澳門地區(qū)全風(fēng)化花崗巖抗剪強度指標(biāo)的取值

榮艷麗 陶旭光

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032）

0 引言

全風(fēng)化花崗巖CDG 的判別一般采用現(xiàn)場標(biāo)貫擊數(shù)30～50 作為定量指標(biāo)，野外特征劃分認(rèn)識較統(tǒng)一，凡保持原巖結(jié)構(gòu)且破碎后呈砂土狀的可定義為全風(fēng)化。澳門地區(qū)全風(fēng)化花崗巖分布廣泛、揭示厚度大，由于原巖中的石英、鉀長石、鈉長石和黑云母等礦物成分在風(fēng)化過程中存在差異性，總體呈現(xiàn)為褐黃、灰黃和灰白色相混合的花斑色含礫砂土，遇水易軟化崩解，土芯風(fēng)干后用手可掰斷，稍用力會攆散，它的黏、粉粒含量較高，使其同時具有黏性土的特點，室內(nèi)剪切試驗結(jié)果離散性大，合理確定抗剪強度指標(biāo)是正確評價利用全風(fēng)化花崗巖CDG 地基土層的關(guān)鍵。

香港、澳門地區(qū)對全風(fēng)化花崗巖一般要求進(jìn)行三軸固結(jié)不排水剪切試驗，香港九龍地區(qū)11 個全風(fēng)化花崗巖原狀土樣試驗表明，有效黏聚力с?離散性較大，這是由于受母巖留下的原始黏聚力、礦物質(zhì)風(fēng)化引起的固化黏聚力等因素影響造成，而與石英、長石等粗顆粒含量相關(guān)性較好的有效摩擦角φ?值均一性較好。另外，受黏粒含量的影響，同一樣品的三軸有效抗剪強度值總體大于直剪慢剪試驗結(jié)果[1-3]。廣州、深圳地區(qū)工程實例統(tǒng)計的全風(fēng)化花崗巖抗剪強度指標(biāo)（采用直剪試驗）對確定澳門地區(qū)全風(fēng)化花崗巖抗剪強度指標(biāo)也具參考價值[4-5]。國家標(biāo)準(zhǔn)和地方標(biāo)準(zhǔn)中的巖石風(fēng)化程度劃分標(biāo)準(zhǔn)、強度指標(biāo)取得方法、建議值和經(jīng)驗關(guān)系式等具有指導(dǎo)作用[6-9]。

澳門地區(qū)的全風(fēng)化花崗巖CDG 抗剪強度指標(biāo)、剪切參數(shù)與黏粒含量的相關(guān)性研究較少。以近幾年完成的澳門地區(qū)31 組全風(fēng)化花崗巖CDG 的基本物理指標(biāo)和三軸固結(jié)不排水剪試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析全風(fēng)化花崗巖的剪切特性，根據(jù)黏粒含量對剪切破壞強度進(jìn)行取值，為全風(fēng)化花崗巖CDG 選取強度參數(shù)提供新的思路，對提高取值的可靠性有一定幫助。

1 試驗方法

試驗執(zhí)行《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[10]。圖1 為澳門地區(qū)典型全風(fēng)化花崗巖試樣斷面，原巖結(jié)構(gòu)尚可辨認(rèn)，含石英粗顆?；蛩槭茦訒r切削困難，結(jié)構(gòu)易碎裂擾動。選取適合切取三軸柱體的土芯，削出略大于所需試樣尺寸的土柱，放置到切土盤上進(jìn)行細(xì)加工，制作成直徑39.1 mm、高80 mm 的圓柱體試樣。對于土柱表面存在的少量孔洞，以相同土質(zhì)適當(dāng)修補。

圖1 澳門地區(qū)典型全風(fēng)化花崗巖試樣斷面

試樣安裝完成后，采用水頭飽和法在壓力室對試樣飽和，過程中應(yīng)避免細(xì)顆粒被水帶出，緩慢注水并放置一段時間使其飽和充分。當(dāng)初始孔隙水壓力等于圍壓時開始固結(jié)，孔壓消散95%以上開始剪切，剪切速率取0.1%/min，同時測記孔壓變化，剪至應(yīng)變達(dá)20%時或孔隙水壓力達(dá)較大的負(fù)值時停止試驗。

