贛南花崗巖風化帶巖土體強度特征及邊坡破壞模式分析

張樹坡， 簡文星， 蔣天嬌， 林雨秋， 姚 遠

(中國地質大學(武漢)工程學院，武漢 430074)

花崗巖風化帶巖土體在中國大部分地區均有分布。由于花崗巖在風化演化下強度會有較大變化，且不同風化帶力學性質差異較大，使得各風化帶巖土體的性質對邊坡穩定性起著決定性作用[1-2]。中外學者對此進行了一系列研究。Mert[3]利用人工神經網絡的方法來評估花崗巖風化性能；Sun等[4]改良標準貫入試驗和原位地震試驗研究韓國洪城花崗巖的風化程度；王清等[5-6]研究了中國東南部地區花崗巖殘積土的物理力學特性，揭示了花崗巖殘積土的基本特征；溫勇等[7]確定了廣州地區花崗巖殘積土和全風化帶力學參數的合理確定方法。關于花崗巖中風化、弱風化以及新鮮巖塊的研究，前人多采用試驗的方法，通過循環加卸載，不同應力路徑以及化學-滲流耦合對花崗巖巖塊進行研究，得到其強度特征及破壞模式[8-12]。目前，前人研究多集中在花崗巖某一風化帶的物理力學性質，對花崗巖殘積土的研究已有大量報道，但是將花崗巖風化帶巖土體作為整體對象進行研究尚鮮有報道。根據贛南地區資料統計和現場工程經驗，全風化帶和強風化帶中較易出現巖土體失穩，且二者較多保留著原巖的結構和強度特征，因此對花崗巖風化帶巖、土體強度特征的研究就很有必要。為此，通過對贛南花崗巖全風化層和中風化層物理性質和強度特征的研究，以期對贛南地區風化帶巖土體邊坡穩定分析、安全防護和相關工程建設提供參考。

1 贛南花崗巖風化分帶

贛南安遠至定南高速沿線花崗巖邊坡風化帶主要出露有殘積土層、全風化層和強風化層，其中殘積土及全風化帶大面積出露，中等風化花崗巖在開挖后有部分出露，微風化與未風化帶基本不出露，典型剖面如圖1、圖2所示，各風化帶出露特征如下。

(1)花崗巖殘積土：紅褐色為主，呈現似母巖結構的黏性土性質，無黑云母。

(2)全風化花崗巖：黃褐色為主，母巖結構清晰可辨，呈現不具黏性的砂土性質，可見黑云母殘片。據勘察報告，贛南花崗巖全風化層的厚度最大，最厚處可達29.8 m，已開挖邊坡都有大量全風化花崗巖覆蓋層。

(3)強風化花崗巖：灰黃、褐黃色為主，母巖巖體已經完全遭到破壞，表現出砂狀的組合形式，節理裂隙發育明顯，礦物顏色變化劇烈但能分辨，剖面上碎片易剝落。

(4)中風化花崗巖：灰黃、褐黃色為主，巖體因風化裂隙分割成巖塊，巖塊較完整，用手無法折斷。

據野外調查，各個風化帶間主要是漸變性過渡，中風化和強風化分界相對清晰，其余分界因不好識別，需結合工程地質定性與定量檢測(標貫試驗、波速比試驗、微觀化學指標)進行精準風化分帶。

圖3 K196+380路塹邊坡地形圖Fig.3 Topographic map of K196+380 cutting slope

2 風化帶巖土體物理性質

2.1 花崗巖取樣與定名

樣品采自贛南安遠至定南高速公路A6標段K196+380路塹邊坡開挖風化帶剖面(圖3)，該研究區主要出露加里東期花崗巖與第四系覆蓋層。開挖出露花崗巖基巖，淺灰白色，巖塊狀，置地堅硬，呈現低級區域變質和中風化巖特征，根據野外特征和室內巖礦鑒定定名為中細粒黑云母二長花崗巖，礦物組成如表1所示。

