某城際鐵路花崗巖的工程地質特性分析研究

鄭曉碩

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津　300251)

Study on Engineering Geological Characteristics of Granite under an Inter-City Railway

ZHENG Xiaoshuo

某城際鐵路花崗巖的工程地質特性分析研究

鄭曉碩

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300251)

Study on Engineering Geological Characteristics of Granite under an Inter-City Railway

ZHENG Xiaoshuo

摘要某城際鐵路經過花崗巖地區，在工程地質勘察過程中，發現室內土工試驗及原位測試得到的花崗巖全風化層的壓縮模量等物理指標差異性較大，為保證地質資料的可實施性，通過分析室內試驗和野外標貫測試數據，研究該區域花崗巖的工程地質特性，并選取代表性區域進行旁壓試驗，分析研究其在不同測試壓力作用下的變形特性，從而對全風化花崗巖的力學性質和變形特性進行分析和評價。綜合室內試驗、標貫測試及旁壓試驗數據，提出合理的壓縮模量及地基承載力指標，為設計、施工提供可靠的依據。

關鍵詞花崗巖全風化層旁壓試驗地基承載力變形模量

花崗巖風化殼表層一般呈砂礫狀、砂礫含黏土、黏土含礫砂石或粉土狀，其物理性質與第四系形成的砂、土既相似，但又不盡相同。花崗巖全風化層的結構極易受到擾動，在水的作用下，往往有遇水崩解的工程特性[1]，花崗巖全風化層因其石英砂礫的含量高，孔隙比大，鉆探過程中采用泥漿護壁，所采取的原狀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 。

某城際鐵路需要穿過近40 km花崗巖地段，以全風化花崗巖為主，深度為0～60 m。該段城際鐵路為無砟軌道鋪設，對橋梁及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及室內試驗成果，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，選取了6個代表性的點進行旁壓試驗，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的建議公式，滿足了設計、施工要求。

1花崗巖全風化層工程特性分析

1.1　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，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]。花崗巖全風化層的物理力學性質、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。

實際工程中，花崗巖的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，因其石英砂礫的含量高，導致孔隙比較大，結構極易受到擾動，遇水極易軟化崩解；其次，勘探過程中需泥漿護壁，按照常規方法所取原狀樣，土樣受到擾動極大，所得的土樣與實際情況差別較大，室內土工實驗所得到的力學指標及強度指標等往往不能反映實際的物理力學性質；第三，花崗巖全風化層分布廣泛，具有區域性特點，無法采用通用的評判標準來對其研究。

1.2　花崗巖全風化層室內實驗結果分析

花崗巖全風化層具有“似土”的性質，根據規范要求應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離散性相當大，如含水量由最大45.7到最小14.6，相差3倍多；孔隙比最大可達1.4，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5.3 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。而如果僅僅參考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，許多花崗巖全風化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與室內試驗所得結果相差較大。

1.3　花崗巖標準貫入試驗分析

砂類土中標貫試驗作為一種十分重要的原位測試手段，不僅可以確定花崗巖風化程度，且可以確定地基承載力。為了能更好的查明花崗巖全風化的工程特性，本工程分析了大量的標準貫入試驗數據，對該區域花崗巖全風化帶進行定量研究，并提出合理的地基承載力和壓縮模量等參數。

統計了該城際鐵路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。

隨著深度的遞增，標貫擊數逐漸增加，而當達到一定深度后，尤其在30 m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5～10 m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。

1.4　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，該區段下伏白堊系及侏羅系二長花崗巖，全風化層較厚，厚約5～30 m，地下水位埋深較淺。對全風化層如此之厚的區域，初擬以全風化巖為持力層，花崗巖全風化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350 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5～10 m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。

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，如果簡單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。因此，必須通過多種手段來查明花崗巖全風化的工程特性。

2旁壓試驗理論及試驗研究

旁壓試驗也稱橫壓試驗，是工程地質勘察中的一種原位測試方法，其原理是通過旁壓器，在豎直鉆孔內使旁壓膜膨脹，壓縮鉆孔壁土體產生變形直至破壞，并通過量測裝置測出壓力和土體變形之問的關系，繪制應力、應變關系曲線[4]。

選取該城際鐵路6個試驗點進行旁壓試驗，對原始數據、相關資料及現場實際情況進行分析論證，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、標貫測試和旁壓試驗，給出符合實際情況的地承載力和變形模量等指標。

2.1　現場試驗概述

本次旁壓試驗采用預鉆式結構(如圖1)。預鉆式旁壓保證成孔質量，鉆孔直徑與旁壓器直徑應配合良好，防止孔壁坍塌。

圖1　旁壓試驗裝置

開始試驗前，嚴格按規范要求于現場對新的彈性

膜或者彈性模累計試驗次數達到8次以上等情況，對彈性膜進行約束力校正。規范的穩定時間為1 min和3 min，前者用于“硬土”，后者用于軟土。一般來說，試驗壓力過臨塑壓力Pf后即可終止該級壓力的實驗。但測試中，為求得極限壓力PL而繼續加壓，不管出不出現屈服極限壓力PL，當測管水位下降將至36 cm(有時超過)，應立即停止試驗。

2.2　旁壓試驗結果及分析

花崗巖旁壓試驗數據統計如表2。

從表2中數據分析得知，旁壓試驗結果中各數據離散性較大，例如臨塑壓力最大值645，最小值399，相差有2倍，變形模量最大100，最小31，相差將近3倍，可見，同在花崗巖地區，不同試驗地點，不同試驗深度，旁壓試驗所得數據也有一定的變化。

表2　花崗巖全風化層旁壓試驗數據統計

2.3　花崗巖全風化層力學指標確定

通過對室內試驗和標貫測試數據結果分析，并選取6個試驗點進行旁壓試驗，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。綜合了試驗統計指標、標貫擊數、旁壓試驗，根據試驗結果及曲線特征，依據國標及當地規范要求，建議花崗巖全風化層地基承載力和變形模量等參數需根據深度范圍分開給出。具體數值見表3。

表3　花崗巖全風化層變形模量及承載力推薦值

3結束語

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；旁壓試驗結果表明，大部分花崗巖全風化承載能力較高，但不同區域、不同深度結果離散性較大。

在分析室內試驗數據和原位試驗結果的基礎上，對花崗巖全風化層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，在地質勘測過程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。

參考文獻

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[5]趙建軍，王思敬，等.香港全風化花崗巖的固結特性[J].河海大學學報，2005，33(1)

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[10]易鑫，潘瑞林，孫寶忠，等.原位測試在地鐵勘察巖土參數求取中的應用[J].鐵道勘察，2014(3)

中圖分類號：P642

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)04-0046-03

作者簡介：鄭曉碩(1985—)，男，2010年畢業于中國地質大學(武漢)地質工程專業，工學碩士，工程師。

收稿日期：2015-04-23