試樣中石英粗顆粒在固結(jié)過程中易刺破橡皮膜，建議根據(jù)情況增加一層橡皮膜，避免試驗失敗。

2 基本物理性質(zhì)指標(biāo)及顆粒組成

土的物理性質(zhì)指標(biāo)和顆粒組成是研究土的工程地質(zhì)性質(zhì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，測定方便。對擬研究的全風(fēng)化花崗巖試樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)和顆粒組成進(jìn)行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見表1，其中基本物理性質(zhì)指標(biāo)包括天然含水率w、天然密度ρ、孔隙比e0，顆粒組成測定方法采用篩分法和比重計法[10]。

表1 澳門全風(fēng)化花崗巖基本物理性質(zhì)指標(biāo)和顆粒組成

從表1 所統(tǒng)計的31 個土樣的試驗指標(biāo)可知：

（1）澳門全風(fēng)化花崗巖的天然含水率w為15.0%～35.0%，平均值為23.6%；天然密度ρ為1.82～2.12 g/cm3，平均值為1.96 g/cm3；孔隙比e0為0.473～0.893，平均值為0.704。

（2）試樣中＞2 mm 的礫粒含量為9.6%～27.8%，平均值為17.9%；2.0～0.5 mm 的砂粒含量為9.0%～33.6%，平均值為22.4%；0.5～0.25 mm 的砂粒含量為4.8%～23.8%，平均值為11.0%；0.25～0.075 mm的砂粒含量為5.4%～15.3%，平均值為11.7%；0.075～0.05 mm 的粉粒含量為0.5%～6.0%，平均值為3.0%；0.05～0.005 mm 的粉粒含量為4.6%～24.2%，平均值為16.6%；＜0.005 mm 的黏粒含量為11.0%～26.9%，平均值為17.8%。

（3）澳門全風(fēng)化花崗巖的顆粒不均勻，粒徑分布范圍較廣，呈“兩端多，中間少”的粒度分布特征。

（4）天然含水率、天然密度、孔隙比隨著黏粒含量大小均發(fā)生不同程度的變化，總體上天然含水率、孔隙比均隨黏粒含量增大而增大，天然密度反之。

此外，由于粉粒、黏粒含量較多，充填在粗顆粒之間，孔隙比小，室內(nèi)測得的滲透系數(shù)在6.4×10-7～4.7×10-5cm/s，滲透性較差，試樣具有浸水后易軟化崩解、強度降低等特征。

3 三軸固結(jié)不排水剪試驗結(jié)果分析

盡管取樣、儲運過程中嚴(yán)格控制取土質(zhì)量，土樣仍會受到不同程度的擾動。為使試驗數(shù)據(jù)更具代表性，在考慮設(shè)備測量穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，篩選近兩年內(nèi)完成的全風(fēng)化花崗巖的不排水剪數(shù)據(jù)，主要以全風(fēng)化花崗巖的野外判別標(biāo)準(zhǔn)（標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N值為30～50 擊）為依據(jù)，僅作一級圍壓的試驗成果和數(shù)據(jù)離散性大的試樣成果不予統(tǒng)計。經(jīng)篩選，保留22 個子樣，不同黏粒含量范圍內(nèi)子樣數(shù)均大于6 組。

3.1 剪切特性

顆粒分布呈“兩端多、中間少”的特點，反映了全風(fēng)化花崗巖中砂粒含量和黏粒含量均占比較大，而剪切性質(zhì)呈現(xiàn)的特征也與顆粒占比特征吻合，既具備了較明顯的砂土特征，同時又具有黏性土的特征。

選取部分代表性試樣的三軸固結(jié)不排水剪試驗曲線，包括應(yīng)力與應(yīng)變曲線、孔壓與應(yīng)變曲線、有效應(yīng)力路徑曲線等（見圖2）。進(jìn)一步分析研究可知：

圖2 三軸固結(jié)不排水剪關(guān)系曲線

（1）從應(yīng)力與應(yīng)變曲線看，澳門全風(fēng)化花崗巖在三軸固結(jié)不排水剪切過程中表現(xiàn)出應(yīng)變軟化和應(yīng)變硬化兩種類型，土樣出現(xiàn)剪縮為主和剪脹為主兩種特性。從土樣的破壞形態(tài)看，出現(xiàn)剪縮特性的土樣圓柱呈鼓肚形；出現(xiàn)剪脹特性的土樣圓柱出現(xiàn)斜切面，或為含黏粒少壓縮性低的試樣。應(yīng)力與應(yīng)變曲線出現(xiàn)峰值的應(yīng)變量ε大部分都＞10%。

（2）從孔壓與應(yīng)變曲線看，澳門全風(fēng)化花崗巖在剪切過程中孔壓峰值均在主應(yīng)力差峰值前出現(xiàn)，曲線形狀顯示大部分試樣孔壓達(dá)到峰值后會急劇下降，甚至降為負(fù)值。各土樣孔壓變化差異極大，這與土樣的黏粒含量具有一定的內(nèi)在聯(lián)系，黏粒含量越少孔壓峰值出現(xiàn)所需的應(yīng)變越小，達(dá)到峰值后孔壓下降也越劇烈。