表1 花崗巖樣礦物組成Table 1 Mineral composition of granite samples

2.2 全風化花崗巖物理性質

2.2.1 全風化花崗巖基本物理參數

選取典型全風化花崗巖取樣，取樣深度為 1～2 m。全風化花崗巖呈現黃褐色，基本保留原巖結構，見有石英顆粒和黑云母等礦物殘留，用手可輕易揉碎。通過室內基本土工試驗得到全風化花崗巖的粒度特征(圖4)和基本物理性質指標(表2)。

圖4 全風化花崗巖顆粒級配累計曲線Fig.4 Grain-size cumulative curve of completely weathered granite

表2 全風化花崗巖基本物理性質指標統計Table 2 Basic physical property index of completely weathered granite

由表2可知，按照土的顆粒級配和塑性指數分類，贛南全風化花崗巖可定名為粉砂，但細粒物質達到47%，同時還表現出天然密度小、孔隙率大和滲透系數高等特點。

2.2.2 全風化花崗巖微觀結構特征

對贛南全風化花崗巖進行X粉晶衍射和電鏡掃描試驗。X粉晶衍射結果如圖5所示，分析得到土樣礦物成分(表3)，原狀樣微觀結構如圖6所示。

表3 全風化花崗巖礦物成分統計

圖5 全風化花崗巖X粉晶衍射分析圖Fig.5 The X-ray powder diffraction diagrams of completely weathered granite

圖6 全風化花崗巖SEM照片Fig.6 The SEM photograph of completely weathered granite

從表3、圖6結果可知：贛南全風化花崗巖的礦物成分為石英、高嶺石、伊利石和正長石，黏土礦物占比達70%以上，其中伊利石占比達50%左右。全風化花崗巖原狀樣土體顆粒主要由碎屑顆粒、微碎屑顆粒和黏粒膠結構成，顆粒互相交接，遇水容易出現崩解性。高嶺石礦物顆粒呈書頁狀、蠕蟲狀，伊利石呈絲縷狀，碎屑顆粒之間為鑲嵌結構，微碎屑顆粒呈堆疊狀于碎屑顆粒上，方向性明顯，結構強度高，表明全風化花崗巖較好地保留了原巖的結構構造特征。

3 風化帶巖土體強度特征

3.1 全風化花崗巖三軸剪切試驗

3.1.1 試驗方案

為研究不同圍壓下贛南全風化花崗巖的應力-應變特性，獲取總應力參數以及有效應力參數，利用TKA三軸剪切滲流儀對全風化花崗巖的原狀樣進行常規固結不排水三軸試驗。對采得的全風化層原狀樣進行切削制樣，直徑38.9 mm，高80 mm，每一組試驗選取4個標準試樣，設定圍壓σ3為50、100、200、400 kPa，同時設置3組平行試驗。試驗過程由電腦全部控制，利用電腦的加載系統選擇 4.66 mm/s 軸向剪切速率進行試驗。

3.1.2 試驗結果分析

對三軸試驗數據進行分析，得到如下結果。全風化花崗巖應力-應變關系曲線如圖7所示，在50 kPa圍壓下，應力隨應變快速增加，到達峰值后基本不再變化，呈現應變硬化特征；在100 kPa圍壓下，應力隨應變先快速增加，后緩慢增加趨于平緩，表現為應變硬化型；在200、400 kPa圍壓下，應力隨應變先急劇增加，達到峰值后逐漸減小，呈現應變軟化型；全風化花崗巖隨著圍壓增大由應變硬化型轉變為應變軟化型，發生了應力-應變轉型。土的類型、圍壓、初始密度或含水率、排水條件及應力路徑等都會誘使土體產生應力-應變關系轉型，目前土體應力-應變關系轉型問題還有待進一步深入研究[13]。

圖7 全風化花崗巖應力-應變關系曲線Fig.7 Stress-strain relationship curves of completely weathered granite

