花崗巖風化土工程特性研究

李宏文

（重慶交通大學， 重慶 400074）

0 引言

花崗巖風化土中粗顆粒含量多，裂隙發育，結構疏松，力學特性受水影響大。花崗巖風化土因其風化程度對邊坡穩定性的影響各有差異，首先其巖體具有原巖的特征且未經二次堆積，其穩定性特征明顯區別于均質土邊坡和巖石邊坡，所以對花崗巖風化土工程特性的研究就顯得尤為重要。

本文從風化花崗巖的形成特點開始，對花崗巖風化帶的劃分進行研究；同時，結合已有的研究成果對風化花崗巖邊坡上層的花崗巖風化土的工程特性進行研究。

1 風化花崗巖形成特點及風化帶劃分

1.1 風化花崗巖形成特點

花崗巖(Granite)是大陸地殼的組成部分，是在地表下巖漿凝結形成的火成巖，屬于巖漿巖中酸性的侵入巖，其組成以石英、鉀長石和酸性斜長石為主，其結構致密、質地堅硬、耐酸堿性好、抗壓強度高和吸水率低。花崗巖的巖石類型有：黑云母花崗巖、二長花崗巖和花崗閃長巖。

巖石風化作用有生物風化、化學風化和物理風化，其中黑云母的風化形式較多，主要蝕變成伊利石和鐵錳礦物，由黑云母風化產生的蛭石或高嶺石使花崗巖的強度降低并使花崗巖的結構產生破壞。花崗巖中長石的風化主要以液相狀態下的結構重組為主，在水的作用下長石及其風化物隨介質溶液下滲或者流失，當溶液達到一定濃度是則生成高嶺石、蒙脫石或伊利石。同時，花崗巖中長石的風化會增加地表的滲透性，同時下滲的溶液生成的高嶺石，并使下層的花崗巖強度降低，造成花崗巖的結構破壞。花崗巖風化土的X衍射結果中，花崗巖風化物主要以石英、長石、高嶺石、蒙脫石、伊利石及方解石組成，調查中發現華東、華南地區由于風化程度及花崗巖組成上的差異，使花崗巖的風化土中礦物含量也有所差異，在掃描電鏡結果中石英表面被泥質包裹并呈圓狀結構，斜長石蝕變成高嶺石呈書頁狀和蠕蟲狀，鉀長石蝕變成伊利石呈葉片狀[2]。尚彥軍等[3]發現隨花崗巖風化程度的增加，風化土中長石含量減少，粘土礦物含量和微孔隙率增加；從微觀角度對其化學成分的改變中，可以認為風化過程是 SiO2大量流失， Al2O3和游離鐵的氧化物含量相對增加。

巖體的球狀風化是因受到三維裂隙控制形成帶棱角的巖石，裸露的巖石在風化作用下發生棱角破壞而形成曲面[4]；裸露的花崗巖風化巖石一般都呈現球狀風化，即裸露的花崗巖棱角中角部受到三個方向的風化作用，而棱邊受到兩個方向的風化，面狀部分受到單方向的風化作用。花崗巖巖體受斷裂裂隙影響，存在多組剪性節理，其中較為破碎部分更易風化，節理較為完整部分的巖石則被保留，所以花崗巖風化土中保留了原巖的基本結構，同時風化過程中形成的粘土礦物又具有土的特性。

1.2 花崗巖風化帶劃分

花崗巖風化土是花崗巖在地質作用和風化作用下形成的具有特殊工程特性的土，其工程分類方法和依據都各有差異。國外對于巖石風化殼的分類研究起步較早，1976年Dearman對風化殼分帶的研究中將風化殼分為Ⅵ殘積土、Ⅴ全風化、Ⅳ強風化、Ⅲ弱風化、Ⅱ微風化和Ⅰ原巖。T．Y．Irfan（1996）[5]對Ruxton&Berry（1957）、Dearman（1976）、Anon（1981）、GCO（1998）關于花崗巖風化殼分帶的研究成果進行了總結。

