日照地區(qū)花崗巖風(fēng)化帶的劃分及工程評價

王成恩

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司, 天津 300251)

1 概述

花崗巖在中國分布廣泛,從東北、華北、華中一直到華南地區(qū)均有分布,時代主要為燕山期。花崗巖結(jié)構(gòu)緊密,強(qiáng)度高,常被選作建筑物的基礎(chǔ)。但由于巖石成分、結(jié)構(gòu)、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、地形地貌條件、地表水侵蝕、堆積狀況不同,各地花崗巖的風(fēng)化層與殘積土的厚度變化很大,總體上呈現(xiàn)從南向北逐漸變薄的趨勢。因此,在工程勘察中,常難以準(zhǔn)確劃分風(fēng)化帶,給施工帶來很大影響。

南方地區(qū)對花崗巖風(fēng)化層的研究較多,主要集中在殘積土與全風(fēng)化的劃分,而北方地區(qū)缺乏系統(tǒng)研究。由于北方花崗巖殘積土厚度薄,而強(qiáng)風(fēng)化與弱風(fēng)化的劃分相對較簡單。以日照地區(qū)花崗巖為例,在總結(jié)花崗巖風(fēng)化帶的基本特征及劃分方法的基礎(chǔ)上,通過對比各種原位測試、室內(nèi)試驗及物探等指標(biāo),對本地花崗巖風(fēng)化帶進(jìn)行了重新判別,并對其工程地質(zhì)特征進(jìn)行簡要評價。

2 花崗巖風(fēng)化帶的基本特征

2.1 花崗巖風(fēng)化帶的劃分

花崗巖風(fēng)化殼分帶國際上一般采用六分法：殘積土、全風(fēng)化帶、強(qiáng)風(fēng)化帶、弱風(fēng)化帶、微風(fēng)化帶及新鮮巖石。國內(nèi)不同部門因關(guān)注對象不同而導(dǎo)致劃分的帶數(shù)和選取的界限指標(biāo)有所不同,如工業(yè)與民用建筑等主要關(guān)心建筑地基的承載力和沉降問題,對殘積土和全風(fēng)化帶的劃分研究較多較細(xì)；水電大壩基底多選微風(fēng)化或中風(fēng)化帶,故其對強(qiáng)風(fēng)化帶以下研究最多。現(xiàn)在比較一致的認(rèn)識和做法是對風(fēng)化殼分帶采用定性定量相結(jié)合的綜合分析判別方法。

2.2 花崗巖風(fēng)化帶空間分布特征

一般來說,濕潤氣候區(qū)以化學(xué)風(fēng)化為主,干燥氣候以物理風(fēng)化為主。花崗巖多沿節(jié)理風(fēng)化,風(fēng)化厚度變化大,且以球狀風(fēng)化為主。風(fēng)化帶的厚度,取決于花崗巖種類、節(jié)理疏密和形式、氣候條件、地表水與地下水的活動狀態(tài)等多種因素,通常氣溫愈高、雨量愈多,風(fēng)化殼和殘積層愈厚。因此,各地花崗巖的風(fēng)化層與殘積土的厚度變化很大。總體上呈現(xiàn)從南向北逐漸變薄的趨勢。一般華南沿海地區(qū)風(fēng)化殼厚度20～50 m,殘積土厚度5～20 m,而膠東地區(qū)則為2～30 m及<5 m,華北北部及東北則更薄,一般<3 m。

2.3 日照地區(qū)花崗巖的基本特征

(1)區(qū)域概況

日照地區(qū)位于郯廬斷裂以東,五蓮—榮成斷裂以南的“膠南—文威構(gòu)造帶”中，地貌以丘陵及丘間平原為主。本地花崗巖分布廣,規(guī)模大,以晉寧期至燕山期侵入片麻狀二長花崗巖、二長花崗巖為主,穿插后期侵入的輝綠巖、閃長巖、煌斑巖等巖脈,普遍受到韌性變形作用影響,片麻理、線理發(fā)育,但礦物本身變形較弱。巖體受到第三期韌性剪切作用影響,條紋狀構(gòu)造及糜棱面理、拉伸線理較發(fā)育,還發(fā)育揉皺構(gòu)造。

