日照地区花岗岩风化带工程特性研究

2018-07-03姚元锋

铁道勘察 2018年3期

姚元锋

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

花岗岩在我国分布广泛，研究花岗岩风化带的划分及工程地质特性对评价基坑和边坡工程的稳定性有重要的意义。岩体的风化程度是工程地质分层及地基承载力评价的依据[1]，块状强风化及弱风化带岩体强度降低小，工程性质与原岩相似，不易受外部条件影响，砂土状全-强风化带边坡具有类土质边坡特点[2]，岩体遇水易崩解[3-4]，导致其强度指标下降。

1 日照地区花岗岩风化带基本特征

1.1 花岗岩分布

日照地区花岗岩具有多期活动的特征，晋宁期片麻状花岗岩及燕山期二长花岗岩分布较广，其中，穿插辉绿岩、闪长岩、煌斑岩等软弱岩脉。在矿物组成上，由北向南，长石与石英的比例呈逐渐升高趋势。

1.2 风化带的划分

根据野外特征、波速比、风化系数等，可将岩体分为全风化带、强风化带、中等风化带、微风化带、未风化带。其结构状态由土状-砂土状-砂砾状-碎块状-块状-完整岩体逐渐过渡。

日照地区花岗岩属极硬岩[5]，具有强度高、裂隙发育等特征，在实际应用中，一般根据工程需要对厚度较大的强风化带划分几种亚带。有研究将强风化带分为两个亚带：砂砾状强风化带和碎块状强风化带[6]。亦有将强风化带划分为三个亚带：砂土状强风化带、砂状强风化带、角砾状强风化带[7]。

1.3 风化带空间分布特征

日照市位于鲁东丘陵区，地势整体西高东低，东部多为丘陵及丘前缓坡，以及沿河、滨海平地，地表覆盖层较薄。风化带在空间分布上可分为三个区带(见图1)：Ⅰ为中部低山丘陵区，弱风化带大多出露；Ⅱ为高岗等地势较高区域，受风化剥蚀的影响，全风化带及砂土状强风化层缺失，表层覆盖厚度1～3 m的砂砾状强风化带、5～10 m的块状强风化带；Ⅲ为剥蚀平原等低洼区域，全风化带及砂土状强风化带较厚，全风化层厚2～5 m，局部厚度可达8 m，砂砾状强风化层一般厚3～10 m，受构造影响，最厚处可达30 m。

图1 日照市花岗岩风化带分区

2 花岗岩岩体工程性质

花岗岩岩体是各向异性的非均质体，工程性质受岩石结构类型、节理发育情况、风化程度等控制，其工程性质即有与土层相似的结构特性，又有岩体的构造特性。

2.1 类土质结构特性

砂土状全-强风化花岗岩边坡具有类土质边坡的特征，其物理力学指标高于土质边坡，但风化岩中仍残存原岩中的节理裂隙，在外力的作用下，这些隐性的薄弱面易贯通形成软弱面，导致全风化花岗岩边坡失稳。

2.2 承载力特性

对于岩石风化带的承载力，规范[8]中根据风化程度将风化带分为软、硬岩，再根据岩石节理裂隙发育情况给出岩石承载力的建议值。按照铁路工程岩土分类标准，全风化层为极软岩，根据风化程度，强风化的花岗岩可分为软岩、较软岩，弱风化的花岗岩为硬岩。推荐承载力值如表1所示。

表1 风化岩承载力建议取值

日照市花岗岩强风化带一般划分为两个亚带(即砂土-砂砾状强风化带、块状强风化带)。对于砂土-砂砾状强风化带，其承载力可按照软岩取值，而块状强风化带以及弱风化带可按较软岩和硬质岩取值。为验证取值是否准确，选择代表性地层进行平板载荷试验[10]。对该地区地下水位以上的砂土状强风化带进行平板载荷试验，其承载力值均大于800 kPa(见表2)。考虑到岩体矿物成分变化引起的不均匀风化以及地下水的影响，强风化带承载力一般可取500～800 kPa，局部黏粒含量高的砂土状强风化带可取400 kPa。

表2 强风化带平板载荷计算承载力特征值

2.3 影响承载力的主要因素

表2中的承载力是理想状态下平板载荷试验得到的原位试验数据，并未考虑地下水对岩体的影响。现实中，风化带并非均质体，岩体中可能夹有局部小型构造或软弱侵入岩脉。在基础施工中，基坑开挖也会对地基产生扰动，地表水渗流、地下水位变化都会对风化带岩体的承载力有一定的影响，在勘察设计中应根据场地情况综合考虑[9]。

(1)矿物成分及颗粒结构

风化带中颗粒组成直接影响岩体的承载力，粗颗粒含量越高，承载能力越强。片麻状二长花岗岩、闪长岩中，长石、云母、角闪石等暗色矿物含量较高的岩类易风化，风化后细颗粒含量高，承载力低于石英二长岩、二长花岗岩等石英含量较高的岩类。

