福州鼓樓區(qū)花崗巖風(fēng)化殘積土工程特性研究

胡 斌

(福建省地質(zhì)測(cè)繪院，福州，350011)

花崗巖殘積土是花崗巖原巖經(jīng)過風(fēng)化作用，殘留在原地的松散碎屑物，除石英外絕大部分礦物已風(fēng)化為次生黏土礦物，主要為高嶺土，因此，殘積花崗巖有砂質(zhì)黏性土和礫質(zhì)黏性土之分，其形成條件與地理、氣候及地質(zhì)條件有關(guān)。在氣候溫暖、氣溫高、雨量充足的南方地區(qū)，花崗巖化學(xué)風(fēng)化作用強(qiáng)烈，往往形成厚度較大的殘積層，正是這些環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致不同地區(qū)的花崗巖殘積土風(fēng)化程度不一，土體保留原巖的結(jié)構(gòu)性和風(fēng)化后膠結(jié)程度不同。此外，花崗巖殘積土土性指標(biāo)還受母巖性質(zhì)影響，其工程特性與地區(qū)分布有關(guān)且差異較大?；◢弾r殘積土主要成分是風(fēng)化黏性土，但又因含有未風(fēng)化的石英顆粒而富含砂、礫，其工程特性與一般的黏性土和無黏性土具有明顯的區(qū)別[1-4]。因此，為正確評(píng)價(jià)區(qū)域性花崗巖殘積的工程特性，發(fā)揮巖土工程勘察測(cè)試應(yīng)有的價(jià)值，對(duì)福州市鼓樓區(qū)榕發(fā)—烏山郡筑路機(jī)械廠場區(qū)內(nèi)的花崗巖殘積土的壓縮性質(zhì)和液塑性指標(biāo)展開研究，充分發(fā)揮工程測(cè)試參數(shù)的價(jià)值，得出花崗巖殘積土工程特性的一般規(guī)律。

1 花崗巖殘積土的基本物理性質(zhì)

試驗(yàn)場地位于福州市鼓樓區(qū)榕發(fā)—烏山郡筑路機(jī)械廠地塊，場區(qū)內(nèi)花崗巖為燕山早期侵入巖，為了保留殘積土的殘余結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和原始膠結(jié)強(qiáng)度，采用I級(jí)原狀樣取樣方法進(jìn)行取樣和制備室內(nèi)試驗(yàn)試樣，巖土樣主要呈褐黃、灰黃、灰白色，原巖礦物主要由長石、石英、云母等組成，局部可見鐵錳氧化物，除石英外大部分長石礦物已風(fēng)化成黏土狀，原巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造已破壞，巖芯呈土狀，堅(jiān)硬程度為極軟巖，完整程度為極破碎，基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ類，具有浸水易軟化的特點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)實(shí)測(cè)為30～48擊，平均為37.59擊；修正為16.10～27.40擊，平均值為21.36擊。層頂埋深為20.20～44.30 m，層頂標(biāo)高為-36.79～-12.68 m，厚度為1.50～21.30 m。

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)成果獲得的花崗巖殘積土的基本物理力學(xué)指標(biāo)(表1)，從表中可以看出，在各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)中，花崗巖殘積土的密度和比重變化范圍較小，變異系數(shù)小于0.1，而其余指標(biāo)均大于0.1，表現(xiàn)為液限、塑限和壓縮系數(shù)相差較大，因此，在工程實(shí)際設(shè)計(jì)和分析時(shí)，應(yīng)考慮花崗巖殘積土物理力學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)上的離散型和空間變異性的影響。

表1 場區(qū)內(nèi)花崗巖殘積土的物理力學(xué)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

圖1 場區(qū)內(nèi)花崗巖殘積土顆粒分布曲線圖Fig.1 Distribution curve of granitic residual soil in the field

根據(jù)場區(qū)花崗巖殘積土的室內(nèi)篩分試驗(yàn)所得的顆粒分布曲線圖(圖1)，可以看出殘積土的粗顆粒質(zhì)量占比超過了35%，且平均孔隙比為1.0，因此，表現(xiàn)為大孔隙和強(qiáng)滲透的特點(diǎn)。小于2 mm的粒徑顆粒約占65%，根據(jù)福建省“建筑地基基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范”分類為殘積礫質(zhì)黏性土[5]。

對(duì)場區(qū)內(nèi)花崗巖殘積土原狀樣進(jìn)行場發(fā)射掃描電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備由美國FEI公司生產(chǎn)，得到微觀掃描結(jié)構(gòu)(照片1)可以看出，花崗巖殘積土的次生黏土礦物主要呈薄片狀，在特定的方向上彼此間以面-面層疊的形式聚集，石英顆粒隨機(jī)分布于黏土礦物中，并通過排列與結(jié)構(gòu)分布形成大塊且密集的結(jié)核體，結(jié)核體之間又存在孔隙，結(jié)構(gòu)比較疏松，孔隙的聯(lián)通性一般，表明花崗巖殘積土在風(fēng)化和淋漓過程中保留了原巖的構(gòu)造特征，這部分特征對(duì)于其工程特性來說具有十分重要的影響。