全風化花崗巖孔隙水壓力u軸向應變關系曲線如圖8所示。曲線表現出明顯的非線性，在加壓的前期，孔隙水壓力與應變呈現增函數趨勢，隨著圍壓的增加，曲線斜率越來越大，達到峰值后，孔隙水壓力基本不再變化。在50 kPa圍壓下，初期孔隙水壓力出現負值，表明全風化花崗巖在這個階段具有一定的剪脹趨勢。

圖8 全風化花崗巖孔隙水壓力-軸向應變關系曲線Fig.8 Relationship between axial strain and pore water pressure of completely weathered granite

由圖8可知，全風化花崗巖在200、400 kPa圍壓下，應力-應變曲線出現了明顯的峰值點，取峰值應力為試樣的破壞應力。在50、100 kPa圍壓下，應力應變曲線沒有明顯的極限點，破壞應力選擇15%應變所對應的應力值，繪制強度包絡線(圖9)，然后依據摩爾庫倫破壞準則，計算得到贛南全風化花崗巖原狀樣的總應力強度參數及有效應力強度參數(表4)。

圖9 全風化花崗巖應力莫爾圓Fig.9 Mohr circle of stress of completely weathered granite

表4 全風化花崗巖抗剪強度參數Table 4 Shear strength index of completely weathered granite

圖10為全風化花崗巖的有效應力路徑曲線。由圖10可以看出，在50、100 kPa圍壓下q′隨p′先增加再減小，在200、400 kPa圍壓下q′隨p′先增加，然后在一個階段內保持不變后減小，表明贛南全風化花崗巖的破壞模式是在較高圍壓(200、400 kPa)下以剪切破壞為主，較低圍壓(50、100 kPa)下以鼓脹破壞為主。

為有效大主應力；為有效小主應力圖10 贛南全風化花崗巖有效應力路徑曲線Fig.10 Effective stress path curve of completely weathered granite

3.2 中風化花崗巖單軸壓縮試驗

3.2.1 試驗方案

采取的巖樣按風化分帶標準定為中風化花崗巖。試驗采用中科院武漢巖土所RMT-150C巖石力學實驗系統。設置花崗巖試樣1組5塊；試樣圓柱形，尺寸為直徑50 mm、高100 mm。試驗運用位移控制進程，選擇速度為0.002 mm/s，位移終點 2 mm，力極限300 kN，位移極限2.1 mm；先進行預加載，預加載完成后正式運行，聽到破裂聲后即停止加載。

3.2.2 試驗成果及計算方法

試驗數據按照式(1)～式(3)處理：

(1)

(2)

(3)

式中：E為彈性模量，Pa；P為垂向荷載，N；σ為壓應力，Pa；A為試樣橫斷截面面積，m2；σa和σb分別為彈性破裂階段開始和結束時的應力，Pa；εha和εhb分別為彈性破裂階段開始和結束時的縱向應變；εda和εdb分別為彈性破裂階段開始和結束時的橫向應變；μ為泊松比。

為了對中風化花崗巖的變化過程進行分析，選取編號為D-1的試樣說明。圖11為D-1試樣單軸壓縮試驗過程曲線。由圖11可以看出，單軸壓縮條件下樣品經歷了不同的破壞階段，第一階段(OA段)：巖樣內部存在間隙，該階段為壓密形成的初始變形階段，變化關系為曲線；第二階段(AB段)：該階段為彈性變形階段，垂直位移與垂直力大致為直線關系；第三階段(BC段)：非穩定破裂發展階段，很多軟弱處已經開始出現了破壞，破壞一直延伸到峰值C處，在達到峰值后的最后階段花崗巖全部結構基本破壞，為整體破壞階段(第四階段)。根據該曲線可以求出中風化花崗巖單軸壓縮試驗下的各項強度參數。結果如表5所示。

