澳门地区全风化花岗岩抗剪强度指标的取值

荣艳丽 陶旭光

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

0 引言

全风化花岗岩CDG 的判别一般采用现场标贯击数30～50 作为定量指标，野外特征划分认识较统一，凡保持原岩结构且破碎后呈砂土状的可定义为全风化。澳门地区全风化花岗岩分布广泛、揭示厚度大，由于原岩中的石英、钾长石、钠长石和黑云母等矿物成分在风化过程中存在差异性，总体呈现为褐黄、灰黄和灰白色相混合的花斑色含砾砂土，遇水易软化崩解，土芯风干后用手可掰断，稍用力会撵散，它的黏、粉粒含量较高，使其同时具有黏性土的特点，室内剪切试验结果离散性大，合理确定抗剪强度指标是正确评价利用全风化花岗岩CDG 地基土层的关键。

香港、澳门地区对全风化花岗岩一般要求进行三轴固结不排水剪切试验，香港九龙地区11 个全风化花岗岩原状土样试验表明，有效黏聚力с΄离散性较大，这是由于受母岩留下的原始黏聚力、矿物质风化引起的固化黏聚力等因素影响造成，而与石英、长石等粗颗粒含量相关性较好的有效摩擦角φ΄值均一性较好。另外，受黏粒含量的影响，同一样品的三轴有效抗剪强度值总体大于直剪慢剪试验结果[1-3]。广州、深圳地区工程实例统计的全风化花岗岩抗剪强度指标（采用直剪试验）对确定澳门地区全风化花岗岩抗剪强度指标也具参考价值[4-5]。国家标准和地方标准中的岩石风化程度划分标准、强度指标取得方法、建议值和经验关系式等具有指导作用[6-9]。

澳门地区的全风化花岗岩CDG 抗剪强度指标、剪切参数与黏粒含量的相关性研究较少。以近几年完成的澳门地区31 组全风化花岗岩CDG 的基本物理指标和三轴固结不排水剪试验数据为依据，分析全风化花岗岩的剪切特性，根据黏粒含量对剪切破坏强度进行取值，为全风化花岗岩CDG 选取强度参数提供新的思路，对提高取值的可靠性有一定帮助。

1 试验方法

试验执行《土工试验方法标准》[10]。图1 为澳门地区典型全风化花岗岩试样断面，原岩结构尚可辨认，含石英粗颗粒或碎石，制样时切削困难，结构易碎裂扰动。选取适合切取三轴柱体的土芯，削出略大于所需试样尺寸的土柱，放置到切土盘上进行细加工，制作成直径39.1 mm、高80 mm 的圆柱体试样。对于土柱表面存在的少量孔洞，以相同土质适当修补。

图1 澳门地区典型全风化花岗岩试样断面

试样安装完成后，采用水头饱和法在压力室对试样饱和，过程中应避免细颗粒被水带出，缓慢注水并放置一段时间使其饱和充分。当初始孔隙水压力等于围压时开始固结，孔压消散95%以上开始剪切，剪切速率取0.1%/min，同时测记孔压变化，剪至应变达20%时或孔隙水压力达较大的负值时停止试验。

试样中石英粗颗粒在固结过程中易刺破橡皮膜，建议根据情况增加一层橡皮膜，避免试验失败。

2 基本物理性质指标及颗粒组成

土的物理性质指标和颗粒组成是研究土的工程地质性质的基础数据，测定方便。对拟研究的全风化花岗岩试样的基本物理性质指标和颗粒组成进行统计，统计结果见表1，其中基本物理性质指标包括天然含水率w、天然密度ρ、孔隙比e0，颗粒组成测定方法采用筛分法和比重计法[10]。

表1 澳门全风化花岗岩基本物理性质指标和颗粒组成

从表1 所统计的31 个土样的试验指标可知：

（1）澳门全风化花岗岩的天然含水率w为15.0%～35.0%，平均值为23.6%；天然密度ρ为1.82～2.12 g/cm3，平均值为1.96 g/cm3；孔隙比e0为0.473～0.893，平均值为0.704。

（2）试样中＞2 mm 的砾粒含量为9.6%～27.8%，平均值为17.9%；2.0～0.5 mm 的砂粒含量为9.0%～33.6%，平均值为22.4%；0.5～0.25 mm 的砂粒含量为4.8%～23.8%，平均值为11.0%；0.25～0.075 mm的砂粒含量为5.4%～15.3%，平均值为11.7%；0.075～0.05 mm 的粉粒含量为0.5%～6.0%，平均值为3.0%；0.05～0.005 mm 的粉粒含量为4.6%～24.2%，平均值为16.6%；＜0.005 mm 的黏粒含量为11.0%～26.9%，平均值为17.8%。