照片1 場區(qū)內(nèi)花崗巖殘積土的SEM照片Photo.1 SEM photos of granite residual soil in the field

2 室內(nèi)三軸壓縮試驗(yàn)分析

場區(qū)內(nèi)花崗巖殘積土室內(nèi)三軸壓縮試壓時(shí)試樣的制備和飽和參考標(biāo)準(zhǔn)國家規(guī)范土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[6]進(jìn)行，制取試樣圓柱體尺寸高80 mm，直徑為39.10 mm，試樣利用三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)前，試樣利用真空法進(jìn)行抽取空氣和飽和，抽氣時(shí)間不少于4 h，飽和時(shí)間為24 h，確定飽和達(dá)到要求后，施加圍壓進(jìn)行試驗(yàn)，通過變換圍壓值0 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa，測(cè)試得到不同殘積土的三軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線(圖2)。

圖2 場區(qū)內(nèi)花崗巖殘積土的三軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.2 Triaxial compressive stress-strain curves of residual granitic soil in the field

從三軸壓縮應(yīng)力曲線可以看出，在同一偏應(yīng)力條件下，花崗巖殘積土原狀樣的應(yīng)變明顯比重塑樣的小，隨著偏應(yīng)力的增加，這種現(xiàn)象越明顯。這表明花崗巖殘積土在風(fēng)化過程中母巖中的長石和云母等礦物盡管已風(fēng)化為次生黏土，但仍保留了母巖的部分結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征，這殘余的結(jié)構(gòu)構(gòu)造增強(qiáng)了花崗巖原狀樣的抵抗變形的能力，而擾動(dòng)樣在制樣過程中其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和構(gòu)造受到破壞。另一方面，長石等礦物風(fēng)化成的次生礦物主要為高嶺土，對(duì)花崗巖的粗顆粒具有一定的膠結(jié)作用，加強(qiáng)了顆粒間的結(jié)合度，使得原狀樣的抗剪強(qiáng)度有所增加；而花崗巖殘積土重塑樣對(duì)顆粒已經(jīng)充分?jǐn)嚿ⅲw粒間的膠結(jié)作用失去效用，因此抵抗變形的能力下降。無論何種試樣，其應(yīng)力應(yīng)變曲線都隨著偏應(yīng)力的增加，曲線斜率趨于減小，表現(xiàn)為應(yīng)變-硬化型曲線。分析表明，固結(jié)作用可以明顯加強(qiáng)場區(qū)內(nèi)花崗巖殘積土的抗剪強(qiáng)度，并且在小圍壓情況下，這種固結(jié)效應(yīng)更明顯。

從上述分析可知，在實(shí)際工程中，對(duì)花崗巖殘積土的地基應(yīng)盡量減少擾動(dòng)，避免因土體的擾動(dòng)使得殘積土保留的原狀結(jié)構(gòu)和構(gòu)造受到擾動(dòng)而強(qiáng)度降低，同時(shí)，花崗巖殘積土內(nèi)部孔隙較大，滲透系數(shù)大，在施工過程可采取必要的降排水措施，讓土體產(chǎn)生一定的固結(jié)，可有效提高土體的強(qiáng)度和抵抗變形能力。

3 原位測(cè)試試驗(yàn)分析

3.1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

圖3 場地內(nèi)花崗巖殘積土標(biāo)貫試驗(yàn)曲線Fig.3 Standard test curve of granite residual soil in site

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)作為一種最為簡單和實(shí)用的原位測(cè)試方法，在評(píng)價(jià)花崗巖殘積土的工程特性方面具有天然的優(yōu)越性。從先期鉆孔揭露可知，場區(qū)內(nèi)0～9 m分布有花崗巖砂質(zhì)殘積土，有利于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的實(shí)施和比較。試驗(yàn)選取場區(qū)內(nèi)具有重要代表性的3個(gè)鉆孔進(jìn)行試驗(yàn)，分別為SPT1、SPT2、SPT3，3個(gè)孔內(nèi)測(cè)試點(diǎn)深度一致，每孔可得7個(gè)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果顯示3個(gè)鉆孔內(nèi)的標(biāo)貫試驗(yàn)擊數(shù)變化曲線趨勢(shì)較為一致(圖3)，表明場地內(nèi)花崗巖殘積土的性質(zhì)較為均勻，同時(shí)隨著深度的增加，標(biāo)貫擊數(shù)也不斷增加，說明巖石的風(fēng)化作用隨著深度的增加而減弱，是一個(gè)由上至下的過程，標(biāo)貫擊數(shù)越大，花崗巖殘積土保留原巖的結(jié)構(gòu)越多。

