玄武岩积土测试研究

本文作者：徐 良 柴寿喜 魏厚振 张瑞敏 单位：天津城市建设学院 天津市软土特性与工程环境重点实验室 中国科学院 武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室

0引言

我国分布较广的玄武岩主要为新生代玄武岩和二叠系峨眉山玄武岩，贵州主要分布的是二叠系峨眉山玄武岩［1］。残积土是岩石风化后残留在原地的土，基本上失去了原岩的性质［2］。现有的研究成果表明，残积土有其特殊的性质［3～5］，如结构性强、高含水率、高孔隙比、厚度分布不均及风化程度差异大等特点。如今在残积土地区工程建设项目越来越多，亟需对残积土的工程性质进行全面了解。残积土的结构性较强，对贵州地区粗颗粒玄武岩残积土采用原位旁压试验和动力触探方法研究玄武岩残积土力学参数的空间变化。通过高密度电法探测残积土的电阻率，可一定程度上了解残积土物理性质的空间分布。旁压试验实质为一种横向载荷原位试验。与室内试验相比，旁压试验能够反映测试位置原始的应力状态;可以不受地下水位的影响，测试不同深度的力学参数;且可用于比较难取原状样的松散层。旁压试验在原位测试中的应用已较多，实践证明可以得到可靠准确的力学资料。汪稔［6］等在苏通大桥地质勘察中运用旁压试验，得到了深埋土层的原位力学参数，为地基评价和基础选型提供了依据，效果良好;彭柏兴［7］等进行了软岩旁压试验与单轴抗压试验的对比研究，研究表明，旁压试验不必取样，扰动小，测试所得旁压试验的临塑压力Pf与天然单轴抗压强度R0及基岩承载力有较好的相关性;彭柏兴［8］等还将旁压试验所得参数与波速测试结果进行对比分析，采用两种试验方法联合评价红层软岩的性质，证实了开展多种试验手段的联合测定可有效提高试验的准确性。高密度电法是基于土的电阻率差异，是常规勘查的一种辅助手段，能弥补常规勘查方法以点带面的缺点。研究表明［9，10］，土的电阻率受土的干密度、含水率、孔隙比和孔隙水导电率等物理因素的影响，残积土因风化程度不同且未经运移，不同位置处的物理性质差别较大，适合使用高密度电法进行探测。郭秀军［11］的研究证实，土的电阻率受粒度成分、含水率和密实度的影响，土的变形参数与电阻率间存在较好的相关性。

1试验概况

于贵州省毕威高速K103+500～K103+600的边坡上进行了旁压试验、动力触探和高密度电法试验。场区地质情况如下:上覆第四系残坡积(Qel+dl)粉质粘土，下伏二叠系上统峨眉山玄武岩(P2β)。第四系粉质粘土(Qel+dl)为褐黄色、灰褐色，可塑状，含少量碎石，厚0～8m，场区均有分布;二叠系上统峨眉山玄武岩(P2β)，按风化程度分为强风化、中风化两层。其中强风化层:灰黄色，节理裂隙发育，岩体破碎，岩质软，厚度较大，场区均有分布;中风化层:灰绿色，节理裂隙较发育，岩体较破碎，岩质较硬。为了更好地了解玄武岩残积土的工程性质，取原状土进行了室内土工试验，试验结果见下表1。原状土为褐黄色土夹杂棕红色土，塑性指数大于17，为粘土，与地质资料显示的粉质粘土有出入。用二极法测试原状土电阻率，得出1m深度处所取原状土电阻率在180～220Ω•m之间，将原状土进行不排水快速直剪试验，得其粘聚力为27.9kPa，内摩擦角为32.37°，室内试验所得参数可作为原位试验的对比值。

1.1试验点分布图1中P1～P8为旁压试验点，D1～D5为动力触探试验点，L1和L2为高密度电法的两条测线。

1.2旁压试验试验采用法国梅那GA型预钻式旁压仪，由量测装置、钻杆(旁压器)和压力源构成，三腔式旁压器(探头外径60mm，测量腔长200mm，容积为535cm3)。试验时，将钻杆(旁压器)放入预先钻好的竖直钻孔内测量得到水平旁压模量EH，然后由附近侧面钻一水平钻孔测量得到竖直旁压模量EV。测量时调节量测装置逐级加压，压力稳定后记录压力，并记录量管30s、60s、120s时的液面读数，当量管内水体积变化超过600cm3时应停止试验。

1.2.1旁压试验原理根据线弹性理论，将旁压试验主腔周围土体简化成平面问题，如图2所示。孔壁附近处土体会受到一个附加均布压力ΔP=P－P0(P为孔壁处的作用力，P0为孔壁土体的应力)，则距主腔中心r处的点会产生u的位移，该点会移至ρ=r+u处。旁压试验认为ρ达到一定值时，即为土体破坏。试验中通过压力源加压，记录量管中液面的下降值。所加压力经过修正后即为ΔP，液面下降值修正后可换算出ρ。根据ρ在一定压力下的变化规律，可得该处土的力学性质［12］。

1.3动力触探动力触探试验采用轻型动力触探，落锤质量为60°，各探杆直径均为25mm。选取了5个点进行轻型动力触探，记录每贯入10cm的锤击数。

1.4高密度电法高密度电法采用重庆地质仪器厂生产的DUK-2B高密度电法测量仪，沿边坡横向布置两条测线，电极间距为3m，两条测线均为30个电极，应用温施工作模式进行测深，隔离系数设为12，测深为36mm。

