某客運(yùn)專線花崗巖全風(fēng)化層工程特性分析研究

崔竹剛

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

1 概述

花崗巖全風(fēng)化層是經(jīng)物理化學(xué)風(fēng)化作用而殘留在原地的碎屑物，其工程性質(zhì)特殊?；◢弾r全風(fēng)化層與一般的黏性土不同，因其石英砂礫的含量高，孔隙比大，在按照常規(guī)方法采取土樣后，由于土樣在鉆探、取樣及運(yùn)輸過程中很容易受到擾動(dòng)，所得的土樣與實(shí)際情況差別較大，室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)所取得的抗剪強(qiáng)度、壓縮模量等實(shí)驗(yàn)數(shù)值往往低于實(shí)際數(shù)值，因此若簡單的按照一般黏性土的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來處理花崗巖殘積土的工程問題，將會(huì)產(chǎn)生較大的誤差［1］。

某客運(yùn)專線需要穿過近10 km花崗巖地段，以全風(fēng)化花崗巖為主，深度為0～40m。該段客運(yùn)專線采用無砟軌道，對(duì)路基的沉降和邊坡的防護(hù)要求極高。通過分析花崗巖全風(fēng)化層標(biāo)貫數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)比分析室內(nèi)試驗(yàn)成果，發(fā)現(xiàn)在局部段落兩者存在比較大的差異性。為準(zhǔn)確獲得該類地層的設(shè)計(jì)參數(shù)，仔細(xì)分析差異性較大的段落，選取了3個(gè)代表性的點(diǎn)進(jìn)行淺層平板載荷試驗(yàn)，通過對(duì)綜合試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，總結(jié)了該區(qū)域花崗巖全風(fēng)化的工程特性，提供了合理、準(zhǔn)確的地基承載力和變形模量等參數(shù)，滿足了設(shè)計(jì)、施工要求，有效的避免了后期運(yùn)營階段路基工程的潛在變形、下沉風(fēng)險(xiǎn)。

2 花崗巖全風(fēng)化層工程特性分析

2.1 花崗巖物理工程特點(diǎn)分析

花崗巖全風(fēng)化層是經(jīng)物理化學(xué)風(fēng)化作用而殘留在原地的碎屑物，云母含量高，其具有與其他殘積土不同的工程特性，其工程性質(zhì)與原巖也不盡相同，“似土非土，似巖非巖”［2］。而這種差異性是多方面的，例如物理力學(xué)性質(zhì)、不均勻性及各向異性，導(dǎo)致花崗巖全風(fēng)化結(jié)構(gòu)松散，易擾動(dòng)，遇水極易軟化及崩解等(見圖1)。

由于其獨(dú)特的特點(diǎn)，在實(shí)際工程中，它的一些工程特性尚未引起足夠的重視。首先，花崗巖全風(fēng)化層與一般的黏性土不同，因其云母、石英砂礫的含量高，導(dǎo)致其孔隙比大，結(jié)構(gòu)松散，遇水極易軟化崩解;其次，在按照常規(guī)方法采取土樣后，土樣在鉆探、取樣及運(yùn)輸過程中很容易受到擾動(dòng)，所得的土樣與實(shí)際情況差別較大，室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)所取得的抗剪強(qiáng)度、壓縮模量等實(shí)驗(yàn)數(shù)值往往不能反映實(shí)際的物理力學(xué)性質(zhì);第三，花崗巖全風(fēng)化層具有區(qū)域性特點(diǎn)，無法采用通用的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)來對(duì)其研究。

圖1 某客?；◢弾r全風(fēng)化沖蝕邊坡

2.2 花崗巖全風(fēng)化層室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析

花崗巖全風(fēng)化層具有“似土”的性質(zhì)，且在一般土工試驗(yàn)中，也往往按照土樣的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行土工試驗(yàn)。在規(guī)范中，黏性土可以根據(jù)土工試驗(yàn)確定的物理力學(xué)指標(biāo)來得出地基承載力，首先分析室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過分析其室內(nèi)各物理力學(xué)指標(biāo)，來初步判斷該區(qū)域的花崗巖全風(fēng)化的工程特性，從而能初步分析其物理力學(xué)指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 花崗巖全風(fēng)化層的物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值及地基承載力

分析表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，花崗巖全風(fēng)化層各項(xiàng)物理指標(biāo)的變化均多成離散型，如含水量由最大31.6到最小6.2，相差5倍多;孔隙比最大可達(dá)0.965，并多處于飽和狀態(tài);由液性指數(shù)得出的花崗巖全風(fēng)化層的狀態(tài)從堅(jiān)硬狀態(tài)到軟塑狀態(tài)。黏聚力以及內(nèi)摩擦角值相對(duì)較高，然而壓縮模量平均值僅為6.23 MPa，各項(xiàng)指標(biāo)呈現(xiàn)出不匹配的地方，導(dǎo)致在確定其設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)比較困難。

