臨雙高速花崗巖殘積土物理力學特征探討

賀建濤，施 濤，樊亞紅，馮江林

（中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院有限公司，云南 昆明 650051）

1 引言

臨雙高速公路屬于云南省“十三五”規劃網第五縱的重要組成部分。項目的建設，對實施“興邊富民工程”、促進區域經濟發展、加強民族團結、繁榮邊疆經濟、保證邊疆地區穩定、鞏固邊防、全面建成小康社會等，都具有十分重要的意義。

項目區位于云貴高原之西南邊緣，橫斷山脈南段，為怒江和瀾滄江河間地塊。高速公路沿線分布大面積花崗巖地層，花崗巖風化殘積土分布廣泛，層厚較厚，變化差異大。為了滿足高速公路設計、施工要求，科學合理的設計施工，花崗巖殘積土的物理力學特征及其指標界定成了勘察階段的重點工作。

花崗巖殘積土在世界范圍內普遍存在，其作為《巖土工程勘察規范》里特殊性巖土的一部分，歷年來曾有很多業內同行對其進行了深入的研究。但由于其化學組成、顆粒大小、母巖裂隙發育程度以及分布位置的不同而導致各地區的殘積土力學性能差異性較大，且多具有地方特性。因此雖為同一類土，但卻不能照搬其它地區經驗，必須通過本區內實際勘察，研究總結出適合項目區應用的物理力學指標，方能為工程建設提供合理的參數依據。

為此，臨雙高速公路野外勘察時期，我們采用多種勘探方法、手段，以獲得項目區花崗巖殘積土準確的指標做了很多努力和工作，最終為設計提供了滿意、科學的參數。目前，高速公路正處于施工階段，所提參數的合理性已經得到了驗證。

2 自然地理背景

2.1 地形地貌

臨雙高速經過的山區山高谷深，層巒迭嶂，氣勢雄偉，山間盆地繁星般地點綴其中，景觀綺麗。地勢總體上北高南低，沿線地形高差起伏大。項目區最高海拔1772.0m，最低海拔1444.0m，相對最大高差328.0m。項目區地形橫坡較陡、縱坡較陡，多為耕地和喬木林地，植被茂密。項目區地貌類型屬構造-侵蝕、剝蝕型低中山地貌。

2.2 構造運動

項目區位于岡底期-念青唐古拉褶皺系—昌寧-勐連褶皺帶—臨滄-勐海褶皺束、勐省-東回褶皺束、勐統-南臘-西蒙褶皺束。從地質力學的觀點分析項目區位于滇西經向構造帶（即三江經向構造帶），位于瀾滄江斷裂—南汀河斷裂之間區域，地質構造復雜。據調查，公路沿線內及影響范圍內未發現活動斷層通過，項目區整體穩定。

2.3 氣象、水文

項目區屬瀾滄江水系，氣候總體上屬南亞熱帶濕熱氣候類型，氣候垂直變化明顯，溫差變化大，雨季明顯，日照充足，氣候炎熱，雨季雨水較多。區域內總體具有日照充足、夏無酷暑、冬無嚴寒、干濕季節分明、四季如春的氣候特點，年平均氣溫為17.2～18.5℃，最熱月平均氣溫21.2～22.9℃，最冷月平均氣溫10.6～11.7℃；年平均降雨量為970.7～1301.7mm。

項目區地形地貌復雜多變，地質構造復雜，氣候濕熱多雨，內外動力作用影響下，形成了本區內物理力學性質特殊的、獨有的厚層花崗巖殘積土，以致勘察階段查明其物理力學指標顯得尤為重要。

3 物理力學性質統計分析

以臨雙高速公路馬鞍山大橋及橋梁引橋段挖方邊坡兩個工點為例，對花崗巖殘積土進行物理力學性質評價。采用野外調查、鉆孔取芯、標準貫入試驗、取樣室內實驗、現場原位剪切試驗等方法進行，試驗數據統計、分析如下所述：