2试验结果

2.1旁压试验结果与分析试验时竖直方向钻孔可得到水平旁压模量EH，水平方向钻孔可得到竖直旁压模量EV。试验所得压力—体积变形曲线如图3、图4所示。由图3、4看出，试验所得旁压曲线为典型的旁压曲线，存在恢复阶段、似弹性阶段和塑性阶段，无缩孔或孔径过大的现象。竖直旁压试验所需的压力较大，根据旁压测试所得曲线，可得出玄武岩残积土的原位力学参数，如表2所示由表2可看出，同一深度不同位置处的力学参数差别较大，这与残积土风化程度不同，厚度分布不均的特点相符。P1其力学参数较大，与现场钻孔时发现其为碎石土相符合;P2钻孔时发现为全风化红粘土，厚度很大，粘性很强，可能为其力学参数较大的原因。

2.1.1EH与EV的比较由表2看出，水平旁压模量EH与竖直旁压模量EV相差分别为4%、25%、20%、13%，平均值约为15%。许多学者的研究结果表明［14］:水平旁压模量与竖直旁压模量差别不大，一般相差幅度不超过5%，与本次试验结果有些出入。可能原因:一是试验为人工用麻花钻钻孔，成孔时对孔壁土体存在一定扰动;二是原位试验的数据往往离散性较大。同一部分土体两个方向旁压模量的关系如图5所示，由图5可看出，水平旁压模量EH与竖直旁压模量EV相关性较好，关系式所对应的直线斜率非常接近于1，也反映出同一部分土体的EH与EV差值并不大。

2.1.2回弹后的旁压试验试验时，为验证钻孔在一次旁压试验后的破坏情况，同一位置进行了两次旁压试验，图6所示为初始的P-V曲线与回弹后再次进行旁压试验的P-V曲线。在第一次旁压试验压过后，孔壁会被挤大，由图6可看出，回弹P-V曲线的似弹性阶段延长线所对应的体积非常小，所以根据曲线可看出，初始压力P0非常小。可理解为，在恢复阶段及似弹性阶段，弹性膜处于自由膨胀阶段，仅需约90kPa压力，弹性膜就能迅速膨胀直至增大为近600cm3，此时可认为把第一次试验后回弹的土挤回到原位。之后加压到200kPa时，体积变化并不明显，证明钻孔周围土还没有完全破坏，仍可承受一定压力。受测量管水量的限制，一般认为当体积增量达到2V0+Vc时土体破坏［12］(V0为初始压力对应的体积;Vc为旁压器的固有体积)。

2.1.3EH与fk随深度的变化旁压模量是反映地基土应力与体积变形之间的重要指标，地基承载力为工程设计的重要指标，图7、图8反映了水平旁压模量EH与地基承载力fk随深度增加而逐渐增大的变化趋势，这与随着深度的增加自重应力变大有关。在3m深度范围内，建议旁压模量取12MPa，地基承载力取600kPa。

2.1.4不同横向位置同一深度处的EH比较该边坡覆盖土为残积土，未经过水平运移，力学性质相似的残积土其风化程度也相似，试验测试了不同横向位置同一深度处土的旁压模量，可反映该边坡在横向上土的风化程度。试验点P3、P4、P5之间分别相差7m和15m，试验点P6、P7、P8分别相差2m和20m，结果如下图9所示。由图9看出，不同横向位置同一深度处的旁压模量相差很大，其它力学参数均有相似性质。结合高密度电法反演图可直观看出土的性质的变化。

2.2高密度电法试验结果与分析高密度电法反演结果如图10(a)、(b)所示。由于土的电阻率受到土的含水率、孔隙比和矿物成分等因素的影响，观测到残积土电阻率的空间分布情况后，较难从电阻率数值的大小判断残积土的物理性质。但可以看出，即使在同一边坡上，相距很近处土的电阻率差别也较大，这是残积土风化程度不均匀特性的表现。在残积土覆盖层的不同横向位置处，残积土的电阻率变化较大，与旁压试验所推测的力学参数变化规律一致。由图10(a)、(b)可看出，图中折线上部电阻率值较大，结合地质资料分析，地表0～8m应为强风化层。Ⅰ区和Ⅱ区应为风化程度较小的基岩，岩体相对于风化层来说孔隙比小，有上部覆盖层保护，含水率较高，因此电阻率值较小。

2.3动力触探与旁压试验对比分析动探击数与对应旁压试验推得的地基承载力关系如图11所示。拟合关系式为。由此推得该地区玄武岩残积土轻型动力触探与承载力的的经验公式为。

3结论

依据现场试验，结合室内试验对玄武岩残积土的力学参数和电学特性进行了分析，得出如下结论。

(1)水平旁压模量EH与垂直旁压模量EV差值在15%左右，两个方向的旁压模量相关性较好。(2)同一钻孔的两次旁压试验结果表明，弹性膜体积增大600cm3时土体并没有完全破坏，在将回弹的土挤回原位后，仍可承受一定的压力。(3)不同横向位置同一深度处土的旁压模量相差很大，说明该边坡残积土覆盖层的风化程度差异很大。即使相距较近点处土的力学性能也有明显差异，由高密度电法反演结果可直观地看出。(4)初始压力、临塑压力、极限压力、旁压模量及地基承载力均随深度的增加逐渐增大。在3m深度范围内，建议旁压模量取12MPa，地基承载力取600kPa。(5)轻型动力触探击数与旁压试验推得的地基承载力相关性较好，得出的该地区动探击数与承载力的经验公式，可作为工程应用的参考。