E 江流域外交通公路深厚全风化层对公路工程的影响

张正清，王 声，易志伟

(长江岩土工程总公司(武汉)，湖北 武汉 430010)

0 引言

E 江流域水电开发对外交通公路沿N 江左岸展线，跨过支流Q 河后沿Q 河左岸朔河而上，沿途经过泸瓦、石坡、板瓦，设计公路全长约62.087 m。路线起点高程275 m，终点高程2 314 m，平均纵坡3.28%，最大纵坡6.95%，采用二级公路标准，路基宽10.5 m，混凝土路面宽9.0 m，荷载等级:公路—I 级，挂—300。全线新建桥梁70 座，总长8 360.03 m，其中大桥33 座/5 731.0 m，中小桥37 座/2 629.03 m;隧道5 条，总长1 647.6 m;新建涵洞152 处。

1 公路沿线工程地质条件［1］

1.1 自然地理概况

工程区属湿润多雨的亚热带气候区，四季不分明，主要分为旱季和雨季，旱季为每年的11月—次年5月，降雨量少，光照多;雨季为每年的6—10月，降雨量充沛且持续时间长，光照偏少云雾多，无严寒霜雪。公路沿线地形地貌差异较大，立体气候明显，具有山上温凉、河谷炎热的气候特征。

工程区内多年平均降水量大体由北向南递减，年平均降水量在3 000 mm 以上。据流域附近气象站1981年—2002年降水资料统计，其多年平均年降水量为2 299 mm，其中5月—10月为2 152 mm，占年降水量的93.61%，而11月—4月则仅占6.39%。当地气象站最大年降水量为2 770 mm(2001年)，最大1 日降水量为182 mm(1987年6月23 日)。

1.2 公路工程基本地质条件

桩号K0 +000—K4 +165 拟建公路位于N 江左岸斜坡，为河谷缓坡地形，左岸临江坡顶高程约450 m，高差约220 m，属低山地貌，多表现为斜坡，地形坡度15°～25°，地表植被发育;桩号K4 +165～K36 +416公路主要沿Q 河两岸展布，河谷整体呈“V”型谷，临江坡顶高程约700 m，高差约200 m，属低山地貌，地形坡度20°～45°，部分地段可达60°;桩号K36 +416～K62 +087，两岸临江坡顶高程2 000～3 000 m，相对高差约200～1 000 m，属构造剥蚀低中山，拟建公路沿线山体雄厚，植被茂盛，地形陡缓相间，相对平缓段地形坡度10°～30°，相对陡峻段两岸地形坡度30°～60°。

公路沿线第四系覆盖层出露全新统残坡积层(Qel+dl4)、崩坡堆积层(Qdl+c4)、河流冲积层(Q3al4)、泥石流堆积(Qsef4)等。其中残坡积层发育广泛，岩性以亚粘土为主，夹碎石，分布在山体坡面及坡脚处。崩坡积层主要发育在陡坡路段，以块石及孤石为主。河流冲积层发育在河流两岸漫滩，岩性以卵石夹砂为主。

出露基岩为中上元古界(Pt)花岗岩(γ)及花岗片麻岩(Gn)。

近场区主要发育北西向断裂，受其影响N 江左岸一带出露的片麻理产状为110°～115°∠67°～73°，其余地段片麻理产状256°～265°∠65°～75°。

1.3 路基、边坡等工程部位揭示全风化层情况

路基工程揭示全风化层路基约250 段，各段路基长100～500 m 不等，沿线全风化层路基总长约31 120 m，占线路工程长度的59.7 %;全风化边坡157段，边坡高度一般多在10～20 m，最高边坡可达50 m，边坡长一般100～300 m 之间，最长的边坡可达900 m，主要由全风化层组成，表层有2～3 m 残积土，边坡总长约18 924 m，占线路工程总长的36.3%。

隧洞工程全风化层主要分布在隧洞进出口段及局部浅埋段，揭示全风化层组成的Ⅴ类围岩长251.4 m，占隧洞工程总长的15.3%。

桥梁工程墩台涉及全风化层的有60 座，各桥梁揭示全风化层厚度不一，其中各墩台地基持力层全风化层厚度＜10 m 的有21 座，全风化层厚度10～25 m 有32 座，部分桥梁地基片麻岩风化不均一，表现在左右岸风化厚度不一，不同部位风化深度不一，存在囊状风化、球状风化或夹层状风化现象;各墩台全风化层厚度均＞25 m 的有7 座，最大揭示厚度可达51 m，全风化层风化较均匀。

2 公路工程岩石全风化岩体特征

2.1 花岗岩、片麻岩全风化机理

花岗岩类主要矿物成分主要为长石、石英，其中长石抗风化能力较差，除受地形、构造及气侯等因素影响外。在风化的初期，岩石分解，增大岩石颗粒的表面积，使岩石中矿物成分与地表水、氧气、二氧化碳更好地接触，促进岩石的分解作用，风化向深部加深。