3.1 野外調查

通過初期地質測繪、走訪調查，項目區屬于濕熱地區，降雨量充沛，氣候溫和，植被茂密，淺表部風化程度深，有少部分物質經過搬移，外加地表植被層的影響，其黏性物含量偏高，自然斜坡原始狀態下多處于穩定狀態；而在人類活動頻繁區域，經過開挖形成的未加固邊坡，旱季邊坡穩定，錘擊較硬，不需加固便可穩定，但到了雨季，經過雨水沖刷、浸泡，其力學性能降低，大多形成坡面泥石流和大規模滑坡，嚴重制約地方經濟發展；地方建筑物多以該層作為淺基礎持力層，而荷載較重的則采用樁基礎，亦選該層作為摩擦樁側摩阻力層，由此可以看出花崗巖殘積土力學性能好，是良好的基礎持力層。

調查中還發現，花崗巖殘積土中多有風化差異中風化花崗巖包裹體，其直徑多在0.5～5m不等。降雨后大量地表水沿沖溝對殘積土進行沖刷，將細小砂粒、黏性土帶走，殘留的中風化花崗巖包裹體或風化不全的殘積土作為骨架支撐，導致下部形成伏流通道，引起地面塌陷，沿沖溝方向形成多個地表陷坑，直徑約0.2～3.0米之間，可見深度0.2～6.0米，最大深度可達17.0米，以垂直下陷、下蝕為主，側向未見明顯位移開裂。此類不良地質現象分布廣泛，樁基設計時需著重考慮，尤其在殘積土層較厚地區，樁基多采用摩擦樁，上部因伏流作用致使其不具備摩擦力效應，設計時不應考慮其摩擦力，甚至應將其作為負摩阻力來考慮，以增加樁基承載的可靠性。

表2 顆粒分析成果統計表

表3 物理力學指標成果統計表

經對鉆孔巖芯、野外露頭進行觀察，花崗巖殘積土中云母片含量占比較多，而石英、長石等礦物含量較少，這也是導致風化產物黏粒含量多的主要因素之一，以致其物理力學性質具有其特殊性質。

3.2 標準貫入試驗統計

標準貫入試驗適用于砂土、粉土和一般黏性土，花崗巖殘積土同時具備砂土及黏性土的特性，因此通過標準貫入試驗可對其土的強度作出評價。根據現場鉆孔試驗數據統計如下表1所示。

表1 標準貫入試驗成果統計表

根據花崗巖殘積土的現場標準貫入原位測試試驗數據可以看出，其密實程度隨土層埋深逐漸增加，整體密實度屬中密，地基承載力好，如照經驗可初步提出承載力特征值為fak=350kPa。

3.3 室內實驗成果統計分析

通過鉆探取樣進行室內基本物理力學試驗，統計結果見表2、3。

從以上兩個表格我們可以看出，花崗巖殘積土同時具備砂土、黏性土的特性，土樣室內定名為粉砂、中砂、粉土、含黏性土粉砂、含黏性土中砂等等，總體上以粉質黏土為主。造成這些差異主要取決于其母巖成分、顆粒組成、地質構造等，還跟外部環境密切相關。

花崗巖殘積土以粉土為密實評價指標來評價，屬中密，含水量屬濕；塑性指數介于12～16之間，判別為粉質黏土；液性指數平均值0.22，硬塑狀態；壓縮系數0.43，中壓縮性；直接剪切室內c、φ值分別為60.6kPa和12.5°，力學指標黏聚力較大，內摩擦角偏小，與之前的定名為粉質黏土呼應，說明承載力還是以黏聚力為主，但根據地區經驗，該片區粉質黏土的內摩擦角φ值多小于10°，說明殘積土中的未風化的石英顆粒為φ值的提高起到了決定性作用，但上升值并不是特別明顯，又反應出其顆粒粒徑普遍偏小、含量少、顆粒間咬合力差等。

3.4 現場原位直剪試驗成果統計分析

出于室內試驗中土樣采樣過程、運輸途中的擾動，指標值有一定偏差，為了提供可靠的勘察成果參數，勘察階段我們采取了現場原位直剪試驗，以便更準確的提出設計所需參數。直剪試驗現場照片見下圖1、2。

