鄭曉碩

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津　300251)

Study on Engineering Geological Characteristics of Granite under an Inter-City Railway

ZHENG Xiaoshuo

某城際鐵路花崗巖的工程地質(zhì)特性分析研究

鄭曉碩

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津300251)

Study on Engineering Geological Characteristics of Granite under an Inter-City Railway

ZHENG Xiaoshuo

摘要某城際鐵路經(jīng)過花崗巖地區(qū)，在工程地質(zhì)勘察過程中，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)土工試驗及原位測試得到的花崗巖全風(fēng)化層的壓縮模量等物理指標(biāo)差異性較大，為保證地質(zhì)資料的可實施性，通過分析室內(nèi)試驗和野外標(biāo)貫測試數(shù)據(jù)，研究該區(qū)域花崗巖的工程地質(zhì)特性，并選取代表性區(qū)域進行旁壓試驗，分析研究其在不同測試壓力作用下的變形特性，從而對全風(fēng)化花崗巖的力學(xué)性質(zhì)和變形特性進行分析和評價。綜合室內(nèi)試驗、標(biāo)貫測試及旁壓試驗數(shù)據(jù)，提出合理的壓縮模量及地基承載力指標(biāo)，為設(shè)計、施工提供可靠的依據(jù)。

關(guān)鍵詞花崗巖全風(fēng)化層旁壓試驗地基承載力變形模量

花崗巖風(fēng)化殼表層一般呈砂礫狀、砂礫含黏土、黏土含礫砂石或粉土狀，其物理性質(zhì)與第四系形成的砂、土既相似，但又不盡相同。花崗巖全風(fēng)化層的結(jié)構(gòu)極易受到擾動，在水的作用下，往往有遇水崩解的工程特性[1]，花崗巖全風(fēng)化層因其石英砂礫的含量高，孔隙比大，鉆探過程中采用泥漿護壁，所采取的原狀樣與實際情況差別較大，室內(nèi)土工實驗所取得的抗剪強度、壓縮模量等實驗數(shù)值往往低于實際數(shù)值。因此，若簡單的按照一般黏性土的知識和經(jīng)驗來處理花崗巖殘積土的工程問題，將會產(chǎn)生較大的誤差 。

某城際鐵路需要穿過近40 km花崗巖地段，以全風(fēng)化花崗巖為主，深度為0～60 m。該段城際鐵路為無砟軌道鋪設(shè)，對橋梁及路基的沉降和邊坡的防護要求極高。通過分析花崗巖全風(fēng)化層標(biāo)貫數(shù)據(jù)及室內(nèi)試驗成果，發(fā)現(xiàn)在局部段落兩者存在比較大的差異性。為準確獲得該類地層的設(shè)計參數(shù)，選取了6個代表性的點進行旁壓試驗，通過對綜合試驗結(jié)果對比分析，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、準確的地基承載力和變形模量等參數(shù)的建議公式，滿足了設(shè)計、施工要求。

1花崗巖全風(fēng)化層工程特性分析

1.1　花崗巖物理工程特點分析

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，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]。花崗巖全風(fēng)化層的物理力學(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，遇水極易軟化及崩解等。

實際工程中，花崗巖的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，因其石英砂礫的含量高，導(dǎo)致孔隙比較大，結(jié)構(gòu)極易受到擾動，遇水極易軟化崩解；其次，勘探過程中需泥漿護壁，按照常規(guī)方法所取原狀樣，土樣受到擾動極大，所得的土樣與實際情況差別較大，室內(nèi)土工實驗所得到的力學(xué)指標(biāo)及強度指標(biāo)等往往不能反映實際的物理力學(xué)性質(zhì)；第三，花崗巖全風(fēng)化層分布廣泛，具有區(qū)域性特點，無法采用通用的評判標(biāo)準來對其研究。

1.2　花崗巖全風(fēng)化層室內(nèi)實驗結(jié)果分析

花崗巖全風(fēng)化層具有“似土”的性質(zhì)，根據(jù)規(guī)范要求應(yīng)按照土樣的試驗標(biāo)準來進行土工試驗。在規(guī)范中，黏性土可以根據(jù)土工試驗確定的物理力學(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，從而初步分析其物理力學(xué)指標(biāo)，統(tǒng)計結(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)計值及地基承載力

分析表1的試驗數(shù)據(jù)，花崗巖全風(fēng)化層各項物理指標(biāo)離散性相當(dāng)大，如含水量由最大45.7到最小14.6，相差3倍多；孔隙比最大可達1.4，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)從堅硬狀態(tài)到軟塑狀態(tài)。黏聚力以及內(nèi)摩擦角值相對較高，然而壓縮模量平均值僅為5.3 MPa，各項指標(biāo)呈現(xiàn)出不匹配的地方，導(dǎo)致在確定其設(shè)計指標(biāo)時比較困難。

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。而如果僅僅參考黏性土的標(biāo)準來評判，得出的結(jié)果與實際差異性較大。事實上，許多花崗巖全風(fēng)化地區(qū)的工程實例也表明，地基承載能力或抗剪能力的情況往與室內(nèi)試驗所得結(jié)果相差較大。

1.3　花崗巖標(biāo)準貫入試驗分析

砂類土中標(biāo)貫試驗作為一種十分重要的原位測試手段，不僅可以確定花崗巖風(fēng)化程度，且可以確定地基承載力。為了能更好的查明花崗巖全風(fēng)化的工程特性，本工程分析了大量的標(biāo)準貫入試驗數(shù)據(jù)，對該區(qū)域花崗巖全風(fēng)化帶進行定量研究，并提出合理的地基承載力和壓縮模量等參數(shù)。

