日照地区花岗岩风化带的划分及工程评价

2011-06-08王成恩

铁道勘察 2011年5期

王成恩

(铁道第三勘察设计院集团有限公司, 天津 300251)

1 概述

花岗岩在中国分布广泛,从东北、华北、华中一直到华南地区均有分布,时代主要为燕山期。花岗岩结构紧密,强度高,常被选作建筑物的基础。但由于岩石成分、结构、节理裂隙发育程度、地形地貌条件、地表水侵蚀、堆积状况不同,各地花岗岩的风化层与残积土的厚度变化很大,总体上呈现从南向北逐渐变薄的趋势。因此,在工程勘察中,常难以准确划分风化带,给施工带来很大影响。

南方地区对花岗岩风化层的研究较多,主要集中在残积土与全风化的划分,而北方地区缺乏系统研究。由于北方花岗岩残积土厚度薄,而强风化与弱风化的划分相对较简单。以日照地区花岗岩为例,在总结花岗岩风化带的基本特征及划分方法的基础上,通过对比各种原位测试、室内试验及物探等指标,对本地花岗岩风化带进行了重新判别,并对其工程地质特征进行简要评价。

2 花岗岩风化带的基本特征

2.1 花岗岩风化带的划分

花岗岩风化壳分带国际上一般采用六分法：残积土、全风化带、强风化带、弱风化带、微风化带及新鲜岩石。国内不同部门因关注对象不同而导致划分的带数和选取的界限指标有所不同,如工业与民用建筑等主要关心建筑地基的承载力和沉降问题,对残积土和全风化带的划分研究较多较细；水电大坝基底多选微风化或中风化带,故其对强风化带以下研究最多。现在比较一致的认识和做法是对风化壳分带采用定性定量相结合的综合分析判别方法。

2.2 花岗岩风化带空间分布特征

一般来说,湿润气候区以化学风化为主,干燥气候以物理风化为主。花岗岩多沿节理风化,风化厚度变化大,且以球状风化为主。风化带的厚度,取决于花岗岩种类、节理疏密和形式、气候条件、地表水与地下水的活动状态等多种因素,通常气温愈高、雨量愈多,风化壳和残积层愈厚。因此,各地花岗岩的风化层与残积土的厚度变化很大。总体上呈现从南向北逐渐变薄的趋势。一般华南沿海地区风化壳厚度20～50 m,残积土厚度5～20 m,而胶东地区则为2～30 m及<5 m,华北北部及东北则更薄,一般<3 m。

2.3 日照地区花岗岩的基本特征

(1)区域概况

日照地区位于郯庐断裂以东,五莲—荣成断裂以南的“胶南—文威构造带”中，地貌以丘陵及丘间平原为主。本地花岗岩分布广,规模大,以晋宁期至燕山期侵入片麻状二长花岗岩、二长花岗岩为主,穿插后期侵入的辉绿岩、闪长岩、煌斑岩等岩脉,普遍受到韧性变形作用影响,片麻理、线理发育,但矿物本身变形较弱。岩体受到第三期韧性剪切作用影响,条纹状构造及糜棱面理、拉伸线理较发育,还发育揉皱构造。

(2)矿物组成

本地花岗岩矿物成分以斜长石、钾长石及石英为主,含少量黑云母及角闪石。晋宁期至燕山期矿物成分演化规律较明显,主要表现在石英含量从早到晚呈增多趋势,暗色矿物(黑云母、角闪石)呈减少趋势,长石总量变化不大。岩石风化面呈灰黄色,新鲜面呈青灰色、浅红色及灰白色,片麻状构造、块状构造,中细粒变晶结构,颗粒大小位于0.5～3.2 mm之间。斜长石占25%～30%,钾长石约45%～50%,石英25%～30%,黑云母约5%～8%,含少量角闪石,最高约3%。

钾长石：粒状,发育有条纹结构,略有土化。斜长石：粒状,形状不规则,局部有轻微的土化及绢云母化。石英：粒状,多以集合体出现。黑云母：片状,褐—浅黄多色性,分布于粒状矿物间。