(2)礦物組成

本地花崗巖礦物成分以斜長石、鉀長石及石英為主,含少量黑云母及角閃石。晉寧期至燕山期礦物成分演化規(guī)律較明顯,主要表現(xiàn)在石英含量從早到晚呈增多趨勢,暗色礦物(黑云母、角閃石)呈減少趨勢,長石總量變化不大。巖石風(fēng)化面呈灰黃色,新鮮面呈青灰色、淺紅色及灰白色,片麻狀構(gòu)造、塊狀構(gòu)造,中細(xì)粒變晶結(jié)構(gòu),顆粒大小位于0.5～3.2 mm之間。斜長石占25%～30%,鉀長石約45%～50%,石英25%～30%,黑云母約5%～8%,含少量角閃石,最高約3%。

鉀長石：粒狀,發(fā)育有條紋結(jié)構(gòu),略有土化。斜長石：粒狀,形狀不規(guī)則,局部有輕微的土化及絹云母化。石英：粒狀,多以集合體出現(xiàn)。黑云母：片狀,褐—淺黃多色性,分布于粒狀礦物間。

(3)顆粒風(fēng)化特征

花崗巖根據(jù)其結(jié)晶大小,有粗(>5 mm)、中(2～5 mm)、細(xì)粒(<2 mm)之分。風(fēng)化層的顆粒成分取決于風(fēng)化程度,與原巖的粒度和石英顆粒大小含量有關(guān)。因此,花崗巖風(fēng)化層厚度與母巖的礦物成分、結(jié)晶體大小有直接關(guān)系。日照地區(qū)花崗巖結(jié)構(gòu)以中細(xì)粒為主,巖體中經(jīng)常穿插有后期侵入的煌斑巖、輝綠巖等細(xì)粒巖脈。一般來說,顆粒越粗越易風(fēng)化。風(fēng)化層中粗顆粒大多數(shù)是夾棱角狀的石英和風(fēng)化不徹底的長石,細(xì)顆粒主要為風(fēng)化后的長石、角閃石等，風(fēng)化層厚度明顯粗粒結(jié)構(gòu)大于中細(xì)粒結(jié)構(gòu)。

3 花崗巖風(fēng)化帶劃分的常用方法

巖石風(fēng)化帶的劃分研究經(jīng)歷了由定性到定量，單因素到多因素,從一般方法到應(yīng)用概率,模糊數(shù)學(xué)等方法的發(fā)展過程。準(zhǔn)確的劃分巖石風(fēng)化程度應(yīng)是宏觀、微觀，多途徑、多指標(biāo)綜合判別的結(jié)果。尤其前者在強(qiáng)風(fēng)化巖和全風(fēng)化巖土分類和工程評價中具有重要作用。

宏觀指標(biāo)包括能反映巖體風(fēng)化特征的宏觀現(xiàn)象(如顏色、巖石完整性、樣品堅硬程度等)和宏觀指標(biāo)(如鉆進(jìn)速度、巖芯采取率、干密度、吸水率、聲波速度),主要通過野外地質(zhì)調(diào)查、工程鉆探、探井、靜力觸探、原位測試(標(biāo)貫、動探等)及物探方法獲取。微觀指標(biāo)包括能反映風(fēng)化程度的物理、化學(xué)等指標(biāo),主要通過室內(nèi)土工試驗、化學(xué)分析獲得。

規(guī)范中規(guī)定以巖石的野外特征及波速比KV劃分巖石風(fēng)化程度。花崗巖類巖石,則可采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗劃分。花崗巖類風(fēng)化巖及殘積土呈漸變過渡,根據(jù)實踐經(jīng)驗還可用某些測試手段進(jìn)行劃分。綜合劃分標(biāo)準(zhǔn)如表1。

