基于原位測試的花崗巖力學參數分析

萬燕龍 宮浩亮 甄振

摘要：風化花崗巖有著遇水軟化、結構性比較強、取樣較難等特性，故一般室內常規土工試驗測出的變形參數和抗剪強度通常存在偏差。為了掌握風化花崗巖準確的變形參數與抗剪強度，以實際項目為例，通過旁壓試驗等原位試驗測試場地內風化花崗巖的變形參數與抗剪強度，并與平板載荷試驗進行對比。研究結果表明：當地層風化程度降低時，土體的強度指標和變形參數指標逐漸增大，這表示土體強度和抵抗變形的能力會隨著土體強風化程度的降低而增大；劍橋旁壓試驗和平板載荷試驗所得出的土層抗剪強度指標基本一致，但劍橋旁壓試驗計算出土體變形模量高于平板載荷試驗；試驗擾動會對巖土體參數產生較大影響，劍橋旁壓試驗和平板載荷試驗所測出的土體變形參數和強度指標要大于室內試驗所得結果；通過劍橋旁壓試驗能夠一次計算出較多的土體參數，且不會對土層造成較大擾動，所得結果比較準確，能夠對工程設計起到很好指導作用。

關鍵詞：風化花崗巖；變形參數；抗剪強度；旁壓試驗；原位試驗

0? ?引言

近幾年，在風化花崗巖地質區域開展的工程常常出現邊坡失穩和樁基失效的問題[1-2]。造成此類問題發生的根本原因是在確定地層土體各項力學參數時存在偏差，導致設計并不準確[3-4]。通常以室內試驗和原位試驗的方式來確定土層參數，與一般室內常規試驗相比，原位試驗對土層的擾動較小，在不破壞土體原有應力狀態和結構的情況下測試出巖土體的力學參數[5]。朱德昌等[6]對結構性風化花崗巖層進行了原位試驗，并提出了一種分析方法，對風化花崗巖力學參數的確定提供了借鑒。為了掌握風化花崗巖更加準確的變形參數與抗剪強度，本文以實際項目為例，通過旁壓試驗等原位試驗，測試了場地內風化花崗巖的變形參數與抗剪強度，并與平板載荷試驗進行了對比，以為相關工程提供指導和借鑒。

1? ?項目概況

某項目規劃海域面積為30km2，區域內有較多的海島與暗礁，25～30m為海域水深。項目預計安裝單機容量4.0MW的風機60臺，風機基礎選擇樁基礎和重力式基礎，樁型為鋼管樁，直徑2.0m。因為海上取樣困難、難以進行試驗，同時風化花崗巖有較強的結構性，故在項目附近陸地找到一處和項目場地土層結構相同的場地開展原位試驗。

通過地質勘查得出，試驗場地地質從下往上分為碎裂體狀強風化花崗巖、散體狀強風化花崗巖、全風化花崗巖、花崗巖殘積土以及粉細砂。在試驗場地內共鉆取試驗孔6各，依次開展了標準貫入試驗、旁壓試驗以及波速試驗。

2? ?原位試驗

2.1? ?旁壓試驗

選擇劍橋自鉆式旁壓儀來開展旁壓試驗，此儀器具有精度高、不會對原狀土層造成較大擾動、適應性強、不需對經驗系數進行校對、測試范圍大等優點。應用其除此之外，還能夠對眾多土力學參數進行推導（內摩擦角、變形模量、側壓力系數、粘聚力、地基容許承載力、水平應力等），在獲取花崗巖參數方面有獨特的優勢。通過旁壓試驗和地勘報告得出土體各項參數，具體見表1。

通過劍橋旁壓數據能夠發現，當地層風化程度降低時，土體強度的內摩擦角和粘聚力指標逐漸增大；當地層風化程度降低時，能夠體現土體變形特性的變形模量和剪切模量也逐漸增大。除此之外，PL、P?等能體現土體承載能力的指標也逐漸增大，總體上說明土體承載能力隨著其風化程度的降低而增大。

2.2? ?剪切波測試

通過單孔法對剪切波速進行測試。一般情況下的操作步驟為在信號接收孔或地面進行激振時，在一個垂直鉆孔里，檢波器以上往下或從下往上的順序對各地層的S波進行檢測，同時對每層土S波的波速進行計算，試驗得出的剪切波速測試曲線見圖1。

計算小應變剪切模量的公式為：

Gd=ρv2s? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：Gd為剪切模量，ρ為密度，vs表示剪切波波速。

結合公式（1）和剪切波速試驗數據，對土層動剪切模量進行計算，得到如表2所示為具體結果。從表2中能夠發現，當土層風化程度逐漸降低時，其剪切波速與動剪切模量均表現出逐漸提高的規律。

2.3? ?標準貫入試驗

在主要土層中（風化殘疾土）開展此次標準貫入試驗，具體試驗結果如表3所示。

對標準貫入試驗數據進行分析，參考巖土勘察規范，當工程的巖土工程勘察等級小于等于乙級，且缺少無載荷試驗資料時，可參考標準貫入試驗數據來對花崗巖殘積土的變形模量E0與承載力特征值?ak進行推算，具體公式如下：