圖11 D-1試樣單軸壓縮試驗過程曲線Fig.11 Uniaxial compression test process curve of D-1

3.3 中風化花崗巖三軸壓縮試驗

3.3.1 試驗方案

贛南花崗巖三軸試驗儀器、試樣規格均與單軸壓縮試驗一樣。圍壓分別采取2、4、6、8、10 MPa，在確定的荷載下進行試驗直到巖樣出現破壞。與單

表5 中風化花崗巖單軸試驗數據統計Table 5 Statistics of uniaxial compression test data for moderately weathered granite

軸試驗不同的是加載方式，首先需采用力(圍壓)控制方式進行加載，力極限500 kN，力速率 0.2 kN/s，位移極限3 mm，圍壓速率0.1 MPa/s，在圍壓達到預計值時，將力控制模式改為位移控制模式，采取速率與單軸壓縮試驗一致，待試樣達到殘余強度一段時間后停止。

3.3.2 試驗結果

贛南中風化花崗巖三軸試驗結果如表6所示。試驗數據分析采用RocData軟件，繪制莫爾應力圓(圖12)，根據摩爾庫倫強度準則得到贛南中風化花崗巖塊抗剪強度參數，黏聚力c=14.64 MPa，內摩擦角φ=56.04°。

表6 中風化花崗巖塊三軸試驗成果

圖12 花崗巖巖塊的摩爾應力包絡線Fig.12 Mohr circle of stress of granite block

3.3.3 中風化花崗巖巖體力學參數綜合確定

由于花崗巖巖塊參數并不能完整反映風化帶巖土體邊坡的強度特征，在實際工程中應結合現場具體工程地質情況進行分析。鑒于贛南地區邊坡大量花崗巖殘積土和全、強風化帶覆蓋，結合安遠至定南高速公路沿線A6標段的工程地質情況進行類比分析。采用虎克布朗準則與摩爾庫倫準則相結合的方法對贛南花崗巖體進行參數反演。利用Roclab計算程序經過對虎克布朗準則進行線性擬合，獲得了與巖體黏聚力和內摩擦角等效的參數，其表現形式為

(4)

(5)

(6)

式中：mb為破裂巖體的巖性參數；a、s為與巖體特征有關的參數σ3max為側限應力上限值；σc為完整巖塊的單軸抗壓強度；σ3n為側限應力。

側線應力上限值σ3max與巖體整體強度σcm的關系由式(7)確定：

(7)

式(7)中：γ為巖石的重度；H為埋深。

根據廣義虎克布朗準則，令σ1=σ3=σt，花崗巖巖體的單軸抗壓強度可表示為

σc=σcisa

(8)

再令σ3=0、σ1=σc，可得花崗巖巖體的單軸抗拉強度σt，表示巖體的雙軸抗壓強度。

(9)

巖體彈性模量Em的選取如式(10)所示:

(10)

式(10)中：D為巖體擾動系數；σci為巖石起裂強度；GGSI為巖體強度指數。

Hoek等在2006年重新定義了Hoek-Diederichs方程，如式(11)所示:

(11)

式中：Ei為花崗巖巖石的彈性模量。

在對花崗巖巖體進行參數反演時，首先要確定虎克布朗準則的4個基本參數，分別是贛南花崗巖的巖體整體強度σcm、虎克布朗常數mi、巖體強度指標GGSI和巖體擾動系數D。Roclab軟件系統提供了4個基本常數的錄入界面，在選擇界面選擇所需要的參數與模型即可。最后得到贛南中風化花崗巖巖體的物理力學參數(表7)。

表7 利用虎克布朗準則反演得到的花崗巖體強度參數

4 贛南花崗巖風化帶邊坡破壞模式

贛南花崗巖風化巖土體邊坡失穩破壞方式可概括為以下5類。

4.1 沿結構面滑動

此類變形破壞通常發生于順層或結構面的巖土質邊坡(圖13)。產生的機理是部分風化帶巖土體邊坡坡向與風化層傾向一致，并且原有結構面(片麻理、節理、軟弱結構面等)傾角小于邊坡的設計坡腳，在開挖和降雨等因素誘發下，結構面臨空，邊坡很容易沿結構面出現失穩破壞。