(3)颗粒风化特征

花岗岩根据其结晶大小,有粗(>5 mm)、中(2～5 mm)、细粒(<2 mm)之分。风化层的颗粒成分取决于风化程度,与原岩的粒度和石英颗粒大小含量有关。因此,花岗岩风化层厚度与母岩的矿物成分、结晶体大小有直接关系。日照地区花岗岩结构以中细粒为主,岩体中经常穿插有后期侵入的煌斑岩、辉绿岩等细粒岩脉。一般来说,颗粒越粗越易风化。风化层中粗颗粒大多数是夹棱角状的石英和风化不彻底的长石,细颗粒主要为风化后的长石、角闪石等，风化层厚度明显粗粒结构大于中细粒结构。

3 花岗岩风化带划分的常用方法

岩石风化带的划分研究经历了由定性到定量，单因素到多因素,从一般方法到应用概率,模糊数学等方法的发展过程。准确的划分岩石风化程度应是宏观、微观，多途径、多指标综合判别的结果。尤其前者在强风化岩和全风化岩土分类和工程评价中具有重要作用。

宏观指标包括能反映岩体风化特征的宏观现象(如颜色、岩石完整性、样品坚硬程度等)和宏观指标(如钻进速度、岩芯采取率、干密度、吸水率、声波速度),主要通过野外地质调查、工程钻探、探井、静力触探、原位测试(标贯、动探等)及物探方法获取。微观指标包括能反映风化程度的物理、化学等指标,主要通过室内土工试验、化学分析获得。

规范中规定以岩石的野外特征及波速比KV划分岩石风化程度。花岗岩类岩石,则可采用标准贯入试验划分。花岗岩类风化岩及残积土呈渐变过渡,根据实践经验还可用某些测试手段进行划分。综合划分标准如表1。

表1 岩石风化程度划分参数指标

近年来,物探方法发展迅速,在铁路、公路、水利水电等勘察中广泛用来划分岩石风化带。主要方法有探地雷达、高密度电法、高分辨浅层反射地震方法、电测深法等。如长江三峡宜昌三斗坪坝区采用探地雷达划分花岗岩风化带,可以清晰地分辨出表土以下全风化带、强风化带、弱风化带之间的界面。而福建惠安核电厂场采用高分辨浅层反射地震方法可清楚地区分出第四系松散层、强风化层、弱风化层、微风化层及未风化层花岗岩。

4 勘察方法的选取

花岗岩地区勘探工作,除钻孔及室内试验外,应有一定数量的探井,并应与标贯试验、超重型动力触探试验N120、旁压试验、波速测试等原位测试结合。本次勘察对不同风化程度采用不同的测试方法,对花岗岩风化带进行综合分析。具体见表2。

表2 不同风化程度采用的勘察方法

野外调查、探井、钻探主要获取岩石的野外特征,标贯、动探主要获取风化层的击数,室内土工试验主要获取风化层的物理、力学指标,剪切波速主要获取岩石的横波速度,电测深法则为岩石的视电阻率。

5 花岗岩风化带的划分

5.1 地质调查及探井

岩石风化带的划分应以岩石的原始状态为主。现阶段工程勘察中经常以岩心状态、试验或测试指标划分,忽略岩石的野外特征。而国内外规范都是以岩石的野外特征作为风化带划分的基础,因此野外特征应引起重视。野外特征的获取以野外地质调查及探井为主。

通过详细的野外调查及探井揭示,本地区花岗岩风化带厚度分布不均。低山丘陵区大部分出露强风化甚至弱风化花岗岩,全风化层薄,一般厚1～2 m。丘间平原区风化带厚度变化大,残积土厚约1～2 m,全风化厚约2～4 m,强风化带厚度变化大,从0～20 m不等。风化带具体特征如下。