由此可見，由于花崗巖的石英顆粒大小及云母含量等不同，塑性指數(shù)IP值越高，說明高嶺土礦物含量越大，值越低，說明石英礦物含量較多［3］。根據(jù)表1的試驗(yàn)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)其更偏于呈明顯的砂礫質(zhì)土的特征。而如果簡單的依照黏性土的標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)判，得出的結(jié)果與實(shí)際差異性較大。事實(shí)上，許多花崗巖殘積土地區(qū)的工程實(shí)例也表明，地基承載能力或抗剪能力的情況往往并非如室內(nèi)試驗(yàn)所表現(xiàn)出的那么好或那么差。

2.3 花崗巖標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)驗(yàn)(N63.5)分析

在工程實(shí)際中，砂類土中標(biāo)貫試驗(yàn)常常作為一種十分重要的原位測試手段，來確定地基承載力。為了對(duì)該區(qū)段的花崗巖全風(fēng)化帶進(jìn)行定量研究，分析了大量的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以期能更好的查明花崗巖全風(fēng)化的工程特性，并提出合理的地基承載力和壓縮模量等參數(shù)。

統(tǒng)計(jì)了該客運(yùn)專線附近代表性段落的花崗巖全風(fēng)化帶中的標(biāo)貫試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)標(biāo)貫試驗(yàn)得出其承載力值，結(jié)果見表2。

表2 花崗巖全風(fēng)化標(biāo)貫試驗(yàn)N63.5實(shí)測擊數(shù)及基地承載力

根據(jù)表2可以看出，隨著深度的遞增，動(dòng)探擊數(shù)逐漸增加，而當(dāng)達(dá)到一定深度后，尤其在30m以下全風(fēng)化至強(qiáng)風(fēng)化過渡帶，標(biāo)貫技術(shù)擊數(shù)突增，一般多超過60擊。而且通過標(biāo)貫分析可知，在0～10m擊數(shù)偏小，標(biāo)貫數(shù)值變化較大，對(duì)地基承載力的影響比較明顯，而10m以下承載力滿足要求設(shè)計(jì)要求。

2.4 花崗巖室內(nèi)外物理力學(xué)性質(zhì)差異性分析

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，該區(qū)段下伏燕山期粗?；◢弾r，全風(fēng)化層較厚，厚約0～40m，地下水位埋深較淺。鐵路路基位于全風(fēng)化基巖上，設(shè)計(jì)中采用CFG樁基地加固，初擬以全風(fēng)化巖為樁端持力層，花崗巖的工程特性及地基承載力和變形模量等指標(biāo)對(duì)工程的影響性較大。首先分析土工試驗(yàn)和標(biāo)貫統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，根據(jù)相應(yīng)的行業(yè)規(guī)范，判斷該區(qū)段花崗巖全風(fēng)化的承載力為300 kPa。但通過室內(nèi)試驗(yàn)和標(biāo)貫測試數(shù)據(jù)分析可知，兩者對(duì)承載力的確定不匹配，尤其是0～10m深度內(nèi)，數(shù)值差別較大，一旦部分段落給出的承載力和變形模量過于冒進(jìn)，將直接影響到工程安全。

由于花崗巖全風(fēng)化層自身固有的特性，室內(nèi)土工試驗(yàn)的結(jié)果不能精確的反映其工程性質(zhì)，如果對(duì)其認(rèn)識(shí)不全面，簡單的采用土工試驗(yàn)的數(shù)據(jù)來得出花崗巖全風(fēng)化的地基承載力及變形模量，將會(huì)給工程設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營造成較大的安全隱患，極易發(fā)生工程問題，如地基沉降不均、邊坡失穩(wěn)等。因此，必須通過多種手段來查明花崗巖全風(fēng)化的工程特性。

3 平板載荷試驗(yàn)理論及試驗(yàn)研究

載荷試驗(yàn)是測定地基承載能力和變形特性的可靠方法，是一種對(duì)某層土體所做的強(qiáng)度和變形特性的載荷試驗(yàn)。與其他原位測試和土工試驗(yàn)方法相比，載荷試驗(yàn)?zāi)転榛A(chǔ)設(shè)計(jì)提供更加可靠的持力層，以及其下臥層巖土體承載力和變形模量等設(shè)計(jì)計(jì)算的依據(jù)資料［4］。

選取湖南某客運(yùn)專線淺層平板載荷試驗(yàn)，對(duì)原始數(shù)據(jù)、相關(guān)資料及現(xiàn)場實(shí)際情況的分析論證，從而對(duì)全風(fēng)化花崗巖的地基基本承載力進(jìn)行試驗(yàn)和評(píng)價(jià)。確定地基基本承載力是否滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，并綜合室內(nèi)土工試驗(yàn)、標(biāo)貫測試和平板載荷試驗(yàn)，給出符合實(shí)際情況的地承載力和變形模量等指標(biāo)。

3.1 現(xiàn)場試驗(yàn)概述

本次平板載荷試驗(yàn)采用地錨反力裝置(如圖2)，地錨反力總和應(yīng)大于預(yù)計(jì)極限荷載的1.5倍且每個(gè)地錨反力應(yīng)基本相等。試驗(yàn)前應(yīng)保持坑底土層的天然濕度和原狀結(jié)構(gòu)。