國內學者依據自身的研究成果，對其劃分方法也進行了更深層次的研究，其定量評價方法中較為常見的是多指標分類方法。郭欣（1997）[6]認為花崗巖風化帶的劃分應有宏觀的地質特征描述和定量指標，其研究中將花崗巖風化帶劃分為：全風化、強風化、弱風化、微風化和新鮮巖基。劉靚（2003）[7]采用定量的評價指標，將華南風化花崗巖按其定量指標劃分為微風化、弱風化、強風化、全風化和殘積土；

2 花崗巖風化土工程特性研究

花崗巖在風化作用下出現風化變質現象，且形成較大的風化厚度，垂直分帶明顯，水平方向分布均勻穩定，但其風化物隨風化程度的增加與母巖呈現相反的工程特性。本文將從花崗巖風化土的物理特性、力學特性和巖土特性三個方面對花崗巖風化土的工程特性進行研究。

[59]Chi-shad Liang, Burma’s Foreign Relations: Neutralism in Theory and Practice, New York: Praeger, 1990, p.64.

2.1 花崗巖風化土的物理特性

花崗巖風化土因其風化程度和礦物組成的不同，其物理性質呈現較大差異。本文對于花崗巖風化土的物理特性主要從其顆粒組成、界限含水率和壓實特性等方面進行分析。

花崗巖風化土的顆粒組成中粗顆粒主要以花崗巖風化碎屑為主，細小顆粒主要以粘性土類為主，并且在天然狀態下花崗巖風化土的孔隙比、透水性和顆粒粒徑呈現自上而下逐漸增大的趨勢，其顏色也因風化程度的增加而變深。劉勝娥等[8]發現海南花崗巖殘積土的土顆粒分布表現為中間粒徑0.5～0.075mm（細砂、中砂）含量相對較低，但其粗、小粒徑組顆粒含量相對較高，呈現出“兩頭大，中間小”的特點。

花崗巖風化土的界限含水率可反映出風化土所處的狀態和塑性能力。肖紅兵（2016）[9]發現試樣的取土地點和深度對其 Wp和 WL影響很大，但總體上表現為其上部土層的 Wp和 WL大于下部土層，IP也表現出隨深度的增加而減小，所以其研究也反映出花崗巖風化土分布上的不均勻性；上部土層的風化程度大于下部土層的風化程度，且淺層風化土表現出粘性土的特點，較深處的土層表現出粉土的特性。

花崗巖風化土的壓實特性與風化土的最大干密度和最佳含水率有關。當花崗巖殘積土的含水量一定時細粒含量較大時其壓實性能較弱，反之則較強。同時，花崗巖風化土的抗剪強度隨壓實度的增大而增大，但土顆粒間的引力則減小[10]。

2.2 花崗巖風化土的力學特性

花崗巖風化土的力學特性主要表現在其抗剪強度和承載能力，其風化程度和顆粒組成等因素為影響其力學特性的內在因素，而降雨、地震和施工等為影響其力學特性的外在因素。

從文獻[8]中對于花崗巖殘積土的 ρd-c曲線（干密度-粘聚力）、ρd-φ曲線（干密度-內摩擦角），可看出隨花崗巖殘積土風化程度增加其土中細顆粒的增多，土的干密度減小，花崗巖殘積土的抗剪強度減低主要表現為內摩擦角φ減小。同時，其風化程度越高，細顆粒的含量越高，則土的膨脹性越高，其抗剪強度也會降低。

文獻[11]在不同含水量條件下的固結排水實驗中，發現花崗巖殘積土的抗剪強度指標中粘聚力c的降低幅度是內摩擦角φ降低幅度的30倍，且隨著土中含水量的增加使其粘聚力降低幅度加快，其原因是土中的粘土礦物與水發生作用而導致粘聚力降低，花崗巖殘積土中的內摩擦角主要與土中粗顆粒的含量有關，所以土在水的作用下的軟化效應十分顯著；花崗巖殘積土在相同壓實條件下，其變形模量與含水率呈反比，且其變形模量變化率增大呈加速變化的趨勢，所以花崗巖殘積土在水的作用下壓縮特性和強度降低且軟化效應增強。