残积土：黄褐色,呈土状,具可塑性,含不等量的砂砾。

全风化带：黄褐色、灰褐色,原岩结构已基本破坏,但尚可辨认,长石已全部风化成土状,仅余石英颗粒未风化,黑云母、角闪石的晶形已完全消失。手捏易散,稍具塑性。

强风化带：黄褐色、灰黑色,原岩结构大部分破坏,矿物色泽明显变化,长石、云母等多风化成次生矿物。不均匀风化明显,局部有少量的球状风化,厚度变化大。调查及钻探过程中发现,从岩石状态来看,强风化带可明显分为两个亚带,Ⅰ类强风化带以砂砾状、砂砾状夹少量岩块为主,岩石较软,镐能挖动；Ⅱ类强风化带岩石呈明显的碎块状,岩石较硬,镐很难挖动,钻进困难。

5.2 钻探

钻探是现阶段地质勘察工作的主要手段,能直接反映岩石的大部分宏观特征。从岩芯状态看,本地区全风化带以土状夹砂砾状为主,Ⅰ类强风化带以砂砾状夹少量碎块状为主,Ⅱ类强风化带以碎块状为主。钻孔岩芯观察描述具有很大的人为性,分级分类具有很大的不确切性，特别是对花岗岩类岩石强风化带,钻孔岩芯的原始状态被完全或大部分破坏,给风化带的划分造成错觉。如本地区工作过程中发现,相同地区(一般5 m以内)成分相同的钻孔岩芯显示的全风化厚度明显大于野外调查厚度,最大相差约8 m。究其原因应为钻机的机械扭力破坏了岩石的原始状态所致,把Ⅰ类强风化带错判为全风化带。因此,钻探破坏了花岗岩的原始状态,不能直接以钻探岩芯判定风化程度。

5.3 孔内原位测试

原位测试及物探波速测试不破坏岩石的原始状态,能较好的反映岩石的原始应力状态,在划分风化带时显得非常重要。相对来说,标贯试验是目前风化岩层评价中最普遍使用的一种原位测试手段。旁压试验、平板载荷试验,大剪试验等原位测试由于试验周期时间较长或局限性较大,在勘察中并未广泛使用。但平板载荷试验由于其直接性及准确性值得推广使用。

标贯试验具有简便、成熟、易操作等特点,是判断花岗岩风化带最常用的原位测试手段。大量的试验数据表明：风化层中标贯试验与深度的变化关系较明显,随着深度增加,N值逐渐变大。标贯划分花岗岩风化带在南方地区应用较多,主要用来区分厚层的残积土及全风化带,北方地区则很少应用,缺乏系统研究。本次勘探过程中尝试采用标准贯入试验对残积土、全风化及Ⅰ类强风化带进行划分,对Ⅱ类强风化带则进行动探试验,用以辅助判定岩石的风化状态。

根据规范要求,对大量的标贯试验结果进行了统计分析(见表3),并采用标贯击数(标贯深度一般小于10 m,未经修正)对钻孔岩芯的风化程度进行了重新判别与确认。结果显示,相同地区经标贯修正后的全风化层厚度与野外调查的厚度基本一致,误差小于1 m。因此,标贯适合于本地区花岗岩风化带的划分,可推广使用。而动探试验由于没有明确的划分标准,且数据离散性大,未能取得有效统计结果,需进一步研究其划分标准。

表3 现场测试结果统计

5.4 室内土工试验

规范中规定,一般情况下,全风化及残积土按土的测试方法,强风化等风化岩按岩石测试方法。花岗岩全风化带主要呈土状、土夹砂砾状,而强风化带则主要为砂砾状、砂砾状夹碎块状或碎块状。勘察过程中要求代表性对残积土、全风化取原样，强风化层取扰样进行分析,试验统计结果如表4。

