某客運專線花崗巖全風化層工程特性分析研究

崔竹剛

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

1 概述

花崗巖全風化層是經物理化學風化作用而殘留在原地的碎屑物，其工程性質特殊。花崗巖全風化層與一般的黏性土不同，因其石英砂礫的含量高，孔隙比大，在按照常規方法采取土樣后，由于土樣在鉆探、取樣及運輸過程中很容易受到擾動，所得的土樣與實際情況差別較大，室內土工實驗所取得的抗剪強度、壓縮模量等實驗數值往往低于實際數值，因此若簡單的按照一般黏性土的知識和經驗來處理花崗巖殘積土的工程問題，將會產生較大的誤差［1］。

某客運專線需要穿過近10 km花崗巖地段，以全風化花崗巖為主，深度為0～40m。該段客運專線采用無砟軌道，對路基的沉降和邊坡的防護要求極高。通過分析花崗巖全風化層標貫數據，同時對比分析室內試驗成果，發現在局部段落兩者存在比較大的差異性。為準確獲得該類地層的設計參數，仔細分析差異性較大的段落，選取了3個代表性的點進行淺層平板載荷試驗，通過對綜合試驗結果對比分析，總結了該區域花崗巖全風化的工程特性，提供了合理、準確的地基承載力和變形模量等參數，滿足了設計、施工要求，有效的避免了后期運營階段路基工程的潛在變形、下沉風險。

2 花崗巖全風化層工程特性分析

2.1 花崗巖物理工程特點分析

花崗巖全風化層是經物理化學風化作用而殘留在原地的碎屑物，云母含量高，其具有與其他殘積土不同的工程特性，其工程性質與原巖也不盡相同，“似土非土，似巖非巖”［2］。而這種差異性是多方面的，例如物理力學性質、不均勻性及各向異性，導致花崗巖全風化結構松散，易擾動，遇水極易軟化及崩解等(見圖1)。

由于其獨特的特點，在實際工程中，它的一些工程特性尚未引起足夠的重視。首先，花崗巖全風化層與一般的黏性土不同，因其云母、石英砂礫的含量高，導致其孔隙比大，結構松散，遇水極易軟化崩解;其次，在按照常規方法采取土樣后，土樣在鉆探、取樣及運輸過程中很容易受到擾動，所得的土樣與實際情況差別較大，室內土工實驗所取得的抗剪強度、壓縮模量等實驗數值往往不能反映實際的物理力學性質;第三，花崗巖全風化層具有區域性特點，無法采用通用的評判標準來對其研究。

圖1 某客專花崗巖全風化沖蝕邊坡

2.2 花崗巖全風化層室內試驗結果分析

花崗巖全風化層具有“似土”的性質，且在一般土工試驗中，也往往按照土樣的試驗標準來進行土工試驗。在規范中，黏性土可以根據土工試驗確定的物理力學指標來得出地基承載力，首先分析室內試驗數據，通過分析其室內各物理力學指標，來初步判斷該區域的花崗巖全風化的工程特性，從而能初步分析其物理力學指標，統計結果見表1。

表1 花崗巖全風化層的物理力學指標統計值及地基承載力

分析表1的試驗數據，花崗巖全風化層各項物理指標的變化均多成離散型，如含水量由最大31.6到最小6.2，相差5倍多;孔隙比最大可達0.965，并多處于飽和狀態;由液性指數得出的花崗巖全風化層的狀態從堅硬狀態到軟塑狀態。黏聚力以及內摩擦角值相對較高，然而壓縮模量平均值僅為6.23 MPa，各項指標呈現出不匹配的地方，導致在確定其設計指標時比較困難。

由此可見，由于花崗巖的石英顆粒大小及云母含量等不同，塑性指數IP值越高，說明高嶺土礦物含量越大，值越低，說明石英礦物含量較多［3］。根據表1的試驗指標，發現其更偏于呈明顯的砂礫質土的特征。而如果簡單的依照黏性土的標準來評判，得出的結果與實際差異性較大。事實上，許多花崗巖殘積土地區的工程實例也表明，地基承載能力或抗剪能力的情況往往并非如室內試驗所表現出的那么好或那么差。

2.3 花崗巖標準貫入實驗(N63.5)分析

在工程實際中，砂類土中標貫試驗常常作為一種十分重要的原位測試手段，來確定地基承載力。為了對該區段的花崗巖全風化帶進行定量研究，分析了大量的標準貫入試驗數據，以期能更好的查明花崗巖全風化的工程特性，并提出合理的地基承載力和壓縮模量等參數。

統計了該客運專線附近代表性段落的花崗巖全風化帶中的標貫試驗數據，并根據標貫試驗得出其承載力值，結果見表2。

表2 花崗巖全風化標貫試驗N63.5實測擊數及基地承載力

根據表2可以看出，隨著深度的遞增，動探擊數逐漸增加，而當達到一定深度后，尤其在30m以下全風化至強風化過渡帶，標貫技術擊數突增，一般多超過60擊。而且通過標貫分析可知，在0～10m擊數偏小，標貫數值變化較大，對地基承載力的影響比較明顯，而10m以下承載力滿足要求設計要求。

2.4 花崗巖室內外物理力學性質差異性分析

根據工程地質勘察報告，該區段下伏燕山期粗粒花崗巖，全風化層較厚，厚約0～40m，地下水位埋深較淺。鐵路路基位于全風化基巖上，設計中采用CFG樁基地加固，初擬以全風化巖為樁端持力層，花崗巖的工程特性及地基承載力和變形模量等指標對工程的影響性較大。首先分析土工試驗和標貫統計指標，根據相應的行業規范，判斷該區段花崗巖全風化的承載力為300 kPa。但通過室內試驗和標貫測試數據分析可知，兩者對承載力的確定不匹配，尤其是0～10m深度內，數值差別較大，一旦部分段落給出的承載力和變形模量過于冒進，將直接影響到工程安全。