圖2 淺層平板載荷試驗(yàn)裝置

依據(jù)設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，最大荷載均加載至兩倍設(shè)計(jì)荷載即600 kPa，試驗(yàn)預(yù)計(jì)加載8級(jí)，分8次加載，分級(jí)荷載為75 kPa。試驗(yàn)過程中，每級(jí)加載后，自加荷開始按 1、2、2、5、5、15、15、15 min 間隔，以后每隔30 min測讀一次沉降量，當(dāng)在連續(xù)2 h內(nèi)，一小時(shí)沉降量小于0.1 mm時(shí)，可施加下一級(jí)荷載。當(dāng)達(dá)到《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》要求的終止加載條件時(shí)終止試驗(yàn)。

3.2 平板載荷試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過分析平板載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)點(diǎn)的P－s曲線關(guān)系如圖3，變形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表3。

圖3 試驗(yàn)點(diǎn)1～3的P－s關(guān)系曲線

表3 平板載荷試驗(yàn)變形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

對(duì)試驗(yàn)點(diǎn)1－3的載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，分別繪制出P－s曲線(圖3)。

(1)試驗(yàn)點(diǎn)1:由試驗(yàn)點(diǎn)1的P－s曲線分析可知，當(dāng)荷載加到525 kPa時(shí)，曲線出現(xiàn)明顯的陡降段，其上一級(jí)荷載值450 kPa為極限荷載，因此該段全風(fēng)化花崗巖的地基土極限承載力為450 kPa，取安全系數(shù)2．0計(jì)算，則試驗(yàn)點(diǎn)的基本承載力為225 kPa，低于原先設(shè)計(jì)的300 kPa，存在工程風(fēng)險(xiǎn)隱患。而且，通過分析其附近的塑性指數(shù)IP，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域IP指數(shù)較高，說明其高嶺土含量偏高，工程力學(xué)性質(zhì)更偏向于黏性土的特性。

(2)試驗(yàn)點(diǎn)2、3:由試驗(yàn)點(diǎn)2、3的 P－s曲線分析，當(dāng)荷載加到600 kPa時(shí)，曲線未發(fā)生明顯的變化，說明未出現(xiàn)破壞荷載，全風(fēng)化花崗巖的地基土極限承載力不少于600 kPa，因此此兩處滿足基本承載力300 kPa的要求。

3.3 花崗巖全風(fēng)化層確定

通過前面分析室內(nèi)試驗(yàn)和標(biāo)貫測試數(shù)據(jù)結(jié)果，并選取3點(diǎn)異常位置進(jìn)行淺層載荷平板試驗(yàn)，研究了全風(fēng)化花崗巖不同荷載應(yīng)力作用下壓縮變形的特性。綜合了標(biāo)貫擊數(shù)、試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)、平板載荷試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及曲線特征，依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，綜合分析其附近段落的地基承載力和變形模量等參數(shù)(見表4)。

表4 花崗巖全風(fēng)化層地基承載力及變形模量推薦值

4 結(jié)束語

在對(duì)某客運(yùn)專線穿越的花崗巖全風(fēng)化層段落進(jìn)行的勘察過程中，采用室內(nèi)土工試驗(yàn)、標(biāo)貫原位測試和平板載荷試驗(yàn)等多種勘探手段，研究了花崗巖全風(fēng)化層的工程特性，得到如下結(jié)論:

(1)由于花崗巖復(fù)雜的工程特性和區(qū)域差別性，在全風(fēng)化層土工試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)指標(biāo)呈現(xiàn)出相互不匹配的地方，如果按照“似土”得出的承載力指標(biāo)與標(biāo)貫原位測試得出的結(jié)果差異性較大，如果簡單按照單一的勘探方法來評(píng)價(jià)其工程特性指標(biāo)，有可能會(huì)帶來重大工程隱患。

(2)土工試驗(yàn)塑性指數(shù)結(jié)果表明，該地區(qū)大部分花崗巖全風(fēng)化呈明顯的砂礫質(zhì)土的特征;平板載荷試驗(yàn)結(jié)果表明，大部分花崗巖全風(fēng)化承載能力較高，具有中—低壓縮性。

(3)通過室內(nèi)試驗(yàn)和原位試驗(yàn)對(duì)花崗巖全風(fēng)化的工程特性進(jìn)行了一定程度的研究，由于其物理力學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜性和多變性，在實(shí)際工作中不能過于依靠一種方法進(jìn)行評(píng)判，需要采用多種勘察方法綜合分析評(píng)價(jià)，才能取得準(zhǔn)確可靠的結(jié)果。

［1］江西撫州地區(qū)花崗巖殘積土的試驗(yàn)及測試研究［J］．山西建筑，2011，37(31)

［2］趙建軍，王思敬，尚彥軍，等．香港全風(fēng)化花崗巖的圃結(jié)特性［J］．河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005，33(1):85-88

［3］劉正香，陳強(qiáng)．廣州地區(qū)花崗巖殘積土的特性研究［J］．中國科技博覽，2009，33

［4］楊國春，等．高層建筑深層平板載荷試驗(yàn)的研究［J］．地質(zhì)與勘探探，2002(4)