临双高速花岗岩残积土物理力学特征探讨

贺建涛，施 涛，樊亚红，冯江林

（中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南 昆明 650051）

1 引言

临双高速公路属于云南省“十三五”规划网第五纵的重要组成部分。项目的建设，对实施“兴边富民工程”、促进区域经济发展、加强民族团结、繁荣边疆经济、保证边疆地区稳定、巩固边防、全面建成小康社会等，都具有十分重要的意义。

项目区位于云贵高原之西南边缘，横断山脉南段，为怒江和澜沧江河间地块。高速公路沿线分布大面积花岗岩地层，花岗岩风化残积土分布广泛，层厚较厚，变化差异大。为了满足高速公路设计、施工要求，科学合理的设计施工，花岗岩残积土的物理力学特征及其指标界定成了勘察阶段的重点工作。

花岗岩残积土在世界范围内普遍存在，其作为《岩土工程勘察规范》里特殊性岩土的一部分，历年来曾有很多业内同行对其进行了深入的研究。但由于其化学组成、颗粒大小、母岩裂隙发育程度以及分布位置的不同而导致各地区的残积土力学性能差异性较大，且多具有地方特性。因此虽为同一类土，但却不能照搬其它地区经验，必须通过本区内实际勘察，研究总结出适合项目区应用的物理力学指标，方能为工程建设提供合理的参数依据。

为此，临双高速公路野外勘察时期，我们采用多种勘探方法、手段，以获得项目区花岗岩残积土准确的指标做了很多努力和工作，最终为设计提供了满意、科学的参数。目前，高速公路正处于施工阶段，所提参数的合理性已经得到了验证。

2 自然地理背景

2.1 地形地貌

临双高速经过的山区山高谷深，层峦迭嶂，气势雄伟，山间盆地繁星般地点缀其中，景观绮丽。地势总体上北高南低，沿线地形高差起伏大。项目区最高海拔1772.0m，最低海拔1444.0m，相对最大高差328.0m。项目区地形横坡较陡、纵坡较陡，多为耕地和乔木林地，植被茂密。项目区地貌类型属构造-侵蚀、剥蚀型低中山地貌。

2.2 构造运动

项目区位于冈底期-念青唐古拉褶皱系—昌宁-勐连褶皱带—临沧-勐海褶皱束、勐省-东回褶皱束、勐统-南腊-西蒙褶皱束。从地质力学的观点分析项目区位于滇西经向构造带（即三江经向构造带），位于澜沧江断裂—南汀河断裂之间区域，地质构造复杂。据调查，公路沿线内及影响范围内未发现活动断层通过，项目区整体稳定。

2.3 气象、水文

项目区属澜沧江水系，气候总体上属南亚热带湿热气候类型，气候垂直变化明显，温差变化大，雨季明显，日照充足，气候炎热，雨季雨水较多。区域内总体具有日照充足、夏无酷暑、冬无严寒、干湿季节分明、四季如春的气候特点，年平均气温为17.2～18.5℃，最热月平均气温21.2～22.9℃，最冷月平均气温10.6～11.7℃；年平均降雨量为970.7～1301.7mm。

项目区地形地貌复杂多变，地质构造复杂，气候湿热多雨，内外动力作用影响下，形成了本区内物理力学性质特殊的、独有的厚层花岗岩残积土，以致勘察阶段查明其物理力学指标显得尤为重要。

3 物理力学性质统计分析

以临双高速公路马鞍山大桥及桥梁引桥段挖方边坡两个工点为例，对花岗岩残积土进行物理力学性质评价。采用野外调查、钻孔取芯、标准贯入试验、取样室内实验、现场原位剪切试验等方法进行，试验数据统计、分析如下所述：