表4 室内试验结果统计

试验结果显示,全风化层与残积土均属于粉质黏土范围,含砂砾。全风化花岗岩的抗剪强度既有黏性土的特点(c值较大),同时又有砂土的特点(φ值较高)。孔隙比比一般土要高,压缩性中等,压缩模量高于一般土。两者天然含水量、天然孔隙比、液性指数、液限、塑性指数及压缩模量等各项指标相近。从筛分试验结果来看,强风化层主要为中砂—砾砂状或角砾土状。一般大于2 mm的颗粒含量23.6%～>50%,0.5～2 mm在17.4%～41.6%之间,与花岗岩结构为中细粒一致,说明强风化层颗粒成分以石英及风化不完全的长石为主。

由此可见,试验指标不能明确区分本地残积土与全风化,但可以区分全风化与强风化层。

5.5 物探测试方法

岩土工程物探测试具有探测速度快、测点密度大且连续、成本低等优势,从经济和时效的角度考虑,是配合钻探的最佳手段。特别是在丘陵或山区地带,采用岩土工程物探和钻探相结合的勘探方法是必要的。由于条件限制,本次勘察物探方法仅采用了剪切波速试验及电测深法试验。

剪切波速判断风化程度在多本规范中都提到,但应用很少。本次勘察对大量剪切波速测试孔进行了统计分析(见表3),结果显示与规范要求基本一致。因此,剪切波速试验可用来辅助判断风化程度。电测深法研究的是岩石的视电阻率,可用来探测风化带厚度及地下水情况等。本地花岗岩由于覆盖层及全风化层薄及地下水的影响,表层视电阻率变化不明显,全风化、强风化划分效果差,但对下部强风化、弱风化界面的划分效果好。因此,电测深法更适用于大厚度风化带的勘察。

6 花岗岩风化带的岩土工程评价

6.1 地基承载力

对于工程建筑物来说,能用天然地基的宜用天然地基,因为它既能节约建设投资,又能缩短建设周期。日照地区第四系覆盖层薄,花岗岩残积土基本不存在,风化层的承载力直接影响了建筑物基础的选择。风化岩及残积土地基承载力的确定,应根据岩土工程勘察等级区别进行。根据室内实验结果、标贯测试结果及地方经验,本地区全风化带承载力综合考虑为300 kPa,Ⅰ类强风化带为500～600 kPa,Ⅱ类强风化带为800～1 000 kPa。由此可见,Ⅱ类强风化带承载力能满足大多数建筑物的要求。

6.2 路堑边坡率

天然状态下弱风化花岗岩强度高,硬度大,抗风化能力强。但强风化花岗岩在开挖后,在空气中暴漏时间过长,会在水及风的作用下迅速风化成砂状甚至土状。设计时应考虑强风化岩石继续风化问题,重视表水对边坡稳定性的影响,特别是雨季施工防水措施要到位。

本地区花岗岩受区域韧性剪切带作用,部分地区垂直节理发育,面理、节理走向与线路走向基本平行时,挖方应考虑顺层影响。考虑花岗岩不均匀风化及继续风化影响,且全风化、强风化之间无明显的分界线,而附近同三高速公路、204国道既有边坡率基本稳定在1∶1～1∶1.25。因此,本地全—强风化花岗岩边坡率可根据开挖深度综合考虑为1∶1～1∶1.25,边坡坡脚需设挡墙。

6.3 路基填料

铁路施工会产生大量弃砟,处理不好会占用耕地、引发泥石流等人为地质灾害。因此,设计过程中应尽量考虑花岗岩的移挖作填。铁路对路基的变形和稳定性的控制标准非常严格,选用填料时应慎重。

全风化花岗岩填料可采用石英、黏土矿物成分(云母)含量及液限等关键参数指标作为铁路路基填料的使用控制标准。南方地区全风化花岗岩由于其云母含量高,液限大,结构松散,水稳性差,黏结力小,局部具有膨胀性,一般不能直接用作路基填料。而本地花岗岩全风化层属含砾粉质黏土范围,液限一般小于40%,云母含量低,基本能满足C组填料要求,可考虑做路基填料。强风化—弱风化花岗岩由于结构致密,强度高,硬度大,颗粒粗,有害物质含量少,经加工后能达到C组、B组甚至A组填料要求。另外，弱风化花岗岩还是良好的混凝土粗骨料原料。