2.3 花崗巖風化土的巖土特性

花崗巖風化土因其成因與組成結構的不同而具有特殊性，其獨特的組成和結構特點使得其巖土特性十分突出，如軟化和崩解特性、不均勻性和各向異性、擾動性等。

2.3.1 不均勻性和各向異性花崗巖由不均勻分布的巖脈組成，包括二長巖脈、煌斑巖脈、石英巖脈等，其石英巖脈風化能力弱，二長、煌斑巖脈等的風化能力強，故前者在風化土中形成硬化層，后者則形成軟弱夾層，由此形成的裂隙對風化花崗巖邊坡的穩定性起決定性作用。同時，由于地質和氣候條件的差異，花崗巖風化程度和風化階段的不同，以及土的膨脹和臨空面形成等原因，風化花崗巖邊坡的風化土結構組成和次生裂隙的分布也有所差異。

張文華[12]從其1990年開始對花崗巖殘積土邊坡的調查中認為花崗巖殘積土邊坡的變形失穩不同于一般粘性土質邊坡，在其45例失穩邊坡中由于風化土不均勻性及各向異性的原因造成的邊坡失穩案例占79%，崩崗占17%，其發生圓弧式滑動破壞的只占少數，故花崗巖殘積土以原生和次生裂隙而產生的變形破壞為主。

2.3.2 軟化和崩解特性

花崗巖殘積土的軟化特性指因含水量的增加，風化土層的抗剪強度降低、壓縮性增大的特性。因花崗巖殘積土中的膠結物溶于水中，使得花崗巖殘積土的粘聚力發生急劇降低。張永波（1997）[13]認為風化土中的含水量影響土體顆粒間起膠結作用的游離氧化物的含量，而引起花崗巖殘積土的軟化和承載能力降低，其試驗發現土中游離氧化物的含量從6.67%降低到5.28%，使得殘積土的強度降低7%左右。

崩解指花崗巖殘積土在水中呈散粒狀、片狀、塊狀和粒狀等現象，并且出現掉、剝、崩、落的現象[14]。土的崩解一般都是由于土中的粘性礦物溶于水，使土顆粒間的膠結作用喪失，土體結構之間的斥力超過吸力，產生應力集中而瓦解的物理過程。一般產生崩解需以下條件：土體中的膠結物易溶于水，土中存在水的滲流通道，土顆粒間的膠結被水破壞后不可逆，臨空面存在。文獻[15]通過引入崩解速率指標，對其崩解的結構性機制進行分析，認為其崩解的根本原因是土的軟化，并將其崩解過程分為：擾動性崩解、結構性崩解和溶解性崩解。

2.3.3 擾動性

花崗巖殘積土是一種結構性很強的土，但有極強的擾動性，因其結構組成中砂礫碎屑含量較高，所以在進行試驗試樣切取或鉆探取樣時，土樣極易受到擾動而破壞其結構，使得其結構強度降低。花崗巖風化土的擾動一般有：機械擾動、土樣應力狀態的改變、試樣的結構破壞。由于試樣受到擾動，室內試驗所得的土的壓縮模量偏低，壓縮系數偏大，導致室內試驗的結果不能很好的反映土的性質。

3 結論

綜合分析可認為花崗巖的風化過程可概括為：第一階段，花崗巖巖體在地質應力作用下形成裂隙，將巖體分成花崗巖巖塊；第二階段，在風化和外力作用下巖石形成微裂隙；第三階段，花崗巖巖石發生層狀剝離和分解，使得花崗巖進入更深層次的風化階段。總體上對于花崗巖風化帶的劃分，按其風化程度分為六類：Ⅵ花崗巖殘積土、Ⅴ全風化花崗巖、Ⅳ強風化花崗巖、Ⅲ弱風化花崗巖、Ⅱ微風化花崗巖和Ⅰ花崗巖原巖。

花崗巖風化土的顆粒組成呈現出“兩頭大，中間小”的特點，并表現出風化和分布的不均勻性，使其工程特性區別于一般粘性土和砂質土，其淺層風化土的界限含水率表現出粘性土的特點，較深處的土層表現出粉土或砂性土的特點。花崗巖風化土的力學強度隨土中含水量和細小土顆粒的含量增大而降低，同時因其獨特的組成和結構特點，使得其巖土特性表現為不均勻性和各向異性、軟化和崩解特性、擾動性等。