統(tǒng)計了該城際鐵路附近代表性段落的花崗巖全風(fēng)化帶中的標(biāo)貫試驗數(shù)據(jù)，并根據(jù)標(biāo)貫試驗得出其承載力值。

隨著深度的遞增，標(biāo)貫擊數(shù)逐漸增加，而當(dāng)達到一定深度后，尤其在30 m以下全風(fēng)化至強風(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5～10 m擊數(shù)偏小，標(biāo)貫數(shù)值變化較大，對地基承載力的影響比較明顯。

1.4　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)勘察報告，該區(qū)段下伏白堊系及侏羅系二長花崗巖，全風(fēng)化層較厚，厚約5～30 m，地下水位埋深較淺。對全風(fēng)化層如此之厚的區(qū)域，初擬以全風(fēng)化巖為持力層，花崗巖全風(fēng)化巖的工程特性及地基承載力和變形模量等指標(biāo)對工程的影響性較大。首先分析土工試驗和標(biāo)貫統(tǒng)計指標(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350 kPa。但通過室內(nèi)試驗和標(biāo)貫測試數(shù)據(jù)分析可知，兩者對承載力的確定不匹配，尤其是5～10 m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，將直接影響到工程安全。

花崗巖全風(fēng)化層自身固有的特性，室內(nèi)土工試驗的結(jié)果不能精確的反映其工程性質(zhì)，如果簡單采用土工試驗的數(shù)據(jù)來得出花崗巖全風(fēng)化的地基承載力及變形模量，將會給工程設(shè)計、施工和運營造成較大的安全隱患，極易發(fā)生工程問題。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。

2旁壓試驗理論及試驗研究

旁壓試驗也稱橫壓試驗，是工程地質(zhì)勘察中的一種原位測試方法，其原理是通過旁壓器，在豎直鉆孔內(nèi)使旁壓膜膨脹，壓縮鉆孔壁土體產(chǎn)生變形直至破壞，并通過量測裝置測出壓力和土體變形之問的關(guān)系，繪制應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系曲線[4]。

選取該城際鐵路6個試驗點進行旁壓試驗，對原始數(shù)據(jù)、相關(guān)資料及現(xiàn)場實際情況進行分析論證，從而對全風(fēng)化花崗巖的地基基本承載力進行試驗和評價，確定地基基本承載力是否滿足設(shè)計和規(guī)范要求，并綜合室內(nèi)土工試驗、標(biāo)貫測試和旁壓試驗，給出符合實際情況的地承載力和變形模量等指標(biāo)。

2.1　現(xiàn)場試驗概述

本次旁壓試驗采用預(yù)鉆式結(jié)構(gòu)(如圖1)。預(yù)鉆式旁壓保證成孔質(zhì)量，鉆孔直徑與旁壓器直徑應(yīng)配合良好，防止孔壁坍塌。

圖1　旁壓試驗裝置

開始試驗前，嚴格按規(guī)范要求于現(xiàn)場對新的彈性

膜或者彈性模累計試驗次數(shù)達到8次以上等情況，對彈性膜進行約束力校正。規(guī)范的穩(wěn)定時間為1 min和3 min，前者用于“硬土”，后者用于軟土。一般來說，試驗壓力過臨塑壓力Pf后即可終止該級壓力的實驗。但測試中，為求得極限壓力PL而繼續(xù)加壓，不管出不出現(xiàn)屈服極限壓力PL，當(dāng)測管水位下降將至36 cm(有時超過)，應(yīng)立即停止試驗。

2.2　旁壓試驗結(jié)果及分析

花崗巖旁壓試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表2。

從表2中數(shù)據(jù)分析得知，旁壓試驗結(jié)果中各數(shù)據(jù)離散性較大，例如臨塑壓力最大值645，最小值399，相差有2倍，變形模量最大100，最小31，相差將近3倍，可見，同在花崗巖地區(qū)，不同試驗地點，不同試驗深度，旁壓試驗所得數(shù)據(jù)也有一定的變化。

表2　花崗巖全風(fēng)化層旁壓試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2.3　花崗巖全風(fēng)化層力學(xué)指標(biāo)確定

通過對室內(nèi)試驗和標(biāo)貫測試數(shù)據(jù)結(jié)果分析，并選取6個試驗點進行旁壓試驗，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。綜合了試驗統(tǒng)計指標(biāo)、標(biāo)貫擊數(shù)、旁壓試驗，根據(jù)試驗結(jié)果及曲線特征，依據(jù)國標(biāo)及當(dāng)?shù)匾?guī)范要求，建議花崗巖全風(fēng)化層地基承載力和變形模量等參數(shù)需根據(jù)深度范圍分開給出。具體數(shù)值見表3。

表3　花崗巖全風(fēng)化層變形模量及承載力推薦值

3結(jié)束語

土工試驗塑性指數(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；旁壓試驗結(jié)果表明，大部分花崗巖全風(fēng)化承載能力較高，但不同區(qū)域、不同深度結(jié)果離散性較大。

在分析室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)和原位試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，對花崗巖全風(fēng)化層的工程特性進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，在地質(zhì)勘測過程中不能過于依靠一種方法進行評判，需要采用多種勘察方法綜合分析評價，才能取得準確可靠的結(jié)果。

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中圖分類號：P642

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)04-0046-03

作者簡介：鄭曉碩(1985—)，男，2010年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)工程專業(yè)，工學(xué)碩士，工程師。

收稿日期：2015-04-23