日照地區花崗巖風化帶工程特性研究

姚元鋒

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

花崗巖在我國分布廣泛，研究花崗巖風化帶的劃分及工程地質特性對評價基坑和邊坡工程的穩定性有重要的意義。巖體的風化程度是工程地質分層及地基承載力評價的依據[1]，塊狀強風化及弱風化帶巖體強度降低小，工程性質與原巖相似，不易受外部條件影響，砂土狀全-強風化帶邊坡具有類土質邊坡特點[2]，巖體遇水易崩解[3-4]，導致其強度指標下降。

1 日照地區花崗巖風化帶基本特征

1.1 花崗巖分布

日照地區花崗巖具有多期活動的特征，晉寧期片麻狀花崗巖及燕山期二長花崗巖分布較廣，其中，穿插輝綠巖、閃長巖、煌斑巖等軟弱巖脈。在礦物組成上，由北向南，長石與石英的比例呈逐漸升高趨勢。

1.2 風化帶的劃分

根據野外特征、波速比、風化系數等，可將巖體分為全風化帶、強風化帶、中等風化帶、微風化帶、未風化帶。其結構狀態由土狀-砂土狀-砂礫狀-碎塊狀-塊狀-完整巖體逐漸過渡。

日照地區花崗巖屬極硬巖[5]，具有強度高、裂隙發育等特征，在實際應用中，一般根據工程需要對厚度較大的強風化帶劃分幾種亞帶。有研究將強風化帶分為兩個亞帶：砂礫狀強風化帶和碎塊狀強風化帶[6]。亦有將強風化帶劃分為三個亞帶：砂土狀強風化帶、砂狀強風化帶、角礫狀強風化帶[7]。

1.3 風化帶空間分布特征

日照市位于魯東丘陵區，地勢整體西高東低，東部多為丘陵及丘前緩坡，以及沿河、濱海平地，地表覆蓋層較薄。風化帶在空間分布上可分為三個區帶(見圖1)：Ⅰ為中部低山丘陵區，弱風化帶大多出露；Ⅱ為高崗等地勢較高區域，受風化剝蝕的影響，全風化帶及砂土狀強風化層缺失，表層覆蓋厚度1～3 m的砂礫狀強風化帶、5～10 m的塊狀強風化帶；Ⅲ為剝蝕平原等低洼區域，全風化帶及砂土狀強風化帶較厚，全風化層厚2～5 m，局部厚度可達8 m，砂礫狀強風化層一般厚3～10 m，受構造影響，最厚處可達30 m。

圖1 日照市花崗巖風化帶分區

2 花崗巖巖體工程性質

花崗巖巖體是各向異性的非均質體，工程性質受巖石結構類型、節理發育情況、風化程度等控制，其工程性質即有與土層相似的結構特性，又有巖體的構造特性。

2.1 類土質結構特性

砂土狀全-強風化花崗巖邊坡具有類土質邊坡的特征，其物理力學指標高于土質邊坡，但風化巖中仍殘存原巖中的節理裂隙，在外力的作用下，這些隱性的薄弱面易貫通形成軟弱面，導致全風化花崗巖邊坡失穩。

2.2 承載力特性

對于巖石風化帶的承載力，規范[8]中根據風化程度將風化帶分為軟、硬巖，再根據巖石節理裂隙發育情況給出巖石承載力的建議值。按照鐵路工程巖土分類標準，全風化層為極軟巖，根據風化程度，強風化的花崗巖可分為軟巖、較軟巖，弱風化的花崗巖為硬巖。推薦承載力值如表1所示。

表1 風化巖承載力建議取值

日照市花崗巖強風化帶一般劃分為兩個亞帶(即砂土-砂礫狀強風化帶、塊狀強風化帶)。對于砂土-砂礫狀強風化帶，其承載力可按照軟巖取值，而塊狀強風化帶以及弱風化帶可按較軟巖和硬質巖取值。為驗證取值是否準確，選擇代表性地層進行平板載荷試驗[10]。對該地區地下水位以上的砂土狀強風化帶進行平板載荷試驗，其承載力值均大于800 kPa(見表2)。考慮到巖體礦物成分變化引起的不均勻風化以及地下水的影響，強風化帶承載力一般可取500～800 kPa，局部黏粒含量高的砂土狀強風化帶可取400 kPa。

表2 強風化帶平板載荷計算承載力特征值

2.3 影響承載力的主要因素

表2中的承載力是理想狀態下平板載荷試驗得到的原位試驗數據，并未考慮地下水對巖體的影響。現實中，風化帶并非均質體，巖體中可能夾有局部小型構造或軟弱侵入巖脈。在基礎施工中，基坑開挖也會對地基產生擾動，地表水滲流、地下水位變化都會對風化帶巖體的承載力有一定的影響，在勘察設計中應根據場地情況綜合考慮[9]。

(1)礦物成分及顆粒結構

風化帶中顆粒組成直接影響巖體的承載力，粗顆粒含量越高，承載能力越強。片麻狀二長花崗巖、閃長巖中，長石、云母、角閃石等暗色礦物含量較高的巖類易風化，風化后細顆粒含量高，承載力低于石英二長巖、二長花崗巖等石英含量較高的巖類。

(2)開挖卸荷

基坑開挖過程中，上部荷載消失，松散的土體失去約束產生自由膨脹，使得表層風化帶巖體密實度下降，承載能力降低[11-12]。隨著工程荷載的施加，巖體密實度會逐漸增大，承載能力逐漸恢復；但如果基坑底部地層受機械開挖擾動，巖體顆粒間結構發生位移，施加上部荷載后也難以恢復至原始狀態，將導致巖體密度下降，承載能力降低。

