赣南花岗岩风化带岩土体强度特征及边坡破坏模式分析

张树坡， 简文星， 蒋天娇， 林雨秋， 姚 远

(中国地质大学(武汉)工程学院，武汉 430074)

花岗岩风化带岩土体在中国大部分地区均有分布。由于花岗岩在风化演化下强度会有较大变化，且不同风化带力学性质差异较大，使得各风化带岩土体的性质对边坡稳定性起着决定性作用[1-2]。中外学者对此进行了一系列研究。Mert[3]利用人工神经网络的方法来评估花岗岩风化性能；Sun等[4]改良标准贯入试验和原位地震试验研究韩国洪城花岗岩的风化程度；王清等[5-6]研究了中国东南部地区花岗岩残积土的物理力学特性，揭示了花岗岩残积土的基本特征；温勇等[7]确定了广州地区花岗岩残积土和全风化带力学参数的合理确定方法。关于花岗岩中风化、弱风化以及新鲜岩块的研究，前人多采用试验的方法，通过循环加卸载，不同应力路径以及化学-渗流耦合对花岗岩岩块进行研究，得到其强度特征及破坏模式[8-12]。目前，前人研究多集中在花岗岩某一风化带的物理力学性质，对花岗岩残积土的研究已有大量报道，但是将花岗岩风化带岩土体作为整体对象进行研究尚鲜有报道。根据赣南地区资料统计和现场工程经验，全风化带和强风化带中较易出现岩土体失稳，且二者较多保留着原岩的结构和强度特征，因此对花岗岩风化带岩、土体强度特征的研究就很有必要。为此，通过对赣南花岗岩全风化层和中风化层物理性质和强度特征的研究，以期对赣南地区风化带岩土体边坡稳定分析、安全防护和相关工程建设提供参考。

1 赣南花岗岩风化分带

赣南安远至定南高速沿线花岗岩边坡风化带主要出露有残积土层、全风化层和强风化层，其中残积土及全风化带大面积出露，中等风化花岗岩在开挖后有部分出露，微风化与未风化带基本不出露，典型剖面如图1、图2所示，各风化带出露特征如下。

(1)花岗岩残积土：红褐色为主，呈现似母岩结构的黏性土性质，无黑云母。

(2)全风化花岗岩：黄褐色为主，母岩结构清晰可辨，呈现不具黏性的砂土性质，可见黑云母残片。据勘察报告，赣南花岗岩全风化层的厚度最大，最厚处可达29.8 m，已开挖边坡都有大量全风化花岗岩覆盖层。

(3)强风化花岗岩：灰黄、褐黄色为主，母岩岩体已经完全遭到破坏，表现出砂状的组合形式，节理裂隙发育明显，矿物颜色变化剧烈但能分辨，剖面上碎片易剥落。

(4)中风化花岗岩：灰黄、褐黄色为主，岩体因风化裂隙分割成岩块，岩块较完整，用手无法折断。

据野外调查，各个风化带间主要是渐变性过渡，中风化和强风化分界相对清晰，其余分界因不好识别，需结合工程地质定性与定量检测(标贯试验、波速比试验、微观化学指标)进行精准风化分带。

图3 K196+380路堑边坡地形图Fig.3 Topographic map of K196+380 cutting slope

2 风化带岩土体物理性质

2.1 花岗岩取样与定名

样品采自赣南安远至定南高速公路A6标段K196+380路堑边坡开挖风化带剖面(图3)，该研究区主要出露加里东期花岗岩与第四系覆盖层。开挖出露花岗岩基岩，浅灰白色，岩块状，置地坚硬，呈现低级区域变质和中风化岩特征，根据野外特征和室内岩矿鉴定定名为中细粒黑云母二长花岗岩，矿物组成如表1所示。

表1 花岗岩样矿物组成Table 1 Mineral composition of granite samples

2.2 全风化花岗岩物理性质

2.2.1 全风化花岗岩基本物理参数

选取典型全风化花岗岩取样，取样深度为 1～2 m。全风化花岗岩呈现黄褐色，基本保留原岩结构，见有石英颗粒和黑云母等矿物残留，用手可轻易揉碎。通过室内基本土工试验得到全风化花岗岩的粒度特征(图4)和基本物理性质指标(表2)。

图4 全风化花岗岩颗粒级配累计曲线Fig.4 Grain-size cumulative curve of completely weathered granite

表2 全风化花岗岩基本物理性质指标统计Table 2 Basic physical property index of completely weathered granite