圖1 直剪試驗現場

圖2 剪斷后試塊

試驗選取兩個區進行，每區進行3組，每組4塊，每塊施加不同的垂向應力σ，并采取剪應力τ剪切直至破壞而得到一組數據，采用最小二乘法回歸分析計算c、φ值，如下圖所示3所示。

圖3 最小二乘法回歸分析

根據各試塊試驗值最終得到如表4的成果統計表。

表4 直剪試驗成果統計表

從表中成果分析可知，兩個試驗區的花崗巖殘積土力學指標差異較大，1區黏聚力平均值50.2kPa，內摩擦角18.9kPa，而2區黏聚力平均值27.7kPa，內摩擦角20.9kPa。經過現場對剪斷試塊的觀察得出結論，試驗2區風化殘積物顆粒物明顯比試驗1區多、大、硬，而試驗1區的干強度和韌性高于試驗2區。這兩組試驗區間距約1.5km，由此可以說明，即使同處于臨雙高速沿線，由于組成成分的不同，最終其物理力學指標亦有所差別，放眼全國，乃至全球花崗巖殘積土，是無法給出一個比較可靠、統一的力學指標，只能通過地區經驗、實際勘察成果得到。

4 結論

通過對臨滄至雙江整條高速公路線路的花崗巖殘積土的勘察工作，針對性的對馬鞍山大橋及橋梁引橋段挖方邊坡的深入研究，我們對該區花崗巖殘積土的物理力學特征有了一個初步的認識，主要認識有以下內容：

（1）全國乃至全球花崗巖地層分布廣泛，其化學成分、顆粒組成、顆粒大小、顆粒硬度、地質構造以及外界的氣候、植被、光照等等條件均有所不同且差異很大，造成其風化殘積土的顆粒的組成、大小、硬度、磨圓度及黏性土的礦物組成、顆粒大小、黏粒含量等不同，進而導致花崗巖殘積土的物理力學指標差異較大。各地區、各項目應根據實際勘察結論、地區經驗綜合評價，給定一個合理、經濟的力學指標參數，以供設計、施工單位使用，為工程項目的順利建設、運營提供基礎性資料。

（2）臨雙高速公路位于滇西南橫斷山脈區，早期構造活動強烈、頻繁，花崗巖節理裂隙發育，經多期噴發形成，巖石成分中云母含量偏高，石英、長石含量偏少；臨滄地區屬濕熱、植被茂密區，屬南亞熱帶濕熱氣候類型。種種內、外因素導致花崗巖風化殘積土物理力學性質具備地方特征。

（3）該區花崗巖殘積土具有遇水崩解性，開挖裸露坡面旱季穩定性較好，雨季時坡面極易形成坡面泥石流及小型滑塌現象，給道路施工、運營造成較大安全隱患，建議對新開挖坡面進行必要封閉處理，防止雨水對裸露坡面形成直接沖刷；另外，因橋梁樁基多處于山區陡峭斜坡上，殘積土埋深較厚，樁基多采用摩擦樁型，因此為避免后期地表有效摩擦土層流失，摩擦力失效，應在合理期間增加樁長，以保證樁基安全。

（4）殘積土層地區沖溝地段形成的特殊的地下伏流系統，會影響樁基有效尺寸，設計時應根據勘察資料適當延長樁長，并考慮上部土層可能帶來的負摩阻力效應的影響。

（5）臨雙高速公路線路延伸長、經過花崗巖殘積土層面積廣，雖為同一套地層，但其殘積土性質差異較大。采用室內試驗資料，過于保守，無形中增加項目成本，若采用直剪試驗1區數值，未免偏大，不具典型代表性。因此，綜合野外調查、原位測試、室內試驗以及調訪地區經驗，也為了設計施工經濟、合理，更為了高速路的順利完工及后期安全運營，最終項目組決定花崗巖殘積土物理力學指標按γ=20kN/m3、c=27.7kPa、φ=20.9°、[fa0]=260kPa、qik=90kPa取用。

（6）國內對花崗巖殘積土的研究主要集中在華南、東南地區，滇西南地區偏少。本文對花崗巖殘積土的研究探討，希望為地區發展提供經驗，助力滇西經濟發展。