表1 巖石風(fēng)化程度劃分參數(shù)指標(biāo)

近年來,物探方法發(fā)展迅速,在鐵路、公路、水利水電等勘察中廣泛用來劃分巖石風(fēng)化帶。主要方法有探地雷達(dá)、高密度電法、高分辨淺層反射地震方法、電測深法等。如長江三峽宜昌三斗坪壩區(qū)采用探地雷達(dá)劃分花崗巖風(fēng)化帶,可以清晰地分辨出表土以下全風(fēng)化帶、強(qiáng)風(fēng)化帶、弱風(fēng)化帶之間的界面。而福建惠安核電廠場采用高分辨淺層反射地震方法可清楚地區(qū)分出第四系松散層、強(qiáng)風(fēng)化層、弱風(fēng)化層、微風(fēng)化層及未風(fēng)化層花崗巖。

4 勘察方法的選取

花崗巖地區(qū)勘探工作,除鉆孔及室內(nèi)試驗外,應(yīng)有一定數(shù)量的探井,并應(yīng)與標(biāo)貫試驗、超重型動力觸探試驗N120、旁壓試驗、波速測試等原位測試結(jié)合。本次勘察對不同風(fēng)化程度采用不同的測試方法,對花崗巖風(fēng)化帶進(jìn)行綜合分析。具體見表2。

表2 不同風(fēng)化程度采用的勘察方法

野外調(diào)查、探井、鉆探主要獲取巖石的野外特征,標(biāo)貫、動探主要獲取風(fēng)化層的擊數(shù),室內(nèi)土工試驗主要獲取風(fēng)化層的物理、力學(xué)指標(biāo),剪切波速主要獲取巖石的橫波速度,電測深法則為巖石的視電阻率。

5 花崗巖風(fēng)化帶的劃分

5.1 地質(zhì)調(diào)查及探井

巖石風(fēng)化帶的劃分應(yīng)以巖石的原始狀態(tài)為主。現(xiàn)階段工程勘察中經(jīng)常以巖心狀態(tài)、試驗或測試指標(biāo)劃分,忽略巖石的野外特征。而國內(nèi)外規(guī)范都是以巖石的野外特征作為風(fēng)化帶劃分的基礎(chǔ),因此野外特征應(yīng)引起重視。野外特征的獲取以野外地質(zhì)調(diào)查及探井為主。

通過詳細(xì)的野外調(diào)查及探井揭示,本地區(qū)花崗巖風(fēng)化帶厚度分布不均。低山丘陵區(qū)大部分出露強(qiáng)風(fēng)化甚至弱風(fēng)化花崗巖,全風(fēng)化層薄,一般厚1～2 m。丘間平原區(qū)風(fēng)化帶厚度變化大,殘積土厚約1～2 m,全風(fēng)化厚約2～4 m,強(qiáng)風(fēng)化帶厚度變化大,從0～20 m不等。風(fēng)化帶具體特征如下。

殘積土：黃褐色,呈土狀,具可塑性,含不等量的砂礫。

全風(fēng)化帶：黃褐色、灰褐色,原巖結(jié)構(gòu)已基本破壞,但尚可辨認(rèn),長石已全部風(fēng)化成土狀,僅余石英顆粒未風(fēng)化,黑云母、角閃石的晶形已完全消失。手捏易散,稍具塑性。

強(qiáng)風(fēng)化帶：黃褐色、灰黑色,原巖結(jié)構(gòu)大部分破壞,礦物色澤明顯變化,長石、云母等多風(fēng)化成次生礦物。不均勻風(fēng)化明顯,局部有少量的球狀風(fēng)化,厚度變化大。調(diào)查及鉆探過程中發(fā)現(xiàn),從巖石狀態(tài)來看,強(qiáng)風(fēng)化帶可明顯分為兩個亞帶,Ⅰ類強(qiáng)風(fēng)化帶以砂礫狀、砂礫狀夾少量巖塊為主,巖石較軟,鎬能挖動；Ⅱ類強(qiáng)風(fēng)化帶巖石呈明顯的碎塊狀,巖石較硬,鎬很難挖動,鉆進(jìn)困難。