花岗岩风化演变的过程中，微结构由粒状堆砌微结构演变为粒状架空微结构，粒间联结力由紧密演变为疏松，微裂隙由不发育演变为很发育，蚀变产物增多，粘土矿物大量增加，表明风化作用正是通过在改变了岩石的矿物成分、化学成分的基础上改变了岩石的微观结构特征［2］。

2.2 风化特征

受风化深度影响，公路沿线表层多为残积土，一般成红色，基本呈粉细的砂土状，下伏全风化岩体，从开挖断面上看仅保持原岩状态，岩体全部或大部分变色，光泽消失或局部岩块保持原有色泽，组织结构完全或大部分已破坏，矿物成份除石英颗粒外，大部分或部分已蚀变，有松软感或锤击声极哑，手捏即散，钻孔岩芯经扰动多呈松散砂土状，局部夹碎块石。

拟建公路沿线全风化主要表现为均匀风化、不均匀(球状风化、囊状、裂隙性风化)两种类型，见图1 及图2。因均匀风化野外认知程度较高，这里仅对不均匀风化现象进行叙述。

岩石所处的地形条件、构造条件、水文地质条件相同的情况，因岩石矿物成分、结晶程度的差异，存在不均匀全风化现象。从沿线已建公路开挖断面及地表露头看，表层全风化层多呈细粒的砂土状，局部含有碎石，向深部随着风化的减弱，碎块石、块径大小含量呈增大趋势，直至强风化，呈过渡状态。

照片1 均匀风化Photo 1 Uniform weathering

照片2 球状风化Photo 2 Spherical weathering

球状风化是花岗岩地区普遍存在的一种现象，风化球分布存在随机性，在垂直方向上常不均匀存在，大小不一，一般与周边岩石风化等级突变;另受构造影响，花岗岩地区也存在囊状、裂隙性风化。

2.3 厚度特征及分布特征

公路勘察钻孔揭示场区内全风化花岗及片麻岩厚度一般6.5～22.5 m，最厚达65.7 m，呈如下特点。

(1)N 江左岸斜坡及桩号K36 +416～K62 +087缓坡地段，地形坡度一般＜30°，全风化厚度较大，普遍在20～30 m 左右。分析认为在相同的条件下，风化深度一致的情况，地形较缓段有利于风化层保留。

(2)在山体地形坡度较大及冲沟处，全风化厚度一般3.8～15.5 m，较其它段风化厚度小，分析认为地形坡度大，由于雨水冲刷、冲沟溪流影响，表层风化产物受到地表水的强烈冲刷作用，不利于风化层的保留，风化层普遍较薄。

2.4 岩体物理力学性质

花岗岩全风化壳表层一般呈砂土状，其物理力学性质与第四系形成的砂土有相似性，其间不同含量的碎砾石，对室内物理力学试验的客观准确性、代表性带来影响，使得全风化层物理力学性质变化较大。

综合国内花岗岩全风化层试验成果，花岗岩全风化层物理指标特征为:天然含水量＜25%，天然密度＜1.7 g/cm3，塑性指数在10 左右，液性指数＜0。天然孔隙比多数接近1.0，结构比较疏松，孔隙一般比较发育。根据调查中得出的规律，一般中、细粒花岗岩风化物的颗粒较细，孔隙比相对较小，结构相对紧密，天然孔隙比大多在0.8～0.9 之间，天然密度在1.4～1.7之间变化。从花岗岩全风化层原状样的室内剪切指标看，其快剪内摩擦角一般在28°左右，随成分差异及取样深度略有变化，凝聚力变化范围较大，与风化物的粒度成分、孔隙比等有关［3］。

本工程对全风化岩体取样进行颗分试验、现场动探试验及物探声波测试工作。根据全风化岩体颗分试验，各粒径的含量不一，与岩体结晶粗细程度相关性较大，总体上以中砂为主，＞0.25 mm 粒径的为主，占67.3%～73.6 %，粉粒含量占16.6%～28.4 %，粘粒最低，最大为14.9%。见表1。

现场动探试验15 段，修正后击数3 击—5 击的有9 段，5 击—8 击6 段，全风化砂土呈稍—中密状态，内摩擦角30°～32°。根据部分钻孔声波测试边坡岩体不同风化状态其纵波速值(Vp)，其中全风化纵波1 800～2 300 m/s。

由于各地花岗岩矿物成分含量的差异，成岩环境、风化环境、水文气象条件的不同，又因全风层风化的不均匀和对水的敏感性对其物理力学参数的选取影响较大，地质工程师对风化的认知程度的差别，各地全风化层物理力学性质也存在较大差别，全风化层物理力学参数的选择应结合当地工程经验及工程具体特点综合取值。

3 深厚全风化层对公路工程的影响

3.1 对路基、边坡稳定的影响

工程区山体总体上地形坡度较大，深厚全风化层分布范围广，厚度大，路基不可避免的要放在全风化层上，各路堑边坡大部分也是由全风化层组成的边坡，花岗岩、片麻岩全风化物因风化作用常变得较为松散，结构疏松，下伏强或弱风化层基岩面总体上与地形坡度一致，为山体滑坡创造条件，加之本公路工程主要为E江流域水电开发提供大件运输，载重较大，在上部荷载作用下会发生变形，甚至向外挤出造成变形，存在路基稳定及边坡稳定问题。