（3）從有效應(yīng)力路徑曲線看，澳門全風(fēng)化花崗巖除黏粒含量＞15%的土樣BMH8-U5、ABH14-M6 在進(jìn)行不排水剪時孔壓增大段稍明顯（有效應(yīng)力路徑向左上方發(fā)展）外，均表現(xiàn)為孔隙水壓力隨應(yīng)變增加而降低，有效應(yīng)力路徑向右上方發(fā)展，最后沿破壞線爬行一定的距離。

3.2 剪切強度破壞標(biāo)準(zhǔn)的選擇

據(jù)上述分析，澳門全風(fēng)化花崗巖的剪切強度破壞標(biāo)準(zhǔn)僅以主應(yīng)力差峰值（σ1-σ3）max一種取值方式是不妥的，如ABH17-M4、AMH10-U4、ABH7-M4 孔隙水壓力出現(xiàn)負(fù)值情況下，以此標(biāo)準(zhǔn)繪制的莫爾圓強度包線不足為信[11]。結(jié)合全風(fēng)化花崗巖顆粒組成（見表1），得出土樣的黏粒含量在15%、10%兩個數(shù)值左右，剪切過程中的孔壓有明顯變化差異，黏粒含量大于15%時孔壓不出現(xiàn)負(fù)值，黏粒含量小于15%的試樣在小圍壓情況下出現(xiàn)負(fù)值，小于10%的試樣基本較快出現(xiàn)負(fù)值并不得不終止試驗。對此建議：

（1）黏粒含量＞15%、＜0.075 mm 顆粒含量大于40%的土樣（例如BMH8-U5、ABH14-M6），以主應(yīng)力差峰值（σ1-σ3）max作為強度破壞點繪制莫爾圓強度包線，求取強度指標(biāo)。

（2）黏粒含量＜15%、＜0.075 mm 顆粒含量在30%～40%之間的土樣（例如ABH17-M4、AMH10-U4），強度破壞點宜選擇在孔隙水壓力峰值后主應(yīng)力差峰值（σ1-σ3）max前的某一點，以此點處的主應(yīng)力差繪制莫爾圓強度包線，求取強度指標(biāo)。

（3）黏粒含量在10%左右、＜0.075 mm 顆粒含量小于30%的土樣（例如ABH7-M4），強度破壞點宜選擇在孔隙水壓力峰值前不遠(yuǎn)處的某一點，以此點處的主應(yīng)力差繪制莫爾圓強度包線，求取強度指標(biāo)。

3.3 剪切強度指標(biāo)統(tǒng)計

根據(jù)3.2 強度破壞標(biāo)準(zhǔn)的選擇建議，繪制各土樣三軸試驗固結(jié)不排水剪強度莫爾圓包線圖，見圖3。

圖3 三軸固結(jié)不排水剪應(yīng)力差強度包線

對求取的總應(yīng)力下和有效應(yīng)力下的黏聚力、內(nèi)摩擦角進(jìn)行統(tǒng)計（見表2）?？芍L(fēng)化花崗巖內(nèi)摩擦角與其細(xì)粒含量特別是黏粒含量相關(guān)性較強，而黏聚力數(shù)值離散性較大，這是黏聚力受原巖的殘余結(jié)構(gòu)強度因素影響大，取樣和制樣過程中結(jié)構(gòu)極易擾動所致。

表2 澳門全風(fēng)化花崗巖三軸固結(jié)不排水剪指標(biāo)統(tǒng)計

根據(jù)表2 中各個參數(shù)數(shù)值，將三軸試驗成果與黏粒含量、＜0.075 mm 顆粒含量的變化規(guī)律進(jìn)一步分析歸納。分析結(jié)果如下：

（1）黏粒含量＞15%、＜0.075 mm 的顆粒含量＞40%的土樣（例如BMH8-U5、ABH14-M6），呈粉質(zhì)黏土性質(zhì)，以主應(yīng)力差峰值（σ1-σ3）max作為強度破壞點繪制莫爾圓強度包線，求取的總應(yīng)力下的內(nèi)摩擦角φ變化范圍為19°～25°、黏聚力с變化范圍為10～21 kPa，有效應(yīng)力下的內(nèi)摩擦角φ?變化范圍為26°～33°、黏聚力с?變化范圍為4～16 kPa。