5.2 鉆探

鉆探是現(xiàn)階段地質(zhì)勘察工作的主要手段,能直接反映巖石的大部分宏觀特征。從巖芯狀態(tài)看,本地區(qū)全風(fēng)化帶以土狀夾砂礫狀為主,Ⅰ類強(qiáng)風(fēng)化帶以砂礫狀夾少量碎塊狀為主,Ⅱ類強(qiáng)風(fēng)化帶以碎塊狀為主。鉆孔巖芯觀察描述具有很大的人為性,分級分類具有很大的不確切性，特別是對花崗巖類巖石強(qiáng)風(fēng)化帶,鉆孔巖芯的原始狀態(tài)被完全或大部分破壞,給風(fēng)化帶的劃分造成錯覺。如本地區(qū)工作過程中發(fā)現(xiàn),相同地區(qū)(一般5 m以內(nèi))成分相同的鉆孔巖芯顯示的全風(fēng)化厚度明顯大于野外調(diào)查厚度,最大相差約8 m。究其原因應(yīng)為鉆機(jī)的機(jī)械扭力破壞了巖石的原始狀態(tài)所致,把Ⅰ類強(qiáng)風(fēng)化帶錯判為全風(fēng)化帶。因此,鉆探破壞了花崗巖的原始狀態(tài),不能直接以鉆探巖芯判定風(fēng)化程度。

5.3 孔內(nèi)原位測試

原位測試及物探波速測試不破壞巖石的原始狀態(tài),能較好的反映巖石的原始應(yīng)力狀態(tài),在劃分風(fēng)化帶時顯得非常重要。相對來說,標(biāo)貫試驗是目前風(fēng)化巖層評價中最普遍使用的一種原位測試手段。旁壓試驗、平板載荷試驗,大剪試驗等原位測試由于試驗周期時間較長或局限性較大,在勘察中并未廣泛使用。但平板載荷試驗由于其直接性及準(zhǔn)確性值得推廣使用。

標(biāo)貫試驗具有簡便、成熟、易操作等特點,是判斷花崗巖風(fēng)化帶最常用的原位測試手段。大量的試驗數(shù)據(jù)表明：風(fēng)化層中標(biāo)貫試驗與深度的變化關(guān)系較明顯,隨著深度增加,N值逐漸變大。標(biāo)貫劃分花崗巖風(fēng)化帶在南方地區(qū)應(yīng)用較多,主要用來區(qū)分厚層的殘積土及全風(fēng)化帶,北方地區(qū)則很少應(yīng)用,缺乏系統(tǒng)研究。本次勘探過程中嘗試采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗對殘積土、全風(fēng)化及Ⅰ類強(qiáng)風(fēng)化帶進(jìn)行劃分,對Ⅱ類強(qiáng)風(fēng)化帶則進(jìn)行動探試驗,用以輔助判定巖石的風(fēng)化狀態(tài)。

根據(jù)規(guī)范要求,對大量的標(biāo)貫試驗結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計分析(見表3),并采用標(biāo)貫擊數(shù)(標(biāo)貫深度一般小于10 m,未經(jīng)修正)對鉆孔巖芯的風(fēng)化程度進(jìn)行了重新判別與確認(rèn)。結(jié)果顯示,相同地區(qū)經(jīng)標(biāo)貫修正后的全風(fēng)化層厚度與野外調(diào)查的厚度基本一致,誤差小于1 m。因此,標(biāo)貫適合于本地區(qū)花崗巖風(fēng)化帶的劃分,可推廣使用。而動探試驗由于沒有明確的劃分標(biāo)準(zhǔn),且數(shù)據(jù)離散性大,未能取得有效統(tǒng)計結(jié)果,需進(jìn)一步研究其劃分標(biāo)準(zhǔn)。