(3)地表水

地表水對花崗巖風化帶的影響主要是坡面沖刷。邊坡開挖過程中，如果未及時防護，在坡面凹陷處及土質較疏松部位易被沖蝕，形成沖溝；巖石風化后殘留于土中的結構面也會成為地表水向下滲流的通道，當這些結構面傾向坡體臨空面時，就會成為邊坡破壞的滑動面。

(4)地下水

砂土狀花崗巖風化帶被水浸泡后，水的潤滑作用降低了巖體的強度，自由水的孔隙水壓力進一步抵消掉土體之間的黏聚力，加劇了巖體結構破壞，導致抗剪強度急劇降低、承載力下降。地下水位高于基坑底部時，風化帶巖體中的土體顆粒受到地下水的浮力處于自由狀態，顆粒間的間隙增大，地下水在水頭壓力的作用下產生向上滲流作用(見圖2)。滲流過程中，水溶解巖體中的部分礦物成分，攜帶部分粒徑較小的黏性顆粒，破壞了巖體的整體結構性，導致巖土本身強度降低。即使施加工程荷載后，也難以恢復至原始狀態。

圖2 基坑開挖狀態地下水滲流情況示意

3 工程實例

3.1 風化巖邊坡

以某鐵路右側邊坡為例，鐵路線路走向298°，一級邊坡深度范圍內為砂土狀夾碎塊狀花崗巖強風化層，高8.0 m，設計邊坡坡率為1∶1.25；二級邊坡深度范圍內為砂土狀花崗巖全強風化層，高1.6～4.5 m，設計邊坡坡率為1∶1.50。

圖3 邊坡變形段落

該邊坡開挖過程中，由于未按設計進行分層開挖、分級支護，邊坡整體開挖暴露22 d后，K11+100～K11+117處邊坡發生滑塌(如圖3所示)，滑動帶從二級邊坡全風化層開始，滑坡后緣出現寬約0.5 m的裂縫，坡腳下強風化層局部地面略微隆起，滑坡兩翼存在兩條產狀為330∠53°和95∠50°的風化殘余節理，節理裂隙夾厚約2 mm的黏土，黏土已失水皸裂，風化節理處已斷裂，呈塊狀。滑坡后緣揭露出全風化花崗巖殘存節理，表面光滑，走向與線路大致平行。滑坡導致整個邊坡坡面破壞。處理措施：清除滑動巖體后，采用錨桿進行加固，保證了邊坡的穩定性。

3.2 風化巖基坑

(1)砂土狀全-強風化帶

某鐵路涵洞基礎，基底為片麻狀二長花崗巖，黃褐色，巖石已完全風化成砂狀，標貫擊數為27擊，根據巖芯狀態結合標貫擊數判定為全風化。基底高程與地下水位持平。基坑開挖后，基底受水浸泡呈松散狀態(見圖4)。在基底進行標貫試驗，基底以下0.8 m實測標貫擊數為13，遠低于第一次鉆孔原位測試標貫值。處理措施：清除基底表層受水浸泡軟化的地層，換填滲水土。

圖4 砂土狀全風化基坑

某鐵路橋墩挖井基礎，基底為花崗巖，黃褐色，巖芯呈砂土-砂礫狀，實測標貫擊數大于50擊，重型動力觸探大于50擊，判定為強風化。地下水穩定水位為12.20 m，基底高程為7.01 m，水頭差為5.2 m。開挖過程中采取了降水措施，并在基坑四周布設積水溝。基坑開挖后，地下水沿顆粒之間的孔隙滲流，水流攜帶巖體中的細顆粒，破壞了地基巖體的結構性，基底受水浸泡后呈松散狀態。開挖后對基底進行標貫試驗，基底以下1 m實測標貫值為14～21擊(見圖5)，測試數據下降較為明顯。處理措施：設計專業對該基坑進行了變更，調整為樁基礎。

圖5 基底地下水向上滲流引起細顆粒流失

(2)塊狀強風化帶

某鐵路橋墩明挖基礎基底為片麻狀二長花崗巖，灰黃色，巖芯呈塊狀夾少量砂礫狀，實測重型動力觸探大于50擊，根據巖芯狀態判定為強風化。地下水穩定水位為14.0 m，基底高程為12.6 m，水頭差為1.4 m。開挖后，基底多呈塊狀，基底及側壁節理裂隙發生滲水，基底雖受水浸泡仍保持原巖體結構，重型動力觸探試驗實測仍大于50擊，表明承載力基本未受地下水影響。

4 結論

(1)巖石的風化是一個漸進的過程，風化帶的劃分宜根據風化后的結構狀態進行細分，并分別提供物理力學指標，可使設計更為精細化。

(2)承載力的推薦應在規范的建議值內充分參考地方經驗，當缺乏地方經驗時可采用原位測試獲得基本承載力，并考慮地下水位對風化巖體的影響，適當進行調整。

(3)砂土狀的花崗巖全-強風化帶，其原巖結構已基本破壞，性質類似砂類土層，但原巖中的節理裂隙仍得以保留，勘察時應查明節理裂隙以及巖層產狀，并在設計及施工時加以考慮。

(4)砂土狀花崗巖全-強風化帶易受開挖卸荷及地下水影響。地下水在基底滲流時溶解攜帶部分細顆粒成分，降低地基的承載力。勘察設計及施工過程中，在基礎底面高程低于地下水位的情況下，應慎重選用承載力值。開挖時，應采取降水、排水措施，將地下水水位降至基底高程以下，以保證工程的安全可靠。

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