（2）黏粒含量＜15%、＜0.075 mm 的顆粒含量在30%～40%之間的土樣（例如ABH17-M4、AMH10-U4），與粉土性質(zhì)相近，強度破壞點選擇在孔隙水壓力峰值后主應(yīng)力差峰值（σ1-σ3）max前的某一點，以此點處的主應(yīng)力差繪制莫爾圓強度包線，求取的總應(yīng)力下的內(nèi)摩擦角φ變化范圍為26°～28°，黏聚力с變化范圍為8～21 kPa，有效應(yīng)力下的內(nèi)摩擦角φ?變化范圍為33°～37°，黏聚力с?變化范圍為1～15 kPa。

（3）黏粒含量在10%左右、＜0.075 mm 的顆粒含量＜30%的土樣（例如ABH7-M4），基本是含無黏性土砂的性質(zhì)，剪切過程孔隙水壓力增長不高之后急劇下降，甚至出現(xiàn)較大的負(fù)值，一般出現(xiàn)較大負(fù)孔隙水壓力時就結(jié)束剪切過程，但以最大主應(yīng)力差繪制莫爾圓強度包線得到強度指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實際，不足為信，故將強度破壞點選擇在孔隙水壓力峰值前不遠(yuǎn)處的某一點，以此點處的主應(yīng)力差繪制莫爾圓強度包線，求取的總應(yīng)力下的內(nèi)摩擦角φ變化范圍為30°～32°，黏聚力с變化范圍為3～5 kPa，有效應(yīng)力下的內(nèi)摩擦角φ?變化范圍為33°～39°，黏聚力с?為1 kPa。

據(jù)以上三種情況，隨細(xì)粒土含量的減少，尤其黏粒含量的減少，全風(fēng)化花崗巖內(nèi)摩擦角逐漸增大，黏聚力逐漸變??；有效應(yīng)力下的內(nèi)摩擦角相比總應(yīng)力下的內(nèi)摩擦角（19°～32°）變化范圍更大，黏粒含量＞15%的土樣有效應(yīng)力下的內(nèi)摩擦角最?。?6°～33°），黏粒含量＜15%的土樣居中（33°～37°），黏粒含量10%左右的土樣最大（33°～39°）；黏聚力數(shù)值總體較小但離散性大，黏粒含量＞15%的土樣有效黏聚力值最大為58 kPa，黏粒含量約10%時有效黏聚力值可達(dá)28 kPa。

4 結(jié)論

（1）澳門地區(qū)全風(fēng)化花崗巖三軸固結(jié)不排水剪試驗成果說明其抗剪強度指標(biāo)與顆粒組成尤其黏粒含量存在一定的內(nèi)在聯(lián)系，隨著全風(fēng)化花崗巖黏粒含量的減少，內(nèi)摩擦角逐漸增大，有效應(yīng)力下的內(nèi)摩擦角相比總應(yīng)力下的內(nèi)摩擦角變化范圍更大。

（2）全風(fēng)化花崗巖的黏聚力影響因素復(fù)雜、離散性較大，主要與原巖的殘余結(jié)構(gòu)強度、風(fēng)化裂隙有關(guān)，室內(nèi)三軸試驗其結(jié)構(gòu)易擾動造成測試數(shù)值較實際偏小，在基坑支護(hù)等設(shè)計中應(yīng)結(jié)合原位測試成果、現(xiàn)場調(diào)查進(jìn)行合理選用以節(jié)省造價。

（3）全風(fēng)化花崗巖三軸固結(jié)不排水剪試驗設(shè)計圍壓σ3一般較大，測量到的主應(yīng)力σ1數(shù)值大，黏粒含量少的試樣孔隙水壓力數(shù)值小且達(dá)到峰值后很快降為負(fù)值，經(jīng)對比建議采用應(yīng)變控制式半自動三軸儀，該三軸儀孔壓傳感器設(shè)置合理測量較精確，在固結(jié)過程完成后可人工調(diào)節(jié)試樣與儀器的接觸，保證試樣壓縮變形和破壞達(dá)到規(guī)范要求。

（4）統(tǒng)計的澳門地區(qū)全風(fēng)化花崗巖三軸固結(jié)不排水剪試驗有效應(yīng)力下的指標(biāo)（с?=1～58 kPa，φ?=26°～39°）與香港地區(qū)巖土指南提供的經(jīng)驗值（с?=5～15 kPa，φ?=34°～44°）相接近，但根據(jù)此指標(biāo)計算的地基承載力與原位測試確定的地基承載力結(jié)果對比還有待進(jìn)一步探討。