表3 現(xiàn)場測試結(jié)果統(tǒng)計

5.4 室內(nèi)土工試驗

規(guī)范中規(guī)定,一般情況下,全風(fēng)化及殘積土按土的測試方法,強(qiáng)風(fēng)化等風(fēng)化巖按巖石測試方法。花崗巖全風(fēng)化帶主要呈土狀、土夾砂礫狀,而強(qiáng)風(fēng)化帶則主要為砂礫狀、砂礫狀夾碎塊狀或碎塊狀。勘察過程中要求代表性對殘積土、全風(fēng)化取原樣，強(qiáng)風(fēng)化層取擾樣進(jìn)行分析,試驗統(tǒng)計結(jié)果如表4。

表4 室內(nèi)試驗結(jié)果統(tǒng)計

試驗結(jié)果顯示,全風(fēng)化層與殘積土均屬于粉質(zhì)黏土范圍,含砂礫。全風(fēng)化花崗巖的抗剪強(qiáng)度既有黏性土的特點(c值較大),同時又有砂土的特點(φ值較高)。孔隙比比一般土要高,壓縮性中等,壓縮模量高于一般土。兩者天然含水量、天然孔隙比、液性指數(shù)、液限、塑性指數(shù)及壓縮模量等各項指標(biāo)相近。從篩分試驗結(jié)果來看,強(qiáng)風(fēng)化層主要為中砂—礫砂狀或角礫土狀。一般大于2 mm的顆粒含量23.6%～>50%,0.5～2 mm在17.4%～41.6%之間,與花崗巖結(jié)構(gòu)為中細(xì)粒一致,說明強(qiáng)風(fēng)化層顆粒成分以石英及風(fēng)化不完全的長石為主。

由此可見,試驗指標(biāo)不能明確區(qū)分本地殘積土與全風(fēng)化,但可以區(qū)分全風(fēng)化與強(qiáng)風(fēng)化層。

5.5 物探測試方法

巖土工程物探測試具有探測速度快、測點密度大且連續(xù)、成本低等優(yōu)勢,從經(jīng)濟(jì)和時效的角度考慮,是配合鉆探的最佳手段。特別是在丘陵或山區(qū)地帶,采用巖土工程物探和鉆探相結(jié)合的勘探方法是必要的。由于條件限制,本次勘察物探方法僅采用了剪切波速試驗及電測深法試驗。

剪切波速判斷風(fēng)化程度在多本規(guī)范中都提到,但應(yīng)用很少。本次勘察對大量剪切波速測試孔進(jìn)行了統(tǒng)計分析(見表3),結(jié)果顯示與規(guī)范要求基本一致。因此,剪切波速試驗可用來輔助判斷風(fēng)化程度。電測深法研究的是巖石的視電阻率,可用來探測風(fēng)化帶厚度及地下水情況等。本地花崗巖由于覆蓋層及全風(fēng)化層薄及地下水的影響,表層視電阻率變化不明顯,全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化劃分效果差,但對下部強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化界面的劃分效果好。因此,電測深法更適用于大厚度風(fēng)化帶的勘察。

6 花崗巖風(fēng)化帶的巖土工程評價

6.1 地基承載力

對于工程建筑物來說,能用天然地基的宜用天然地基,因為它既能節(jié)約建設(shè)投資,又能縮短建設(shè)周期。日照地區(qū)第四系覆蓋層薄,花崗巖殘積土基本不存在,風(fēng)化層的承載力直接影響了建筑物基礎(chǔ)的選擇。風(fēng)化巖及殘積土地基承載力的確定,應(yīng)根據(jù)巖土工程勘察等級區(qū)別進(jìn)行。根據(jù)室內(nèi)實驗結(jié)果、標(biāo)貫測試結(jié)果及地方經(jīng)驗,本地區(qū)全風(fēng)化帶承載力綜合考慮為300 kPa,Ⅰ類強(qiáng)風(fēng)化帶為500～600 kPa,Ⅱ類強(qiáng)風(fēng)化帶為800～1 000 kPa。由此可見,Ⅱ類強(qiáng)風(fēng)化帶承載力能滿足大多數(shù)建筑物的要求。

