福建花岗岩残积土工程特性的研究

黄传宝

（福建省龙岩市建设工程质量监督站，福建 龙岩 364031)

0 引言

残积土是由母岩表层经物理、化学风化破碎后残留原地的产物。岩石风化的初期，其中易风化的矿物形成较细的颗粒，这些细颗粒被雨水淋往远处移位，余下的风化物则留在原地。花岗岩残积土广泛分布于福建地区，具有孔隙比较大、承载力较高等特性。由于较强的结构性，受到扰动后强度下降幅度大，遇水后软化速度快[1]。

残积土的力学性能良好，在岩土工程勘察过程中，通常根据钻孔标准贯入锤击数的数值，对残积土进行力学分层。在现场取样后，利用室内土工试验来获取土的抗剪强度和相关的变形参数。室内试验试样制备的过程中，需要对原状土进行切削，会对土样造成一定的扰动。因花岗岩残积土具有较强的结构性，受到扰动后结构易破坏使强度下降，所以试样的强度和变形参数远低于原状土。有数据表明花岗岩残积土室内试验获得的压缩模量仅为原位试验结果的20%。现有的勘察及室内试验结果往往低估残积土的强度与变形参数，而随着现在桩基础的广泛应用[2-3]，使得设计人员往往直接放弃天然地基而采用桩基础，花岗岩残积土优良的工程性能没有得到合理应用，这一现状既浪费了建设资金也浪费了资源。

鉴于此，本文从埋置深度、均匀性、扰动影响、浸水影响等方面分析了花岗岩残积土的基本特性，在此基础上，通过现场原位试验探究了花岗岩残积土的强度特性，建立标贯次数与强度参数之间的联系，为福建地区花岗岩残积土相关工程提供参考。

1 花岗岩残积土的基本特性

花岗岩风化形成残积土的过程中，没有经过其他介质的搬运和分选。土体的力学强度较高，压缩性不强，土颗粒具有较好的亲水性，整个土层呈弱透水性或微透水性，不易发生渗流，具有如下的工程特性：

1.1 土体埋深对强度的影响

在垂直方向上呈现出渐变过渡的趋势，力学指标因其粒度组成不同和状态变化差异，随土层深度而变化。通过对厦门地区多个场地的花岗岩残积土的标准贯入试验的结果进行深度关系的分析，得出标准贯入的锤击数随深度的增加而逐渐增大的规律，如图1 所示。

图1 标准贯入锤击数与深度关系散点图

1.2 浸水对强度的影响

花岗岩残积土含有大量的游离氧化物，游离氧化物可以在土体中起到胶结作用，支撑土颗粒形成稳定结构。但游离氧化物溶于水，土体中的水分子与游离氧化物接触发生溶解，含水量升高，溶解度增大。土体结构破坏，可压缩性变大、整体强度降低，花岗岩残积土呈现出应变软化的特性。文献[4]中，选取两组厦门地区的花岗岩残积土做平板静载荷试验进行对照，第一组选取天然含水量为8%的土层，试验得出的地基承载力为660kPa，同一土层加水饱和后测得地基承载力为570kPa。第二组选取天然含水量为21%的土层，地基承载力约为370kPa，加水饱和后地基承载力下降了170 个，约为200kPa。取不同标贯击数和含水量的33 组数据进行回归分析，后得出方程（1）如下：

式中：N——标贯击数，次；

ω——残积土的含水量，%；

γ——相关性系数。

除此以外，花岗岩残积土在水中浸泡后，出现明显的颗粒状、片状及块体状剥离掉落的崩解现象。文献[5]选取福州砂质残积土进行了崩解试验，根据等时间间隔的试样崩解量试验结果，残积土崩解全部过程可分为三个阶段：发展阶段（试样浸水5～10min）土体开始出现缓慢崩解，崩解速率约1.25～2.22，崩解量约占总体积的25%；加速阶段（试样浸水15～23min）出现快速崩解现象，崩解速率5.36～14.43，崩解量达到总体积的60%；第三阶段（试样浸水30min 后）崩解速度逐渐放缓，持续，求出崩解速率大概30～40min，随后土体完全崩解。

由此可知，花岗岩残积土在受水浸湿后十分钟左右，土体就会加速崩解。在花岗岩残积土地区的某人工挖孔桩基础工程项目中，因基础下分布的地下水水位较浅且补给充足，开挖过程中孔壁一直处于浸水状态，即使采用水泵降水，桩基孔壁仍然出现崩解，桩基失效造成了工程损失。

2 现场原位试验研究

土体强度与变形特征历来被作为土力学的研究重点，一方面说明它的复杂性和艰巨性，另一方面说明它在岩土工程中的重要地位。鉴于残积土具有结构、粒度成分、力学性状的不均匀行，以及浸水软化和崩解的特性，原状土体的结构性强度等，很难采用室内试验方法，来建立适用于工程实践的本构模型。为此需要在现场开展原位测试，获得原状花岗岩残积土的强度和变形参数，建立花岗岩残积土在原状结构下的强度和变形参数与标准贯入击数之间的联系。准确给出福建地区花岗岩残积土的原状强度和变形参数，为设计人员提供可靠的地基设计计算依据。

2.1 试验方法与试验方案

旁压试验是在一种在钻孔中进行的水平向载荷试验。其试验原理是：将旁压器置入预先钻好的钻孔中，再通入高压氮气使其横向膨胀，对周围土层或岩石产生横向压力，使土层或岩石发生形变，从而得到体积-压力曲线。试验前，先用大于或等于75mm口径的钻具钻至所需试验位置以上1m 左右，再用75mm的专用钻具钻至试验地层，将旁压器置入后进行试验。

根据不同试验情况及考虑土层或岩石极限压力，设置压力增量。一般为25～500kPa 左右，每级压力下观测1 分钟。取时间间隔15s，在15s、30s和60s 分别读数并记录。当试验满足曲线出现明显的塑性区域和测管水位下值到550～600cm3左右，达到仪器的额定压力的两个条件之一,即可终止试验。

对旁压试验测得的原始数据（压力值与体积值）进行修正，并绘制曲线图。根据曲线变化形态确定等参数，采用方法求PL 值，计算公式如下：

2.2 试验结果

图2 为旁压模量、净比例界限压力、净极限压力与标准贯入试验击数之间的关系图。旁压模量基本位于0.5～1.4N 之间，平均值为0.8N；净比例界限压力基本位于120+（20～42）N 之间，平均值为120+27N；似弹性模量、旁压模量、净比例界限与净极限压力均随标准贯入试验击数的增大而增长，大体上呈线性分布。

图2 强度参数与标准贯入锤击数之间的关系

3 结束语

（1）花岗岩残积土的强度随着埋深的增长而逐渐增大，而扰动、浸水等因素会导致花岗岩残积土的强度显著衰减。

（2）根据旁压试验结果，花岗岩残积砂质粘性土的承载力和变形模量数值有一定的离散性，但与标贯击数存在线性关系；同时，规范取值较为保守，实际工程应结合花岗岩残积土的具体情况进行取值。