of structures with large span often occurs in red-bed soft rock. The test results can provide a certain reference for the selection of design parameters of related strata and also provides a reference for the formulation of relevant formation in-situ test scheme.

Key words： red-bed soft rock; pressuremeter test; flat loading test; engineering characteristic;spatial distribution characteristics

第三系紅层沉积岩在我国西南、西北地区分布相当广泛，是在黄河上游地区基础工程建设中经常遇到的主要特殊岩土体类型之一[1-2]。该类型的岩石是在干旱、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， 统称为红层软岩[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]。红层软岩是一类具有特殊物理力学性质的软弱岩体， 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，由于红层软岩强度低，工程稳定性差，力学参数变异性大，因此其取值对于水利工程的安全性及经济性影响巨大。红层软岩地层地基沉降变形非常复杂多样， 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決定着工程稳定性[6]。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，避免了取样、运输和制样等过程的影响，相对于室内试验更真实，是岩土工程勘察中的重要测试手段[7]。前人基于原位试验对红层软岩开展了大量试验研究，取得了一系列研究成果。刘振宇等[7]通过载荷试验发现红层软岩的地基承载力特征值较小，工程沉降量较大;刘颖等[8]基于原位剪切试验和平板载荷试验的结果，指出红层软岩的强度代表值与实际情况有一定差异，突出了原位试验的可靠性;胡启军等[9]利用原位剪切试验对红层泥岩桩基承载力的计算方法进行了修正。以上利用原位测试技术对红层软岩进行的研究，主要集中在一个测试位置的工程特性探测，关于空间位置对试验结果的影响研究并未涉及。此外，有关研究表明红层软岩受分布位置、风化程度和地下水的影响，其力学性质的空间分布具有很强的不均匀性与各向异性[10-11]。当跨度较大的水利枢纽构筑物布置在红层软岩地段时，地基常会产生不均匀沉降，导致结构开裂等严重病害[12]。因此，开展红层软岩原位工程特性的空间分布特征研究对揭示该地区工程特性分布特征和选取合适的设计参数具有重要意义。

本试验在柴家峡水利枢纽的红层软岩地层上进行，分别沿水平向和垂直向开展旁压试验和平板载荷试验，获得了不同水平距离和埋深点的承载力及变形参数，综合这两种试验的结果，对柴家峡水利枢纽红层软岩原位工程特性的空间变形性进行评价，旨在为相关地层红层软岩的原位试验方案和工程参数选取提供参考。

1 工程地质条件与原位测试方法

1.1 岩层概况

试验场地位于甘肃省兰州市，地处黄河上游龙羊峡至青铜峡河段，柴家峡河段沿岸西缘，其地层条件复杂，场地附近未见断裂构造，岩体构造比较稳定。上覆较浅的第四系坡积土，土质疏松， 垂直向的节理发育;其下伏的深厚基岩是第三系沉积红层软岩， 岩性主要有泥岩、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。岩石钻孔取得芯样见图1，物理性质的室内试验成果见表1。图2为柴家峡红层软岩坡体，可以看出该地区分布了深厚的红层软岩，便于开展原位试验和钻孔取样。

1.2 试验方案

为了研究红层软岩工程特性在空间位置的分布特征，在柴家峡水利枢纽坝基的不同水平位置和垂直位置布设试验点，开展平板载荷试验和旁压试验。试验点的布置见图3，其中：平板载荷试验点主要沿坝基轴线分布，每隔40 m进行一次平板载荷试验;旁压试验点沿地层深度方向分布，每隔2 m的深度进行一次旁压试验。从图4可以看出相距几十米水平位置处的红层软岩分布厚度有很大差别，证明了研究其工程特性空间变异分布特征的必要性。

1.3 测试方法

1.3.1 平板载荷试验

采用面积为0.64 m2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[13]。试验前先将承压板放置于1 m深的探槽底部并铺设厚度为20 mm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，分别隔15、15、15、15、30、30 min 测读一次沉降，保证每级荷载维持2 h。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。

1.3.2 预钻旁压试验

采用PY-3型预钻式旁压仪进行旁压试验。首先利用钻机进行钻孔;再将旁压仪放置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进而使土体发生变形破坏;加压过程中通过量测装置获取旁压腔的压力与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[14]。预钻旁压试验可以从土体水平向应力、强度特性和地基承载力三个方面评价不同深度土体的工程特性。

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50 m。试验结果如图5所示，由6条P—S曲线可以看出沉降量均有明显突变的情况，因此按照拐点法确定地基承载力特征值，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，处于弹性变形阶段的荷载与沉降量为线性关系。借鉴汪稔等[15]利用弹性理论得到的地基土变形模量E0求解方法，公式如下：

E0=ω（1-μ2）p0Bs（1）

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

水平向分布载荷试验得到的变形模量结果见表2。可以看出在不同位置的4个试验点处，地基承载力和变形模量有明显的差距，产生工程性质水平分布差异的原因与在不同位置处软岩的厚度不均匀性有关。