由表2可知，按照土的颗粒级配和塑性指数分类，赣南全风化花岗岩可定名为粉砂，但细粒物质达到47%，同时还表现出天然密度小、孔隙率大和渗透系数高等特点。

2.2.2 全风化花岗岩微观结构特征

对赣南全风化花岗岩进行X粉晶衍射和电镜扫描试验。X粉晶衍射结果如图5所示，分析得到土样矿物成分(表3)，原状样微观结构如图6所示。

表3 全风化花岗岩矿物成分统计

图5 全风化花岗岩X粉晶衍射分析图Fig.5 The X-ray powder diffraction diagrams of completely weathered granite

图6 全风化花岗岩SEM照片Fig.6 The SEM photograph of completely weathered granite

从表3、图6结果可知：赣南全风化花岗岩的矿物成分为石英、高岭石、伊利石和正长石，黏土矿物占比达70%以上，其中伊利石占比达50%左右。全风化花岗岩原状样土体颗粒主要由碎屑颗粒、微碎屑颗粒和黏粒胶结构成，颗粒互相交接，遇水容易出现崩解性。高岭石矿物颗粒呈书页状、蠕虫状，伊利石呈丝缕状，碎屑颗粒之间为镶嵌结构，微碎屑颗粒呈堆叠状于碎屑颗粒上，方向性明显，结构强度高，表明全风化花岗岩较好地保留了原岩的结构构造特征。

3 风化带岩土体强度特征

3.1 全风化花岗岩三轴剪切试验

3.1.1 试验方案

为研究不同围压下赣南全风化花岗岩的应力-应变特性，获取总应力参数以及有效应力参数，利用TKA三轴剪切渗流仪对全风化花岗岩的原状样进行常规固结不排水三轴试验。对采得的全风化层原状样进行切削制样，直径38.9 mm，高80 mm，每一组试验选取4个标准试样，设定围压σ3为50、100、200、400 kPa，同时设置3组平行试验。试验过程由电脑全部控制，利用电脑的加载系统选择 4.66 mm/s 轴向剪切速率进行试验。

3.1.2 试验结果分析

对三轴试验数据进行分析，得到如下结果。全风化花岗岩应力-应变关系曲线如图7所示，在50 kPa围压下，应力随应变快速增加，到达峰值后基本不再变化，呈现应变硬化特征；在100 kPa围压下，应力随应变先快速增加，后缓慢增加趋于平缓，表现为应变硬化型；在200、400 kPa围压下，应力随应变先急剧增加，达到峰值后逐渐减小，呈现应变软化型；全风化花岗岩随着围压增大由应变硬化型转变为应变软化型，发生了应力-应变转型。土的类型、围压、初始密度或含水率、排水条件及应力路径等都会诱使土体产生应力-应变关系转型，目前土体应力-应变关系转型问题还有待进一步深入研究[13]。

图7 全风化花岗岩应力-应变关系曲线Fig.7 Stress-strain relationship curves of completely weathered granite

全风化花岗岩孔隙水压力u轴向应变关系曲线如图8所示。曲线表现出明显的非线性，在加压的前期，孔隙水压力与应变呈现增函数趋势，随着围压的增加，曲线斜率越来越大，达到峰值后，孔隙水压力基本不再变化。在50 kPa围压下，初期孔隙水压力出现负值，表明全风化花岗岩在这个阶段具有一定的剪胀趋势。

图8 全风化花岗岩孔隙水压力-轴向应变关系曲线Fig.8 Relationship between axial strain and pore water pressure of completely weathered granite

由图8可知，全风化花岗岩在200、400 kPa围压下，应力-应变曲线出现了明显的峰值点，取峰值应力为试样的破坏应力。在50、100 kPa围压下，应力应变曲线没有明显的极限点，破坏应力选择15%应变所对应的应力值，绘制强度包络线(图9)，然后依据摩尔库伦破坏准则，计算得到赣南全风化花岗岩原状样的总应力强度参数及有效应力强度参数(表4)。

图9 全风化花岗岩应力莫尔圆Fig.9 Mohr circle of stress of completely weathered granite

表4 全风化花岗岩抗剪强度参数Table 4 Shear strength index of completely weathered granite

图10为全风化花岗岩的有效应力路径曲线。由图10可以看出，在50、100 kPa围压下q′随p′先增加再减小，在200、400 kPa围压下q′随p′先增加，然后在一个阶段内保持不变后减小，表明赣南全风化花岗岩的破坏模式是在较高围压(200、400 kPa)下以剪切破坏为主，较低围压(50、100 kPa)下以鼓胀破坏为主。

为有效大主应力；为有效小主应力图10 赣南全风化花岗岩有效应力路径曲线Fig.10 Effective stress path curve of completely weathered granite