E0=1.167N'-1.053? ? ? ? （2）

?ak=11.97N'-87.37? ? ? ? ?（3）

式中：N'代表標準貫入試驗的錘擊次數。

通過表3能夠發現，14.6擊為花崗巖殘積土經過修正后的標準貫擊數均值。變形模量E0與承載力特征值?ak計算如下：

E0=1.167×14.6-1.053=15.99MPa? ? ? ? （4）

?ak=11.97×14.6-87.37=262.13kPa? ? ? ?（5）

3? ?分析風化花崗巖巖土參數取值

3.1? ?對比平板載荷試驗推算結果

在實驗場地先后開展全風化花崗巖和花崗巖殘積土的平板載荷試驗，具體的試驗結果如圖2所示。

根據平板載荷試驗數據并參考巖土勘察規范來計算其變形模量E0，計算公式如下所示：

（6）

式中：μ代表泊松比；承壓板的邊長或直徑表示為d；剛性承壓板的形狀系數表示為I0，方形和圓形的值分別為0.886和0.785；s、p分別為壓力沉降曲線中的沉降和線性段壓力。

通過相關規范，能夠得出地基承載力特征值和土體抗剪強度間的關系，具體形式如下所示：

?a=Mbγb+Mdγmb+Mcc? ? ? ? ? ? ?（7）

參考當地經驗并結合旁壓試驗數據對內摩擦角φ進行假定，再對粘聚力進行計算。通過地基承載力確定標準和式（6）、式（7）對平板載荷試驗參數進行確定，具體見表4。

通過對表1和表4進行對比，發現劍橋旁壓試驗和平板載荷試驗所得出的土層抗剪強度指標基本一致，不過前者計算出的土體變形模量要高于后者。

3.2? ?對比室內試驗結果

對土體進行室內常規土工試驗，得到其抗剪強度指標和變形參數，具體見表5。從表5中能夠看出，試驗擾動對巖土體參數有較大的影響，土樣從原來環境中取出時，破壞了土體的原有結構，導致室內試驗測出的土體變形參數和強度指標，要小于劍橋旁壓試驗和平板載荷試驗所得出的結果。

3.3? ?風化花崗巖巖土參數取值研究

綜合分析平板載荷試驗結果、場地鉆探結果、標貫結果以及旁壓試驗結果之后，并參考工程地質手冊、巖土工程勘察規范等規范，同時考慮到原位測試不會對土層造成較大的擾動，故提出各土層的力學指標應以旁壓試驗等原位測試的計算結果為準。場地內各土層力學指標和設計提議值如表6所示。地基承載力特征值如表7所示。

4? ?結束語

本文通過劍橋旁壓等試驗對巖土開展了原位試驗，并與平板試驗、室內試驗進行了對比，結合相關國家規范后整理后得出各巖土層力學參數取值的指標，可以得到以下結論：

當地層風化程度降低時，土體強度的內摩擦角和粘聚力指標逐漸增大，這表示土體強度隨著土體強風化程度的降低而增大。當地層風化程度降低時，能體現土體變形特性的變形模量和剪切模量也逐漸增大，這表示土體抵抗變形的能力會隨著土體強風化程度的降低而增大。除此之外，PL、P?等能體現土體承載能力的指標也逐漸增大，總體上說明土體承載能力隨著其風化程度的降低而增大。劍橋旁壓試驗和平板載荷試驗所得出的土層抗剪強度指標基本一致，不過前者計算出的土體變形模量要高于后者。試驗擾動對巖土體參數有較大影響，土樣從原來環境中取出時，破壞了土體的原有結構，導致室內試驗測出的土體變形參數和強度指標，要小于劍橋旁壓試驗和平板載荷試驗所得出的結果。

通過劍橋旁壓試驗能夠一次計算出較多的土體參數，且不會對土層造成較大的擾動，所得結果比較準確，能夠很好的對工程設計起到很好的指導作用。

參考文獻

[1] 陳餓，吳傳云，韓中會.干密度和飽和度對花崗巖殘積土抗剪強度的影響[J].鐵道勘察，2018，44（6）：75-78.

[2] 劉翔宇，楊光華，楊球玉，等.旁壓試驗在深厚強風化花崗巖層中的應用[J].工程勘察，2016，44（7）：31-36.

[3] 朱斌，劉非，郭金玉.某露天礦區全風化花崗巖原位試驗研究[J].中國礦山工程，2012，41（2）：1-3+7.

[4] 白曉宇，張明義，朱磊，等.強風化花崗巖中嵌巖短樁承載特征原位試驗與有限元分析[J]中南大學學報（自然科學版），2017，48（2）：512-524.

[5] 徐曉斌，奏晶晶，高飛.某核電站強風化花崗巖原位直剪試驗研究[J].工程勘察，2009，37（12）：40-43.

[6] 朱德昌.花崗巖殘積土的試驗及測試研究[J].福建建筑，1999（2）：42-44.