2.2 预钻旁压试验结果分析

旁压变形曲线由初始阶段、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6是8条不同深度处（埋深6～20 m）的红层软岩旁压曲线，相邻点之间的间隔为2 m。

根据前人的研究，由试验得到的地基承载力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[16]。

fak=Pf-P0（2）

再根据文献[17]的研究结果计算土体的变形模量E0，公式如下：

E0=αEm（3）

式中：Em为旁压模量;α为相关系数，取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，见表3。

3 试验结果分析

3.1 原位工程特性的空间分布特征分析

采用平板载荷试验和预钻旁压试验，把该地区在水平向和垂直向的典型地层作为原位试验点开展试验，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存在较大变化，见图 7。其中，进行平板载荷试验的红层软岩处于地面表层，进行预钻旁压试验的试验点处于钻孔深度6～20 m的地层。综合这两种试验的结果，对该地区第三系红层软岩原位工程特性的空间变形性进行评价。

从图7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分别为327.9 kPa和392.1 kPa，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分别为5.21 MPa和5.30 MPa，说明该处的地基承载力和变形特性较差。结合地质勘探资料可知K166+400和K166+440试验点处红层软岩厚度较小，下卧白云质灰岩软弱夹层，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56%和 63%。而桩号K166+520处的红层软岩厚度突减，其地基承载力特征值和变形模量也出现大幅降低。说明红层软岩在分布厚度与水平向的不均匀性，使得红层软岩地层的承载力和变形模量具有较大差异。

从图8发现在红层软岩地层中，垂直向承载力和变形模量随深度呈增大趋势，其原因是在试验深度范围内的软岩地层中， 在上覆荷载作用下，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=758 kPa，变形模量的均值Em=10.1 MPa。从图中可以看出地基承载力特征值和变形模量与深度成明显的线性关系。图中地基承载力特征值与变形模量的确定性系数都达到了0.92以上，说明地基承载力特征值与深度有较好的线性相关性，可以用线性公式对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。

fak（x）=24.450x+414.409（4）

E0（x）=0.904x+1.935（5）

式中：x为地层的深度，m;fak（x）为x深度下地层的承载力特征值，kPa;E0（x）为x深度下地层的变形模量，MPa。

式（4）和式（5）的线性拟合效果均比较好，确定性系数分别为0.954 5和0.926 5。从地层风化程度和应力状态的角度可以解释这种差异性，载荷试验在地表进行，得到的是地表红层软岩的变形模量、地基承载力，而旁压试验所测试的是埋深6 m以下的红层软岩的变形模量、地基承载力。由于风化的作用使得地表岩体的结构相对深层岩体更为松散，深层岩体受到地应力的作用，其力学性质与地层埋深成正相关关系，因此通过平板载荷试验得到的变形模量、地基承载力比旁压试验得到的结果小。

3.2 试验结果的工程意义

本文的试验结果说明柴家峡水利枢纽的红层软岩在水平向和垂直向的不均匀性对该地层的工程特性具有较大影响。红层软岩主要分布在峡谷、山坡和盆地等地质环境中，常有在几十米范围内分布厚度相差十米的独特现象[18]。其横向的分布厚度变化很大，力学行为受原始地貌与下伏基岩起伏的影响很显著，导致岩体表现出的工程特性也存在很大差异。

基于这种特殊现象，本文采用原位测试手段定量评价了柴家峡红层软岩承载力和变形参数空间分布的规律，揭示了红层软岩分布地区的工程特性的空间变异性特点。当跨度较大的水利枢纽构筑物布置在红层软岩地段时，地基常会产生不均匀沉降，导致结构开裂等严重病害。在实际工程中，地基承载力特征值和变形模量是两个重要的工程设计参数，直接决定了边坡、坝基等工程安全系数的选取，考虑工程特性的空间变异性有利于防止地基的不均匀沉降。因此，本文的研究方法不仅为柴家峡水利枢纽的工程设计参数选取提供重要依据，也为其他相关地层原位测试方案的制定提供参考。

4 结 语

（1）以柴家峡红层软岩地层为研究对象，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增加有增大趋势。

（2）根据预钻旁压试验结果，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，在实践工程中，对确定不同深度的承载力和变形模量具有一定参考价值。

（3）平板载荷试验比预钻旁压试验得到的变形模量和地基承载力明显偏小，这是因为风化和地应力的作用使得地表岩体的結构相对深层岩体更为松散，应力状态也有所差异。

（4）红层软岩地层具有相当明显的水平不均匀性和垂直分层性，试验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大跨度水利枢纽的构筑物建设时，应注意其不同空间位置处的工程设计参数，以防止地基的不均匀沉降。

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【责任编辑 崔潇菡】

收稿日期：2018-12-05

基金项目：四川省科技厅科技项目（2014JY0254）

作者简介：杨春景（1981—），男，河北唐山人，讲师，硕士研究生，研究方向为地基处理新技术、建筑材料实验与检测技术等

E-mail：linsu073@163.com