（3）澳门全风化花岗岩的颗粒不均匀，粒径分布范围较广，呈“两端多，中间少”的粒度分布特征。

（4）天然含水率、天然密度、孔隙比随着黏粒含量大小均发生不同程度的变化，总体上天然含水率、孔隙比均随黏粒含量增大而增大，天然密度反之。

此外，由于粉粒、黏粒含量较多，充填在粗颗粒之间，孔隙比小，室内测得的渗透系数在6.4×10-7～4.7×10-5cm/s，渗透性较差，试样具有浸水后易软化崩解、强度降低等特征。

3 三轴固结不排水剪试验结果分析

尽管取样、储运过程中严格控制取土质量，土样仍会受到不同程度的扰动。为使试验数据更具代表性，在考虑设备测量稳定性的基础上，筛选近两年内完成的全风化花岗岩的不排水剪数据，主要以全风化花岗岩的野外判别标准（标准贯入击数N值为30～50 击）为依据，仅作一级围压的试验成果和数据离散性大的试样成果不予统计。经筛选，保留22 个子样，不同黏粒含量范围内子样数均大于6 组。

3.1 剪切特性

颗粒分布呈“两端多、中间少”的特点，反映了全风化花岗岩中砂粒含量和黏粒含量均占比较大，而剪切性质呈现的特征也与颗粒占比特征吻合，既具备了较明显的砂土特征，同时又具有黏性土的特征。

选取部分代表性试样的三轴固结不排水剪试验曲线，包括应力与应变曲线、孔压与应变曲线、有效应力路径曲线等（见图2）。进一步分析研究可知：

图2 三轴固结不排水剪关系曲线

（1）从应力与应变曲线看，澳门全风化花岗岩在三轴固结不排水剪切过程中表现出应变软化和应变硬化两种类型，土样出现剪缩为主和剪胀为主两种特性。从土样的破坏形态看，出现剪缩特性的土样圆柱呈鼓肚形；出现剪胀特性的土样圆柱出现斜切面，或为含黏粒少压缩性低的试样。应力与应变曲线出现峰值的应变量ε大部分都＞10%。

（2）从孔压与应变曲线看，澳门全风化花岗岩在剪切过程中孔压峰值均在主应力差峰值前出现，曲线形状显示大部分试样孔压达到峰值后会急剧下降，甚至降为负值。各土样孔压变化差异极大，这与土样的黏粒含量具有一定的内在联系，黏粒含量越少孔压峰值出现所需的应变越小，达到峰值后孔压下降也越剧烈。

（3）从有效应力路径曲线看，澳门全风化花岗岩除黏粒含量＞15%的土样BMH8-U5、ABH14-M6 在进行不排水剪时孔压增大段稍明显（有效应力路径向左上方发展）外，均表现为孔隙水压力随应变增加而降低，有效应力路径向右上方发展，最后沿破坏线爬行一定的距离。

3.2 剪切强度破坏标准的选择

据上述分析，澳门全风化花岗岩的剪切强度破坏标准仅以主应力差峰值（σ1-σ3）max一种取值方式是不妥的，如ABH17-M4、AMH10-U4、ABH7-M4 孔隙水压力出现负值情况下，以此标准绘制的莫尔圆强度包线不足为信[11]。结合全风化花岗岩颗粒组成（见表1），得出土样的黏粒含量在15%、10%两个数值左右，剪切过程中的孔压有明显变化差异，黏粒含量大于15%时孔压不出现负值，黏粒含量小于15%的试样在小围压情况下出现负值，小于10%的试样基本较快出现负值并不得不终止试验。对此建议：

（1）黏粒含量＞15%、＜0.075 mm 颗粒含量大于40%的土样（例如BMH8-U5、ABH14-M6），以主应力差峰值（σ1-σ3）max作为强度破坏点绘制莫尔圆强度包线，求取强度指标。

（2）黏粒含量＜15%、＜0.075 mm 颗粒含量在30%～40%之间的土样（例如ABH17-M4、AMH10-U4），强度破坏点宜选择在孔隙水压力峰值后主应力差峰值（σ1-σ3）max前的某一点，以此点处的主应力差绘制莫尔圆强度包线，求取强度指标。

（3）黏粒含量在10%左右、＜0.075 mm 颗粒含量小于30%的土样（例如ABH7-M4），强度破坏点宜选择在孔隙水压力峰值前不远处的某一点，以此点处的主应力差绘制莫尔圆强度包线，求取强度指标。

