福建花崗巖殘積土工程特性的研究

黃傳寶

（福建省龍巖市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，福建 龍巖 364031)

0 引言

殘積土是由母巖表層經(jīng)物理、化學(xué)風(fēng)化破碎后殘留原地的產(chǎn)物。巖石風(fēng)化的初期，其中易風(fēng)化的礦物形成較細(xì)的顆粒，這些細(xì)顆粒被雨水淋往遠(yuǎn)處移位，余下的風(fēng)化物則留在原地。花崗巖殘積土廣泛分布于福建地區(qū)，具有孔隙比較大、承載力較高等特性。由于較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性，受到擾動(dòng)后強(qiáng)度下降幅度大，遇水后軟化速度快[1]。

殘積土的力學(xué)性能良好，在巖土工程勘察過程中，通常根據(jù)鉆孔標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)的數(shù)值，對(duì)殘積土進(jìn)行力學(xué)分層。在現(xiàn)場取樣后，利用室內(nèi)土工試驗(yàn)來獲取土的抗剪強(qiáng)度和相關(guān)的變形參數(shù)。室內(nèi)試驗(yàn)試樣制備的過程中，需要對(duì)原狀土進(jìn)行切削，會(huì)對(duì)土樣造成一定的擾動(dòng)。因花崗巖殘積土具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性，受到擾動(dòng)后結(jié)構(gòu)易破壞使強(qiáng)度下降，所以試樣的強(qiáng)度和變形參數(shù)遠(yuǎn)低于原狀土。有數(shù)據(jù)表明花崗巖殘積土室內(nèi)試驗(yàn)獲得的壓縮模量僅為原位試驗(yàn)結(jié)果的20%。現(xiàn)有的勘察及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果往往低估殘積土的強(qiáng)度與變形參數(shù)，而隨著現(xiàn)在樁基礎(chǔ)的廣泛應(yīng)用[2-3]，使得設(shè)計(jì)人員往往直接放棄天然地基而采用樁基礎(chǔ)，花崗巖殘積土優(yōu)良的工程性能沒有得到合理應(yīng)用，這一現(xiàn)狀既浪費(fèi)了建設(shè)資金也浪費(fèi)了資源。

鑒于此，本文從埋置深度、均勻性、擾動(dòng)影響、浸水影響等方面分析了花崗巖殘積土的基本特性，在此基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場原位試驗(yàn)探究了花崗巖殘積土的強(qiáng)度特性，建立標(biāo)貫次數(shù)與強(qiáng)度參數(shù)之間的聯(lián)系，為福建地區(qū)花崗巖殘積土相關(guān)工程提供參考。

1 花崗巖殘積土的基本特性

花崗巖風(fēng)化形成殘積土的過程中，沒有經(jīng)過其他介質(zhì)的搬運(yùn)和分選。土體的力學(xué)強(qiáng)度較高，壓縮性不強(qiáng)，土顆粒具有較好的親水性，整個(gè)土層呈弱透水性或微透水性，不易發(fā)生滲流，具有如下的工程特性：

1.1 土體埋深對(duì)強(qiáng)度的影響

在垂直方向上呈現(xiàn)出漸變過渡的趨勢，力學(xué)指標(biāo)因其粒度組成不同和狀態(tài)變化差異，隨土層深度而變化。通過對(duì)廈門地區(qū)多個(gè)場地的花崗巖殘積土的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行深度關(guān)系的分析，得出標(biāo)準(zhǔn)貫入的錘擊數(shù)隨深度的增加而逐漸增大的規(guī)律，如圖1 所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)與深度關(guān)系散點(diǎn)圖

1.2 浸水對(duì)強(qiáng)度的影響

花崗巖殘積土含有大量的游離氧化物，游離氧化物可以在土體中起到膠結(jié)作用，支撐土顆粒形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。但游離氧化物溶于水，土體中的水分子與游離氧化物接觸發(fā)生溶解，含水量升高，溶解度增大。土體結(jié)構(gòu)破壞，可壓縮性變大、整體強(qiáng)度降低，花崗巖殘積土呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化的特性。文獻(xiàn)[4]中，選取兩組廈門地區(qū)的花崗巖殘積土做平板靜載荷試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)照，第一組選取天然含水量為8%的土層，試驗(yàn)得出的地基承載力為660kPa，同一土層加水飽和后測得地基承載力為570kPa。第二組選取天然含水量為21%的土層，地基承載力約為370kPa，加水飽和后地基承載力下降了170 個(gè)，約為200kPa。取不同標(biāo)貫擊數(shù)和含水量的33 組數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，后得出方程（1）如下：