6.2 路塹邊坡率

天然狀態(tài)下弱風(fēng)化花崗巖強(qiáng)度高,硬度大,抗風(fēng)化能力強(qiáng)。但強(qiáng)風(fēng)化花崗巖在開挖后,在空氣中暴漏時間過長,會在水及風(fēng)的作用下迅速風(fēng)化成砂狀甚至土狀。設(shè)計時應(yīng)考慮強(qiáng)風(fēng)化巖石繼續(xù)風(fēng)化問題,重視表水對邊坡穩(wěn)定性的影響,特別是雨季施工防水措施要到位。

本地區(qū)花崗巖受區(qū)域韌性剪切帶作用,部分地區(qū)垂直節(jié)理發(fā)育,面理、節(jié)理走向與線路走向基本平行時,挖方應(yīng)考慮順層影響。考慮花崗巖不均勻風(fēng)化及繼續(xù)風(fēng)化影響,且全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化之間無明顯的分界線,而附近同三高速公路、204國道既有邊坡率基本穩(wěn)定在1∶1～1∶1.25。因此,本地全—強(qiáng)風(fēng)化花崗巖邊坡率可根據(jù)開挖深度綜合考慮為1∶1～1∶1.25,邊坡坡腳需設(shè)擋墻。

6.3 路基填料

鐵路施工會產(chǎn)生大量棄砟,處理不好會占用耕地、引發(fā)泥石流等人為地質(zhì)災(zāi)害。因此,設(shè)計過程中應(yīng)盡量考慮花崗巖的移挖作填。鐵路對路基的變形和穩(wěn)定性的控制標(biāo)準(zhǔn)非常嚴(yán)格,選用填料時應(yīng)慎重。

全風(fēng)化花崗巖填料可采用石英、黏土礦物成分(云母)含量及液限等關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)作為鐵路路基填料的使用控制標(biāo)準(zhǔn)。南方地區(qū)全風(fēng)化花崗巖由于其云母含量高,液限大,結(jié)構(gòu)松散,水穩(wěn)性差,黏結(jié)力小,局部具有膨脹性,一般不能直接用作路基填料。而本地花崗巖全風(fēng)化層屬含礫粉質(zhì)黏土范圍,液限一般小于40%,云母含量低,基本能滿足C組填料要求,可考慮做路基填料。強(qiáng)風(fēng)化—弱風(fēng)化花崗巖由于結(jié)構(gòu)致密,強(qiáng)度高,硬度大,顆粒粗,有害物質(zhì)含量少,經(jīng)加工后能達(dá)到C組、B組甚至A組填料要求。另外，弱風(fēng)化花崗巖還是良好的混凝土粗骨料原料。

7 結(jié)論及建議

(1)準(zhǔn)確劃分風(fēng)化層,對于正確選擇基礎(chǔ)類型,減少投資,縮短工期具有重要意義。花崗巖風(fēng)化帶的劃分應(yīng)該以巖石野外特征為主,標(biāo)貫是一種有效的補(bǔ)充。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗可在本地區(qū)推廣使用。物探方法劃分花崗巖風(fēng)化帶是一種發(fā)展趨勢。

(2)花崗巖強(qiáng)風(fēng)化帶明顯分兩個亞帶,Ⅱ類強(qiáng)風(fēng)化帶具有較高的承載力及較小的壓縮性,是良好的地基持力層,可作為大部分建筑物的天然地基。強(qiáng)風(fēng)化花崗巖還是良好的路基填料,鐵路施工時應(yīng)考慮移挖作填,盡量減少對環(huán)境的破壞。

(3)對于大型工程,從安全角度應(yīng)充分估計花巖繼續(xù)風(fēng)化引起的不良現(xiàn)象,在確定設(shè)計參數(shù)及工程措施上應(yīng)慎重對待。

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