由于花崗巖全風化層自身固有的特性，室內土工試驗的結果不能精確的反映其工程性質，如果對其認識不全面，簡單的采用土工試驗的數據來得出花崗巖全風化的地基承載力及變形模量，將會給工程設計、施工和運營造成較大的安全隱患，極易發生工程問題，如地基沉降不均、邊坡失穩等。因此，必須通過多種手段來查明花崗巖全風化的工程特性。

3 平板載荷試驗理論及試驗研究

載荷試驗是測定地基承載能力和變形特性的可靠方法，是一種對某層土體所做的強度和變形特性的載荷試驗。與其他原位測試和土工試驗方法相比，載荷試驗能為基礎設計提供更加可靠的持力層，以及其下臥層巖土體承載力和變形模量等設計計算的依據資料［4］。

選取湖南某客運專線淺層平板載荷試驗，對原始數據、相關資料及現場實際情況的分析論證，從而對全風化花崗巖的地基基本承載力進行試驗和評價。確定地基基本承載力是否滿足設計和規范要求，并綜合室內土工試驗、標貫測試和平板載荷試驗，給出符合實際情況的地承載力和變形模量等指標。

3.1 現場試驗概述

本次平板載荷試驗采用地錨反力裝置(如圖2)，地錨反力總和應大于預計極限荷載的1.5倍且每個地錨反力應基本相等。試驗前應保持坑底土層的天然濕度和原狀結構。

圖2 淺層平板載荷試驗裝置

依據設計及規范要求，最大荷載均加載至兩倍設計荷載即600 kPa，試驗預計加載8級，分8次加載，分級荷載為75 kPa。試驗過程中，每級加載后，自加荷開始按 1、2、2、5、5、15、15、15 min 間隔，以后每隔30 min測讀一次沉降量，當在連續2 h內，一小時沉降量小于0.1 mm時，可施加下一級荷載。當達到《鐵路工程地質原位測試規程》要求的終止加載條件時終止試驗。

3.2 平板載荷試驗結果及分析

通過分析平板載荷試驗數據，試驗點的P－s曲線關系如圖3，變形數據統計如表3。

圖3 試驗點1～3的P－s關系曲線

表3 平板載荷試驗變形數據統計

對試驗點1－3的載荷試驗數據進行整理，分別繪制出P－s曲線(圖3)。

(1)試驗點1:由試驗點1的P－s曲線分析可知，當荷載加到525 kPa時，曲線出現明顯的陡降段，其上一級荷載值450 kPa為極限荷載，因此該段全風化花崗巖的地基土極限承載力為450 kPa，取安全系數2．0計算，則試驗點的基本承載力為225 kPa，低于原先設計的300 kPa，存在工程風險隱患。而且，通過分析其附近的塑性指數IP，發現該區域IP指數較高，說明其高嶺土含量偏高，工程力學性質更偏向于黏性土的特性。

(2)試驗點2、3:由試驗點2、3的 P－s曲線分析，當荷載加到600 kPa時，曲線未發生明顯的變化，說明未出現破壞荷載，全風化花崗巖的地基土極限承載力不少于600 kPa，因此此兩處滿足基本承載力300 kPa的要求。

3.3 花崗巖全風化層確定

通過前面分析室內試驗和標貫測試數據結果，并選取3點異常位置進行淺層載荷平板試驗，研究了全風化花崗巖不同荷載應力作用下壓縮變形的特性。綜合了標貫擊數、試驗統計指標、平板載荷試驗，根據試驗結果及曲線特征，依據相關規范要求，綜合分析其附近段落的地基承載力和變形模量等參數(見表4)。

表4 花崗巖全風化層地基承載力及變形模量推薦值

4 結束語

在對某客運專線穿越的花崗巖全風化層段落進行的勘察過程中，采用室內土工試驗、標貫原位測試和平板載荷試驗等多種勘探手段，研究了花崗巖全風化層的工程特性，得到如下結論:

(1)由于花崗巖復雜的工程特性和區域差別性，在全風化層土工試驗過程中，試驗指標呈現出相互不匹配的地方，如果按照“似土”得出的承載力指標與標貫原位測試得出的結果差異性較大，如果簡單按照單一的勘探方法來評價其工程特性指標，有可能會帶來重大工程隱患。

(2)土工試驗塑性指數結果表明，該地區大部分花崗巖全風化呈明顯的砂礫質土的特征;平板載荷試驗結果表明，大部分花崗巖全風化承載能力較高，具有中—低壓縮性。

(3)通過室內試驗和原位試驗對花崗巖全風化的工程特性進行了一定程度的研究，由于其物理力學性質的復雜性和多變性，在實際工作中不能過于依靠一種方法進行評判，需要采用多種勘察方法綜合分析評價，才能取得準確可靠的結果。

［1］江西撫州地區花崗巖殘積土的試驗及測試研究［J］．山西建筑，2011，37(31)

［2］趙建軍，王思敬，尚彥軍，等．香港全風化花崗巖的圃結特性［J］．河海大學學報(自然科學版)，2005，33(1):85-88

［3］劉正香，陳強．廣州地區花崗巖殘積土的特性研究［J］．中國科技博覽，2009，33

［4］楊國春，等．高層建筑深層平板載荷試驗的研究［J］．地質與勘探探，2002(4)