3.2 中风化花岗岩单轴压缩试验

3.2.1 试验方案

采取的岩样按风化分带标准定为中风化花岗岩。试验采用中科院武汉岩土所RMT-150C岩石力学实验系统。设置花岗岩试样1组5块；试样圆柱形，尺寸为直径50 mm、高100 mm。试验运用位移控制进程，选择速度为0.002 mm/s，位移终点 2 mm，力极限300 kN，位移极限2.1 mm；先进行预加载，预加载完成后正式运行，听到破裂声后即停止加载。

3.2.2 试验成果及计算方法

试验数据按照式(1)～式(3)处理：

(1)

(2)

(3)

式中：E为弹性模量，Pa；P为垂向荷载，N；σ为压应力，Pa；A为试样横断截面面积，m2；σa和σb分别为弹性破裂阶段开始和结束时的应力，Pa；εha和εhb分别为弹性破裂阶段开始和结束时的纵向应变；εda和εdb分别为弹性破裂阶段开始和结束时的横向应变；μ为泊松比。

为了对中风化花岗岩的变化过程进行分析，选取编号为D-1的试样说明。图11为D-1试样单轴压缩试验过程曲线。由图11可以看出，单轴压缩条件下样品经历了不同的破坏阶段，第一阶段(OA段)：岩样内部存在间隙，该阶段为压密形成的初始变形阶段，变化关系为曲线；第二阶段(AB段)：该阶段为弹性变形阶段，垂直位移与垂直力大致为直线关系；第三阶段(BC段)：非稳定破裂发展阶段，很多软弱处已经开始出现了破坏，破坏一直延伸到峰值C处，在达到峰值后的最后阶段花岗岩全部结构基本破坏，为整体破坏阶段(第四阶段)。根据该曲线可以求出中风化花岗岩单轴压缩试验下的各项强度参数。结果如表5所示。

图11 D-1试样单轴压缩试验过程曲线Fig.11 Uniaxial compression test process curve of D-1

3.3 中风化花岗岩三轴压缩试验

3.3.1 试验方案

赣南花岗岩三轴试验仪器、试样规格均与单轴压缩试验一样。围压分别采取2、4、6、8、10 MPa，在确定的荷载下进行试验直到岩样出现破坏。与单

表5 中风化花岗岩单轴试验数据统计Table 5 Statistics of uniaxial compression test data for moderately weathered granite

轴试验不同的是加载方式，首先需采用力(围压)控制方式进行加载，力极限500 kN，力速率 0.2 kN/s，位移极限3 mm，围压速率0.1 MPa/s，在围压达到预计值时，将力控制模式改为位移控制模式，采取速率与单轴压缩试验一致，待试样达到残余强度一段时间后停止。

3.3.2 试验结果

赣南中风化花岗岩三轴试验结果如表6所示。试验数据分析采用RocData软件，绘制莫尔应力圆(图12)，根据摩尔库伦强度准则得到赣南中风化花岗岩块抗剪强度参数，黏聚力c=14.64 MPa，内摩擦角φ=56.04°。

表6 中风化花岗岩块三轴试验成果

图12 花岗岩岩块的摩尔应力包络线Fig.12 Mohr circle of stress of granite block

3.3.3 中风化花岗岩岩体力学参数综合确定

由于花岗岩岩块参数并不能完整反映风化带岩土体边坡的强度特征，在实际工程中应结合现场具体工程地质情况进行分析。鉴于赣南地区边坡大量花岗岩残积土和全、强风化带覆盖，结合安远至定南高速公路沿线A6标段的工程地质情况进行类比分析。采用虎克布朗准则与摩尔库伦准则相结合的方法对赣南花岗岩体进行参数反演。利用Roclab计算程序经过对虎克布朗准则进行线性拟合，获得了与岩体黏聚力和内摩擦角等效的参数，其表现形式为

(4)

(5)

(6)

式中：mb为破裂岩体的岩性参数；a、s为与岩体特征有关的参数σ3max为侧限应力上限值；σc为完整岩块的单轴抗压强度；σ3n为侧限应力。

侧线应力上限值σ3max与岩体整体强度σcm的关系由式(7)确定：

(7)

式(7)中：γ为岩石的重度；H为埋深。

根据广义虎克布朗准则，令σ1=σ3=σt，花岗岩岩体的单轴抗压强度可表示为

σc=σcisa

(8)

再令σ3=0、σ1=σc，可得花岗岩岩体的单轴抗拉强度σt，表示岩体的双轴抗压强度。

(9)

岩体弹性模量Em的选取如式(10)所示:

(10)

式(10)中：D为岩体扰动系数；σci为岩石起裂强度；GGSI为岩体强度指数。

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

(11)