4.2 沿頂部拉裂滑動

類土質邊坡的破壞通常是沿頂部拉裂滑動破壞(圖14)。產生的機理是在持續降雨過程中，雨水沿著坡體后緣裂隙等優勢入滲路徑進入坡體內部，產生靜水壓力，邊坡巖土體發生軟化，抗剪強度降低，加速了邊坡后緣裂隙的發育，最終發生失穩破壞。

圖13 沿片麻理滑動邊坡現場圖和剖面圖Fig.13 Photos and geological sections of slope sliding along the gneissosity

圖14 沿頂部拉裂滑動滑坡現場圖和剖面圖Fig.14 Photos and geological sections of slope sliding along top tension fracture

4.3 土體拉裂-崩塌

全風化花崗巖類土質邊坡中容易出現土體拉裂-崩塌變形破壞 (圖15)。產生的機理是邊坡內部的原生與次生結構面切割坡體內部，坡體內部變形破壞形成楔形體，在強降雨等因素的誘發下，切割后的楔形體沿結構面發生變形并破壞，最終導致坡體局部失穩滑移。

4.4 圓弧形滑動

圓弧形滑動主要發生在土質邊坡和較為均勻的全風化花崗巖類土質邊坡中(圖16)，產生的機理是坡體開挖后坡面整體變陡，坡腳卸荷且容易積水，積水導致坡腳巖土體的抗剪強度急劇下降，同時坡腳處是邊坡應力集中最大區域，最終致使邊坡失穩破壞。

圖15 土體拉裂-崩塌邊坡失穩現場圖和剖面圖Fig.15 Photos and geological sections of tension fracture-collapse slope

圖16 圓弧形滑動邊坡現場圖和剖面圖Fig.16 Photos and geological sections of circle failure slope

4.5 坡面沖刷破壞

坡面沖刷破壞普遍存在于贛南地區各類型邊坡中。贛南地區花崗巖殘積土與全風化覆蓋層厚度相對較大，特別是已開挖邊坡均有大量全風化層覆蓋。區域地處亞熱帶季風氣候，夏季高溫多雨，波及面廣，非常容易形成坡表沖刷(圖17)，其也為贛南地區最為常見的邊坡失穩形式。

圖17 某處花崗巖風化帶高邊坡坡面沖刷破壞Fig.17 Scour failure of high slope in weathered granite zone

5 結論

通過對贛南花崗巖風化帶巖土體全風化層和中風化層強度特性的研究，并結合野外特征、X射線粉晶衍射和電鏡掃描結果分析，得到了以下結論。

(1)贛南花崗巖風化帶主要出露有殘積土、全風化、強風化和中風化帶?；◢弾r原巖定名為中細粒黑云母二長花崗巖。

(2)贛南全風化花崗巖定名為粉砂，主要礦物成分為石英、高嶺石、伊利石和正長石，黏土礦物占比高，孔隙率大，保留了較多的原生結構。隨著圍壓增大，應力-應變關系由應變硬化轉變為應變軟化，破壞方式表現為先鼓脹再剪切破壞。最后得到抗剪強度參數c=8.1 kPa，φ=14.91°，c′=6.5 kPa，φ′=29.70°。

(3)贛南花崗巖塊破壞經歷了非線性階段的壓縮，彈性階段的線性壓縮，小破裂階段以及達到峰值后的整體破壞4個階段。單軸抗壓強度 120.18 MPa，彈性模量30.46 GPa，泊松比0.28、抗剪強度c=14.64 MPa，φ=56°。通過虎克布朗準則反演，結合現場工程地質報告資料，得到了中風化帶花崗巖巖體物理特性與強度參數。

(4)贛南花崗巖風化帶巖土體邊坡破壞模式分為五類，主要破壞形式是強降雨作用下的坡面沖刷破壞。