3.2 平板載荷試驗(yàn)

平板載荷試驗(yàn)是評(píng)價(jià)地基承載力及變形特性最為有效的方法之一。在場地內(nèi)選取2個(gè)相鄰測(cè)試點(diǎn)，分別為1#測(cè)試點(diǎn)、2#測(cè)試點(diǎn)，將測(cè)試點(diǎn)位置土體開挖至0.5 m深度處，承壓板面積為0.5 m2，采用分級(jí)維持荷載沉降相對(duì)穩(wěn)定法，對(duì)1#測(cè)試點(diǎn)承壓板按50 kPa加載增量進(jìn)行加載，對(duì)2#測(cè)試點(diǎn)承壓板按60 kPa加載增量進(jìn)行加載，加載不少于8級(jí)，1#測(cè)試點(diǎn)和2#測(cè)試點(diǎn)的P-S曲線較為一致，表明場區(qū)內(nèi)花崗巖殘積土的力學(xué)性質(zhì)較為均勻，在荷載小于等于400 kPa時(shí)，曲線呈線性關(guān)系，大于400 kPa曲線出現(xiàn)一定斜率的變化。2#測(cè)試點(diǎn)P-S曲線在加載至1 000 kPa時(shí)，沉降比前一級(jí)陡然增加，對(duì)于前一級(jí)荷載沉降量的5倍，表明土體已達(dá)到承載能力極限值，終止加載(圖4)。

圖4 平板載荷試驗(yàn)P-S曲線Fig.4 P-S curve of the loading test

因此，根據(jù)2#測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)分析花崗巖殘積土的強(qiáng)度及變形參數(shù)，當(dāng)荷載在800 kPa時(shí)，曲線沉降值出現(xiàn)突然增大，說明土體已經(jīng)達(dá)到極限承載力，即極限荷載取前一級(jí)荷載740 kPa。根據(jù)地基沉降計(jì)算的新方法及其應(yīng)用[7]計(jì)算公式可知：

(1)

式中：pu為地基極限承載力，kN；Nc、Nq、Nγ為無量綱承載力系數(shù)；c為土的黏聚力(kPa)；q為基礎(chǔ)兩側(cè)土壓力(q=γ0dkPa)，若地基土是均質(zhì)，則基礎(chǔ)兩側(cè)土壓力q=γd，若地基土是非均質(zhì)，則γ0是基底以上土的加權(quán)平均重度，d為基底埋深(m)；b為基礎(chǔ)寬度(m)。

根據(jù)公式(1)及2#測(cè)試點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)，可以由載荷試驗(yàn)反演得出花崗巖殘積土的強(qiáng)度參數(shù)c、φ結(jié)合室內(nèi)直剪試驗(yàn)結(jié)果，場區(qū)內(nèi)花崗巖殘積土的黏聚力(c)為35 kPa、內(nèi)摩擦角(φ)為29°。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]可知平板載荷試驗(yàn)的的土體變形模量，可以由p=Pu/2對(duì)應(yīng)的變形模量E50確定，即：

(2)

式中：E50為土體的變形模量(MPa)；ω為與試驗(yàn)深度和土體有關(guān)的系數(shù)；μ為土的泊松比；s50為與Pu/2對(duì)應(yīng)的沉降(mm)。

根據(jù)公式(2)及2#測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出本場區(qū)花崗巖殘積土的變形模量E50=19.50 MPa。

4 結(jié)論

(1)花崗巖殘積土在風(fēng)化過程中仍保留了母巖的部分結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征，增強(qiáng)了花崗巖殘積土受外荷載時(shí)的抗變形能力。

(2)長石等礦物風(fēng)化成的次生礦物主要為高嶺土，對(duì)花崗巖的粗顆粒具有一定的膠結(jié)作用，加強(qiáng)了顆粒間的結(jié)合度，使其抗剪強(qiáng)度有所增加，固結(jié)效應(yīng)也可以一定程度提高土體的強(qiáng)度。因此，對(duì)花崗巖殘積土的地基應(yīng)盡量減少擾動(dòng)，避免因土體的擾動(dòng)使得殘積土保留的原狀結(jié)構(gòu)和構(gòu)造受到擾動(dòng)而強(qiáng)度降低。

(3)場區(qū)內(nèi)標(biāo)貫試驗(yàn)表明，隨著深度的增加，標(biāo)貫擊數(shù)也不斷增加，花崗巖殘積土的風(fēng)化是由上至下的過程，建筑基礎(chǔ)應(yīng)盡可能利用深部承載力較高的地層。

(4)利用平板載荷試驗(yàn)，取花崗巖殘積土的極限荷載為740 kPa，由此可以反演出土體的強(qiáng)度和變形參數(shù)。