(2)开挖卸荷

基坑开挖过程中，上部荷载消失，松散的土体失去约束产生自由膨胀，使得表层风化带岩体密实度下降，承载能力降低[11-12]。随着工程荷载的施加，岩体密实度会逐渐增大，承载能力逐渐恢复；但如果基坑底部地层受机械开挖扰动，岩体颗粒间结构发生位移，施加上部荷载后也难以恢复至原始状态，将导致岩体密度下降，承载能力降低。

(3)地表水

地表水对花岗岩风化带的影响主要是坡面冲刷。边坡开挖过程中，如果未及时防护，在坡面凹陷处及土质较疏松部位易被冲蚀，形成冲沟；岩石风化后残留于土中的结构面也会成为地表水向下渗流的通道，当这些结构面倾向坡体临空面时，就会成为边坡破坏的滑动面。

(4)地下水

砂土状花岗岩风化带被水浸泡后，水的润滑作用降低了岩体的强度，自由水的孔隙水压力进一步抵消掉土体之间的黏聚力，加剧了岩体结构破坏，导致抗剪强度急剧降低、承载力下降。地下水位高于基坑底部时，风化带岩体中的土体颗粒受到地下水的浮力处于自由状态，颗粒间的间隙增大，地下水在水头压力的作用下产生向上渗流作用(见图2)。渗流过程中，水溶解岩体中的部分矿物成分，携带部分粒径较小的黏性颗粒，破坏了岩体的整体结构性，导致岩土本身强度降低。即使施加工程荷载后，也难以恢复至原始状态。

图2 基坑开挖状态地下水渗流情况示意

3 工程实例

3.1 风化岩边坡

以某铁路右侧边坡为例，铁路线路走向298°，一级边坡深度范围内为砂土状夹碎块状花岗岩强风化层，高8.0 m，设计边坡坡率为1∶1.25；二级边坡深度范围内为砂土状花岗岩全强风化层，高1.6～4.5 m，设计边坡坡率为1∶1.50。

图3 边坡变形段落

该边坡开挖过程中，由于未按设计进行分层开挖、分级支护，边坡整体开挖暴露22 d后，K11+100～K11+117处边坡发生滑塌(如图3所示)，滑动带从二级边坡全风化层开始，滑坡后缘出现宽约0.5 m的裂缝，坡脚下强风化层局部地面略微隆起，滑坡两翼存在两条产状为330∠53°和95∠50°的风化残余节理，节理裂隙夹厚约2 mm的黏土，黏土已失水皲裂，风化节理处已断裂，呈块状。滑坡后缘揭露出全风化花岗岩残存节理，表面光滑，走向与线路大致平行。滑坡导致整个边坡坡面破坏。处理措施：清除滑动岩体后，采用锚杆进行加固，保证了边坡的稳定性。

3.2 风化岩基坑

(1)砂土状全-强风化带

某铁路涵洞基础，基底为片麻状二长花岗岩，黄褐色，岩石已完全风化成砂状，标贯击数为27击，根据岩芯状态结合标贯击数判定为全风化。基底高程与地下水位持平。基坑开挖后，基底受水浸泡呈松散状态(见图4)。在基底进行标贯试验，基底以下0.8 m实测标贯击数为13，远低于第一次钻孔原位测试标贯值。处理措施：清除基底表层受水浸泡软化的地层，换填渗水土。

图4 砂土状全风化基坑

某铁路桥墩挖井基础，基底为花岗岩，黄褐色，岩芯呈砂土-砂砾状，实测标贯击数大于50击，重型动力触探大于50击，判定为强风化。地下水稳定水位为12.20 m，基底高程为7.01 m，水头差为5.2 m。开挖过程中采取了降水措施，并在基坑四周布设积水沟。基坑开挖后，地下水沿颗粒之间的孔隙渗流，水流携带岩体中的细颗粒，破坏了地基岩体的结构性，基底受水浸泡后呈松散状态。开挖后对基底进行标贯试验，基底以下1 m实测标贯值为14～21击(见图5)，测试数据下降较为明显。处理措施：设计专业对该基坑进行了变更，调整为桩基础。

图5 基底地下水向上渗流引起细颗粒流失

(2)块状强风化带

某铁路桥墩明挖基础基底为片麻状二长花岗岩，灰黄色，岩芯呈块状夹少量砂砾状，实测重型动力触探大于50击，根据岩芯状态判定为强风化。地下水稳定水位为14.0 m，基底高程为12.6 m，水头差为1.4 m。开挖后，基底多呈块状，基底及侧壁节理裂隙发生渗水，基底虽受水浸泡仍保持原岩体结构，重型动力触探试验实测仍大于50击，表明承载力基本未受地下水影响。