3.1 野外调查

通过初期地质测绘、走访调查，项目区属于湿热地区，降雨量充沛，气候温和，植被茂密，浅表部风化程度深，有少部分物质经过搬移，外加地表植被层的影响，其黏性物含量偏高，自然斜坡原始状态下多处于稳定状态；而在人类活动频繁区域，经过开挖形成的未加固边坡，旱季边坡稳定，锤击较硬，不需加固便可稳定，但到了雨季，经过雨水冲刷、浸泡，其力学性能降低，大多形成坡面泥石流和大规模滑坡，严重制约地方经济发展；地方建筑物多以该层作为浅基础持力层，而荷载较重的则采用桩基础，亦选该层作为摩擦桩侧摩阻力层，由此可以看出花岗岩残积土力学性能好，是良好的基础持力层。

调查中还发现，花岗岩残积土中多有风化差异中风化花岗岩包裹体，其直径多在0.5～5m不等。降雨后大量地表水沿冲沟对残积土进行冲刷，将细小砂粒、黏性土带走，残留的中风化花岗岩包裹体或风化不全的残积土作为骨架支撑，导致下部形成伏流通道，引起地面塌陷，沿冲沟方向形成多个地表陷坑，直径约0.2～3.0米之间，可见深度0.2～6.0米，最大深度可达17.0米，以垂直下陷、下蚀为主，侧向未见明显位移开裂。此类不良地质现象分布广泛，桩基设计时需着重考虑，尤其在残积土层较厚地区，桩基多采用摩擦桩，上部因伏流作用致使其不具备摩擦力效应，设计时不应考虑其摩擦力，甚至应将其作为负摩阻力来考虑，以增加桩基承载的可靠性。

表2 颗粒分析成果统计表

表3 物理力学指标成果统计表

经对钻孔岩芯、野外露头进行观察，花岗岩残积土中云母片含量占比较多，而石英、长石等矿物含量较少，这也是导致风化产物黏粒含量多的主要因素之一，以致其物理力学性质具有其特殊性质。

3.2 标准贯入试验统计

标准贯入试验适用于砂土、粉土和一般黏性土，花岗岩残积土同时具备砂土及黏性土的特性，因此通过标准贯入试验可对其土的强度作出评价。根据现场钻孔试验数据统计如下表1所示。

表1 标准贯入试验成果统计表

根据花岗岩残积土的现场标准贯入原位测试试验数据可以看出，其密实程度随土层埋深逐渐增加，整体密实度属中密，地基承载力好，如照经验可初步提出承载力特征值为fak=350kPa。

3.3 室内实验成果统计分析

通过钻探取样进行室内基本物理力学试验，统计结果见表2、3。

从以上两个表格我们可以看出，花岗岩残积土同时具备砂土、黏性土的特性，土样室内定名为粉砂、中砂、粉土、含黏性土粉砂、含黏性土中砂等等，总体上以粉质黏土为主。造成这些差异主要取决于其母岩成分、颗粒组成、地质构造等，还跟外部环境密切相关。

花岗岩残积土以粉土为密实评价指标来评价，属中密，含水量属湿；塑性指数介于12～16之间，判别为粉质黏土；液性指数平均值0.22，硬塑状态；压缩系数0.43，中压缩性；直接剪切室内c、φ值分别为60.6kPa和12.5°，力学指标黏聚力较大，内摩擦角偏小，与之前的定名为粉质黏土呼应，说明承载力还是以黏聚力为主，但根据地区经验，该片区粉质黏土的内摩擦角φ值多小于10°，说明残积土中的未风化的石英颗粒为φ值的提高起到了决定性作用，但上升值并不是特别明显，又反应出其颗粒粒径普遍偏小、含量少、颗粒间咬合力差等。

3.4 现场原位直剪试验成果统计分析

出于室内试验中土样采样过程、运输途中的扰动，指标值有一定偏差，为了提供可靠的勘察成果参数，勘察阶段我们采取了现场原位直剪试验，以便更准确的提出设计所需参数。直剪试验现场照片见下图1、2。