式中：Ei为花岗岩岩石的弹性模量。

在对花岗岩岩体进行参数反演时，首先要确定虎克布朗准则的4个基本参数，分别是赣南花岗岩的岩体整体强度σcm、虎克布朗常数mi、岩体强度指标GGSI和岩体扰动系数D。Roclab软件系统提供了4个基本常数的录入界面，在选择界面选择所需要的参数与模型即可。最后得到赣南中风化花岗岩岩体的物理力学参数(表7)。

表7 利用虎克布朗准则反演得到的花岗岩体强度参数

4 赣南花岗岩风化带边坡破坏模式

赣南花岗岩风化岩土体边坡失稳破坏方式可概括为以下5类。

4.1 沿结构面滑动

此类变形破坏通常发生于顺层或结构面的岩土质边坡(图13)。产生的机理是部分风化带岩土体边坡坡向与风化层倾向一致，并且原有结构面(片麻理、节理、软弱结构面等)倾角小于边坡的设计坡脚，在开挖和降雨等因素诱发下，结构面临空，边坡很容易沿结构面出现失稳破坏。

4.2 沿顶部拉裂滑动

类土质边坡的破坏通常是沿顶部拉裂滑动破坏(图14)。产生的机理是在持续降雨过程中，雨水沿着坡体后缘裂隙等优势入渗路径进入坡体内部，产生静水压力，边坡岩土体发生软化，抗剪强度降低，加速了边坡后缘裂隙的发育，最终发生失稳破坏。

图13 沿片麻理滑动边坡现场图和剖面图Fig.13 Photos and geological sections of slope sliding along the gneissosity

图14 沿顶部拉裂滑动滑坡现场图和剖面图Fig.14 Photos and geological sections of slope sliding along top tension fracture

4.3 土体拉裂-崩塌

全风化花岗岩类土质边坡中容易出现土体拉裂-崩塌变形破坏 (图15)。产生的机理是边坡内部的原生与次生结构面切割坡体内部，坡体内部变形破坏形成楔形体，在强降雨等因素的诱发下，切割后的楔形体沿结构面发生变形并破坏，最终导致坡体局部失稳滑移。

4.4 圆弧形滑动

圆弧形滑动主要发生在土质边坡和较为均匀的全风化花岗岩类土质边坡中(图16)，产生的机理是坡体开挖后坡面整体变陡，坡脚卸荷且容易积水，积水导致坡脚岩土体的抗剪强度急剧下降，同时坡脚处是边坡应力集中最大区域，最终致使边坡失稳破坏。

图15 土体拉裂-崩塌边坡失稳现场图和剖面图Fig.15 Photos and geological sections of tension fracture-collapse slope

图16 圆弧形滑动边坡现场图和剖面图Fig.16 Photos and geological sections of circle failure slope

4.5 坡面冲刷破坏

坡面冲刷破坏普遍存在于赣南地区各类型边坡中。赣南地区花岗岩残积土与全风化覆盖层厚度相对较大，特别是已开挖边坡均有大量全风化层覆盖。区域地处亚热带季风气候，夏季高温多雨，波及面广，非常容易形成坡表冲刷(图17)，其也为赣南地区最为常见的边坡失稳形式。

图17 某处花岗岩风化带高边坡坡面冲刷破坏Fig.17 Scour failure of high slope in weathered granite zone

5 结论

通过对赣南花岗岩风化带岩土体全风化层和中风化层强度特性的研究，并结合野外特征、X射线粉晶衍射和电镜扫描结果分析，得到了以下结论。

(1)赣南花岗岩风化带主要出露有残积土、全风化、强风化和中风化带。花岗岩原岩定名为中细粒黑云母二长花岗岩。

(2)赣南全风化花岗岩定名为粉砂，主要矿物成分为石英、高岭石、伊利石和正长石，黏土矿物占比高，孔隙率大，保留了较多的原生结构。随着围压增大，应力-应变关系由应变硬化转变为应变软化，破坏方式表现为先鼓胀再剪切破坏。最后得到抗剪强度参数c=8.1 kPa，φ=14.91°，c′=6.5 kPa，φ′=29.70°。

(3)赣南花岗岩块破坏经历了非线性阶段的压缩，弹性阶段的线性压缩，小破裂阶段以及达到峰值后的整体破坏4个阶段。单轴抗压强度 120.18 MPa，弹性模量30.46 GPa，泊松比0.28、抗剪强度c=14.64 MPa，φ=56°。通过虎克布朗准则反演，结合现场工程地质报告资料，得到了中风化带花岗岩岩体物理特性与强度参数。

(4)赣南花岗岩风化带岩土体边坡破坏模式分为五类，主要破坏形式是强降雨作用下的坡面冲刷破坏。