工程区为亚热带气候区，雨季持续时间较长，且降雨量大，全风化物质组成多为砂性土，从工程区已开挖断面上看，裸露坡面多呈间距0.5 m 左右，深0.1～0.3 m垂直坡面的冲刷槽或土溜，影响路基稳定及边坡外型的美观。

花岗岩地区深厚全风化层中球状风化使路基土石分布不均，对较大球状风化体容易错判为基岩，路基易产生不均匀沉降，导致路面开裂等现象;山区地形坡度较陡，路基开挖大多一半是基岩，一半是全风化层，两者物理力学性质相差较大，也是导致不均匀沉降因素之一。

3.2 对桥梁墩台的影响

全风化层性状类似砂土，全风化层中不均匀风化及球状风化分布的离散性、误判成基岩的可能性使全风化层作为持力层更为复杂。

由于勘察中钻孔揭示全风化层多呈散砂状，其间所含碎块石含量、粒径大小的不同，地基承载力相差较大。如全风化层内较多碎块石时，地基承载力基本上能满足桥台对地基持力层的要求，如风化状态全部为砂土状，作为桥台持力层，地基承载力一般较低，不能满足桥台对地基要求，需要采用扩大基础，无形中增加了桥梁建设成本。

全风化层中的风化球岩性一般较坚硬，与弱或微风化层的岩石相似，勘察中如不能正确鉴别判断，给大桥安全带来安全隐患。采用嵌岩桩或端承桩时，以风化球为持力层，受风化球体大小影响较大，风化球周围为全强风化等软层时，桥桩基易发生倾斜或产生沉降;如采用摩擦桩直接穿过风化球，对桩基开挖施工造成困难，也将增大桩基的成桩成本。

另干燥的砂土状全风化层作为持力层，侧摩阻力一般较大，由于砂土状全风化层对水比较敏感，在水的浸泡或冲刷下很容易崩解，强度会明显降低，主要表现在土体凝聚力丧失，承载力下降、侧壁摩阻力降低。桥梁施工中应做好基坑全风化层防水工作。

表1 全风化岩体颗分试验成果表Table 1 Grading test result of full weathering rock mass

3.3 对隧道施工的影响

隧洞进出口段上覆残坡积层及全风化松散层水平厚度大，采用明洞开挖，形成边坡高度大，存在边坡稳定问题;采用洞挖则围岩类别低，成洞条件差，一般都要采用超前管棚进行支护，短进尺开挖、早封闭、勤支护，存在着成本高、进度慢、危险性大等缺点。

在公路勘察中由于花岗岩地区不均匀风化，不能有效揭示球状风化体的分布位置、球体大小，风化球体一般弱风化或微风化，岩石强度高，一般抗压强度可达100 MPa，隧洞施工如采用盾构施工，不能有效地破解风化球体，易损坏盾构机刀具，增加施工难度，延长施工工期，增加施工成本。

4 结语

通过本次公路勘察，总结花岗岩地区深厚全风化层勘察工作经验，笔者认为在工作前期对公路沿线花岗岩地段的花岗岩类型和形成时期、风化特征要有一个宏观判断，并在勘察中通过钻孔揭示情况对预期判断进行修正。钻孔揭示如不能准确判断球状风化，则要对钻孔加深孔深，找出完整的弱风化顶面。

桥梁钻孔勘察前应根据桥梁大小、桩基础的型式(嵌岩桩或摩擦桩)进行设计，预测在多少深度内如无完整岩的情况下，可用摩擦桩等进行沟通，在桥梁勘察中可对深厚全风化钻孔勘探深度进行控制，以便了解球状风化对桥墩桩的影响。在施工中遇到未发现的球状风化体时，可进行补充勘察工作。

隧洞盾构施工时可根据钻进推进速度、声音、机械负荷情况、钻头转速变化情况进行判断，并在施工期间做到多听、多看、勤检查。如遇小型球状风化岩体可对其进行人工破解，或对球状风化岩体周边风化体岩层进行预加固后再盾构施工。

全风化岩质边坡应对边坡稳定性进行计算，在边坡开挖后及时进行封闭防护，边坡顶部设置横向排水工程，下部宜布设挡土墙，对坡面进行护坡处理。路基开挖后应避免全风化岩体暴露时间过长，减少降雨和其它因素对全风化层物理力学性质的影响，并做好防冲刷处理。

［1］张正清，王声，易志伟.E 江上游水电项目对外交通工程地质勘察报告［R］.武汉:长江勘测规划设计研究院，2007.

［2］冯涛，吴光，张夏临.武广高速铁路风化花岗岩微观变化特征研究［J］.成都理工大学学报:自然科学版，2009(4):201－204.

［3］刘好正.风化花岗岩工程特性与路基工程［J］.路基工程，2003(5):41－46.