3.3 剪切强度指标统计

根据3.2 强度破坏标准的选择建议，绘制各土样三轴试验固结不排水剪强度莫尔圆包线图，见图3。

图3 三轴固结不排水剪应力差强度包线

对求取的总应力下和有效应力下的黏聚力、内摩擦角进行统计（见表2）。可知全风化花岗岩内摩擦角与其细粒含量特别是黏粒含量相关性较强，而黏聚力数值离散性较大，这是黏聚力受原岩的残余结构强度因素影响大，取样和制样过程中结构极易扰动所致。

表2 澳门全风化花岗岩三轴固结不排水剪指标统计

根据表2 中各个参数数值，将三轴试验成果与黏粒含量、＜0.075 mm 颗粒含量的变化规律进一步分析归纳。分析结果如下：

（1）黏粒含量＞15%、＜0.075 mm 的颗粒含量＞40%的土样（例如BMH8-U5、ABH14-M6），呈粉质黏土性质，以主应力差峰值（σ1-σ3）max作为强度破坏点绘制莫尔圆强度包线，求取的总应力下的内摩擦角φ变化范围为19°～25°、黏聚力с变化范围为10～21 kPa，有效应力下的内摩擦角φ΄变化范围为26°～33°、黏聚力с΄变化范围为4～16 kPa。

（2）黏粒含量＜15%、＜0.075 mm 的颗粒含量在30%～40%之间的土样（例如ABH17-M4、AMH10-U4），与粉土性质相近，强度破坏点选择在孔隙水压力峰值后主应力差峰值（σ1-σ3）max前的某一点，以此点处的主应力差绘制莫尔圆强度包线，求取的总应力下的内摩擦角φ变化范围为26°～28°，黏聚力с变化范围为8～21 kPa，有效应力下的内摩擦角φ΄变化范围为33°～37°，黏聚力с΄变化范围为1～15 kPa。

（3）黏粒含量在10%左右、＜0.075 mm 的颗粒含量＜30%的土样（例如ABH7-M4），基本是含无黏性土砂的性质，剪切过程孔隙水压力增长不高之后急剧下降，甚至出现较大的负值，一般出现较大负孔隙水压力时就结束剪切过程，但以最大主应力差绘制莫尔圆强度包线得到强度指标远远大于实际，不足为信，故将强度破坏点选择在孔隙水压力峰值前不远处的某一点，以此点处的主应力差绘制莫尔圆强度包线，求取的总应力下的内摩擦角φ变化范围为30°～32°，黏聚力с变化范围为3～5 kPa，有效应力下的内摩擦角φ΄变化范围为33°～39°，黏聚力с΄为1 kPa。

据以上三种情况，随细粒土含量的减少，尤其黏粒含量的减少，全风化花岗岩内摩擦角逐渐增大，黏聚力逐渐变小；有效应力下的内摩擦角相比总应力下的内摩擦角（19°～32°）变化范围更大，黏粒含量＞15%的土样有效应力下的内摩擦角最小（26°～33°），黏粒含量＜15%的土样居中（33°～37°），黏粒含量10%左右的土样最大（33°～39°）；黏聚力数值总体较小但离散性大，黏粒含量＞15%的土样有效黏聚力值最大为58 kPa，黏粒含量约10%时有效黏聚力值可达28 kPa。

4 结论

（1）澳门地区全风化花岗岩三轴固结不排水剪试验成果说明其抗剪强度指标与颗粒组成尤其黏粒含量存在一定的内在联系，随着全风化花岗岩黏粒含量的减少，内摩擦角逐渐增大，有效应力下的内摩擦角相比总应力下的内摩擦角变化范围更大。

（2）全风化花岗岩的黏聚力影响因素复杂、离散性较大，主要与原岩的残余结构强度、风化裂隙有关，室内三轴试验其结构易扰动造成测试数值较实际偏小，在基坑支护等设计中应结合原位测试成果、现场调查进行合理选用以节省造价。

（3）全风化花岗岩三轴固结不排水剪试验设计围压σ3一般较大，测量到的主应力σ1数值大，黏粒含量少的试样孔隙水压力数值小且达到峰值后很快降为负值，经对比建议采用应变控制式半自动三轴仪，该三轴仪孔压传感器设置合理测量较精确，在固结过程完成后可人工调节试样与仪器的接触，保证试样压缩变形和破坏达到规范要求。

（4）统计的澳门地区全风化花岗岩三轴固结不排水剪试验有效应力下的指标（с΄=1～58 kPa，φ΄=26°～39°）与香港地区岩土指南提供的经验值（с΄=5～15 kPa，φ΄=34°～44°）相接近，但根据此指标计算的地基承载力与原位测试确定的地基承载力结果对比还有待进一步探讨。