式中：N——標(biāo)貫擊數(shù)，次；

ω——?dú)埛e土的含水量，%；

γ——相關(guān)性系數(shù)。

除此以外，花崗巖殘積土在水中浸泡后，出現(xiàn)明顯的顆粒狀、片狀及塊體狀剝離掉落的崩解現(xiàn)象。文獻(xiàn)[5]選取福州砂質(zhì)殘積土進(jìn)行了崩解試驗(yàn)，根據(jù)等時(shí)間間隔的試樣崩解量試驗(yàn)結(jié)果，殘積土崩解全部過程可分為三個(gè)階段：發(fā)展階段（試樣浸水5～10min）土體開始出現(xiàn)緩慢崩解，崩解速率約1.25～2.22，崩解量約占總體積的25%；加速階段（試樣浸水15～23min）出現(xiàn)快速崩解現(xiàn)象，崩解速率5.36～14.43，崩解量達(dá)到總體積的60%；第三階段（試樣浸水30min 后）崩解速度逐漸放緩，持續(xù)，求出崩解速率大概30～40min，隨后土體完全崩解。

由此可知，花崗巖殘積土在受水浸濕后十分鐘左右，土體就會(huì)加速崩解。在花崗巖殘積土地區(qū)的某人工挖孔樁基礎(chǔ)工程項(xiàng)目中，因基礎(chǔ)下分布的地下水水位較淺且補(bǔ)給充足，開挖過程中孔壁一直處于浸水狀態(tài)，即使采用水泵降水，樁基孔壁仍然出現(xiàn)崩解，樁基失效造成了工程損失。

2 現(xiàn)場原位試驗(yàn)研究

土體強(qiáng)度與變形特征歷來被作為土力學(xué)的研究重點(diǎn)，一方面說明它的復(fù)雜性和艱巨性，另一方面說明它在巖土工程中的重要地位。鑒于殘積土具有結(jié)構(gòu)、粒度成分、力學(xué)性狀的不均勻行，以及浸水軟化和崩解的特性，原狀土體的結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度等，很難采用室內(nèi)試驗(yàn)方法，來建立適用于工程實(shí)踐的本構(gòu)模型。為此需要在現(xiàn)場開展原位測試，獲得原狀花崗巖殘積土的強(qiáng)度和變形參數(shù)，建立花崗巖殘積土在原狀結(jié)構(gòu)下的強(qiáng)度和變形參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)之間的聯(lián)系。準(zhǔn)確給出福建地區(qū)花崗巖殘積土的原狀強(qiáng)度和變形參數(shù)，為設(shè)計(jì)人員提供可靠的地基設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)。

2.1 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)方案

旁壓試驗(yàn)是在一種在鉆孔中進(jìn)行的水平向載荷試驗(yàn)。其試驗(yàn)原理是：將旁壓器置入預(yù)先鉆好的鉆孔中，再通入高壓氮?dú)馐蛊錂M向膨脹，對(duì)周圍土層或巖石產(chǎn)生橫向壓力，使土層或巖石發(fā)生形變，從而得到體積-壓力曲線。試驗(yàn)前，先用大于或等于75mm口徑的鉆具鉆至所需試驗(yàn)位置以上1m 左右，再用75mm的專用鉆具鉆至試驗(yàn)地層，將旁壓器置入后進(jìn)行試驗(yàn)。

根據(jù)不同試驗(yàn)情況及考慮土層或巖石極限壓力，設(shè)置壓力增量。一般為25～500kPa 左右，每級(jí)壓力下觀測1 分鐘。取時(shí)間間隔15s，在15s、30s和60s 分別讀數(shù)并記錄。當(dāng)試驗(yàn)滿足曲線出現(xiàn)明顯的塑性區(qū)域和測管水位下值到550～600cm3左右，達(dá)到儀器的額定壓力的兩個(gè)條件之一,即可終止試驗(yàn)。

對(duì)旁壓試驗(yàn)測得的原始數(shù)據(jù)（壓力值與體積值）進(jìn)行修正，并繪制曲線圖。根據(jù)曲線變化形態(tài)確定等參數(shù)，采用方法求PL 值，計(jì)算公式如下：

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖2 為旁壓模量、凈比例界限壓力、凈極限壓力與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)之間的關(guān)系圖。旁壓模量基本位于0.5～1.4N 之間，平均值為0.8N；凈比例界限壓力基本位于120+（20～42）N 之間，平均值為120+27N；似彈性模量、旁壓模量、凈比例界限與凈極限壓力均隨標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)的增大而增長，大體上呈線性分布。

圖2 強(qiáng)度參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)之間的關(guān)系

3 結(jié)束語

（1）花崗巖殘積土的強(qiáng)度隨著埋深的增長而逐漸增大，而擾動(dòng)、浸水等因素會(huì)導(dǎo)致花崗巖殘積土的強(qiáng)度顯著衰減。

（2）根據(jù)旁壓試驗(yàn)結(jié)果，花崗巖殘積砂質(zhì)粘性土的承載力和變形模量數(shù)值有一定的離散性，但與標(biāo)貫擊數(shù)存在線性關(guān)系；同時(shí)，規(guī)范取值較為保守，實(shí)際工程應(yīng)結(jié)合花崗巖殘積土的具體情況進(jìn)行取值。