图1 直剪试验现场

图2 剪断后试块

试验选取两个区进行，每区进行3组，每组4块，每块施加不同的垂向应力σ，并采取剪应力τ剪切直至破坏而得到一组数据，采用最小二乘法回归分析计算c、φ值，如下图所示3所示。

图3 最小二乘法回归分析

根据各试块试验值最终得到如表4的成果统计表。

表4 直剪试验成果统计表

从表中成果分析可知，两个试验区的花岗岩残积土力学指标差异较大，1区黏聚力平均值50.2kPa，内摩擦角18.9kPa，而2区黏聚力平均值27.7kPa，内摩擦角20.9kPa。经过现场对剪断试块的观察得出结论，试验2区风化残积物颗粒物明显比试验1区多、大、硬，而试验1区的干强度和韧性高于试验2区。这两组试验区间距约1.5km，由此可以说明，即使同处于临双高速沿线，由于组成成分的不同，最终其物理力学指标亦有所差别，放眼全国，乃至全球花岗岩残积土，是无法给出一个比较可靠、统一的力学指标，只能通过地区经验、实际勘察成果得到。

4 结论

通过对临沧至双江整条高速公路线路的花岗岩残积土的勘察工作，针对性的对马鞍山大桥及桥梁引桥段挖方边坡的深入研究，我们对该区花岗岩残积土的物理力学特征有了一个初步的认识，主要认识有以下内容：

（1）全国乃至全球花岗岩地层分布广泛，其化学成分、颗粒组成、颗粒大小、颗粒硬度、地质构造以及外界的气候、植被、光照等等条件均有所不同且差异很大，造成其风化残积土的颗粒的组成、大小、硬度、磨圆度及黏性土的矿物组成、颗粒大小、黏粒含量等不同，进而导致花岗岩残积土的物理力学指标差异较大。各地区、各项目应根据实际勘察结论、地区经验综合评价，给定一个合理、经济的力学指标参数，以供设计、施工单位使用，为工程项目的顺利建设、运营提供基础性资料。

（2）临双高速公路位于滇西南横断山脉区，早期构造活动强烈、频繁，花岗岩节理裂隙发育，经多期喷发形成，岩石成分中云母含量偏高，石英、长石含量偏少；临沧地区属湿热、植被茂密区，属南亚热带湿热气候类型。种种内、外因素导致花岗岩风化残积土物理力学性质具备地方特征。

（3）该区花岗岩残积土具有遇水崩解性，开挖裸露坡面旱季稳定性较好，雨季时坡面极易形成坡面泥石流及小型滑塌现象，给道路施工、运营造成较大安全隐患，建议对新开挖坡面进行必要封闭处理，防止雨水对裸露坡面形成直接冲刷；另外，因桥梁桩基多处于山区陡峭斜坡上，残积土埋深较厚，桩基多采用摩擦桩型，因此为避免后期地表有效摩擦土层流失，摩擦力失效，应在合理期间增加桩长，以保证桩基安全。

（4）残积土层地区冲沟地段形成的特殊的地下伏流系统，会影响桩基有效尺寸，设计时应根据勘察资料适当延长桩长，并考虑上部土层可能带来的负摩阻力效应的影响。

（5）临双高速公路线路延伸长、经过花岗岩残积土层面积广，虽为同一套地层，但其残积土性质差异较大。采用室内试验资料，过于保守，无形中增加项目成本，若采用直剪试验1区数值，未免偏大，不具典型代表性。因此，综合野外调查、原位测试、室内试验以及调访地区经验，也为了设计施工经济、合理，更为了高速路的顺利完工及后期安全运营，最终项目组决定花岗岩残积土物理力学指标按γ=20kN/m3、c=27.7kPa、φ=20.9°、[fa0]=260kPa、qik=90kPa取用。

（6）国内对花岗岩残积土的研究主要集中在华南、东南地区，滇西南地区偏少。本文对花岗岩残积土的研究探讨，希望为地区发展提供经验，助力滇西经济发展。