姚元鋒

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

花崗巖在我國分布廣泛，研究花崗巖風(fēng)化帶的劃分及工程地質(zhì)特性對(duì)評(píng)價(jià)基坑和邊坡工程的穩(wěn)定性有重要的意義。巖體的風(fēng)化程度是工程地質(zhì)分層及地基承載力評(píng)價(jià)的依據(jù)[1]，塊狀強(qiáng)風(fēng)化及弱風(fēng)化帶巖體強(qiáng)度降低小，工程性質(zhì)與原巖相似，不易受外部條件影響，砂土狀全-強(qiáng)風(fēng)化帶邊坡具有類土質(zhì)邊坡特點(diǎn)[2]，巖體遇水易崩解[3-4]，導(dǎo)致其強(qiáng)度指標(biāo)下降。

1 日照地區(qū)花崗巖風(fēng)化帶基本特征

1.1 花崗巖分布

日照地區(qū)花崗巖具有多期活動(dòng)的特征，晉寧期片麻狀花崗巖及燕山期二長花崗巖分布較廣，其中，穿插輝綠巖、閃長巖、煌斑巖等軟弱巖脈。在礦物組成上，由北向南，長石與石英的比例呈逐漸升高趨勢。

1.2 風(fēng)化帶的劃分

根據(jù)野外特征、波速比、風(fēng)化系數(shù)等，可將巖體分為全風(fēng)化帶、強(qiáng)風(fēng)化帶、中等風(fēng)化帶、微風(fēng)化帶、未風(fēng)化帶。其結(jié)構(gòu)狀態(tài)由土狀-砂土狀-砂礫狀-碎塊狀-塊狀-完整巖體逐漸過渡。

日照地區(qū)花崗巖屬極硬巖[5]，具有強(qiáng)度高、裂隙發(fā)育等特征，在實(shí)際應(yīng)用中，一般根據(jù)工程需要對(duì)厚度較大的強(qiáng)風(fēng)化帶劃分幾種亞帶。有研究將強(qiáng)風(fēng)化帶分為兩個(gè)亞帶：砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化帶和碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化帶[6]。亦有將強(qiáng)風(fēng)化帶劃分為三個(gè)亞帶：砂土狀強(qiáng)風(fēng)化帶、砂狀強(qiáng)風(fēng)化帶、角礫狀強(qiáng)風(fēng)化帶[7]。

1.3 風(fēng)化帶空間分布特征

日照市位于魯東丘陵區(qū)，地勢整體西高東低，東部多為丘陵及丘前緩坡，以及沿河、濱海平地，地表覆蓋層較薄。風(fēng)化帶在空間分布上可分為三個(gè)區(qū)帶(見圖1)：Ⅰ為中部低山丘陵區(qū)，弱風(fēng)化帶大多出露；Ⅱ?yàn)楦邖彽鹊貏葺^高區(qū)域，受風(fēng)化剝蝕的影響，全風(fēng)化帶及砂土狀強(qiáng)風(fēng)化層缺失，表層覆蓋厚度1～3 m的砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化帶、5～10 m的塊狀強(qiáng)風(fēng)化帶；Ⅲ為剝蝕平原等低洼區(qū)域，全風(fēng)化帶及砂土狀強(qiáng)風(fēng)化帶較厚，全風(fēng)化層厚2～5 m，局部厚度可達(dá)8 m，砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化層一般厚3～10 m，受構(gòu)造影響，最厚處可達(dá)30 m。

圖1 日照市花崗巖風(fēng)化帶分區(qū)

2 花崗巖巖體工程性質(zhì)

花崗巖巖體是各向異性的非均質(zhì)體，工程性質(zhì)受巖石結(jié)構(gòu)類型、節(jié)理發(fā)育情況、風(fēng)化程度等控制，其工程性質(zhì)即有與土層相似的結(jié)構(gòu)特性，又有巖體的構(gòu)造特性。

2.1 類土質(zhì)結(jié)構(gòu)特性

砂土狀全-強(qiáng)風(fēng)化花崗巖邊坡具有類土質(zhì)邊坡的特征，其物理力學(xué)指標(biāo)高于土質(zhì)邊坡，但風(fēng)化巖中仍殘存原巖中的節(jié)理裂隙，在外力的作用下，這些隱性的薄弱面易貫通形成軟弱面，導(dǎo)致全風(fēng)化花崗巖邊坡失穩(wěn)。

2.2 承載力特性

對(duì)于巖石風(fēng)化帶的承載力，規(guī)范[8]中根據(jù)風(fēng)化程度將風(fēng)化帶分為軟、硬巖，再根據(jù)巖石節(jié)理裂隙發(fā)育情況給出巖石承載力的建議值。按照鐵路工程巖土分類標(biāo)準(zhǔn)，全風(fēng)化層為極軟巖，根據(jù)風(fēng)化程度，強(qiáng)風(fēng)化的花崗巖可分為軟巖、較軟巖，弱風(fēng)化的花崗巖為硬巖。推薦承載力值如表1所示。

表1 風(fēng)化巖承載力建議取值

日照市花崗巖強(qiáng)風(fēng)化帶一般劃分為兩個(gè)亞帶(即砂土-砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化帶、塊狀強(qiáng)風(fēng)化帶)。對(duì)于砂土-砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化帶，其承載力可按照軟巖取值，而塊狀強(qiáng)風(fēng)化帶以及弱風(fēng)化帶可按較軟巖和硬質(zhì)巖取值。為驗(yàn)證取值是否準(zhǔn)確，選擇代表性地層進(jìn)行平板載荷試驗(yàn)[10]。對(duì)該地區(qū)地下水位以上的砂土狀強(qiáng)風(fēng)化帶進(jìn)行平板載荷試驗(yàn)，其承載力值均大于800 kPa(見表2)?？紤]到巖體礦物成分變化引起的不均勻風(fēng)化以及地下水的影響，強(qiáng)風(fēng)化帶承載力一般可取500～800 kPa，局部黏粒含量高的砂土狀強(qiáng)風(fēng)化帶可取400 kPa。

表2 強(qiáng)風(fēng)化帶平板載荷計(jì)算承載力特征值

2.3 影響承載力的主要因素

表2中的承載力是理想狀態(tài)下平板載荷試驗(yàn)得到的原位試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并未考慮地下水對(duì)巖體的影響?，F(xiàn)實(shí)中，風(fēng)化帶并非均質(zhì)體，巖體中可能夾有局部小型構(gòu)造或軟弱侵入巖脈。在基礎(chǔ)施工中，基坑開挖也會(huì)對(duì)地基產(chǎn)生擾動(dòng)，地表水滲流、地下水位變化都會(huì)對(duì)風(fēng)化帶巖體的承載力有一定的影響，在勘察設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)場地情況綜合考慮[9]。

(1)礦物成分及顆粒結(jié)構(gòu)

風(fēng)化帶中顆粒組成直接影響巖體的承載力，粗顆粒含量越高，承載能力越強(qiáng)。片麻狀二長花崗巖、閃長巖中，長石、云母、角閃石等暗色礦物含量較高的巖類易風(fēng)化，風(fēng)化后細(xì)顆粒含量高，承載力低于石英二長巖、二長花崗巖等石英含量較高的巖類。

(2)開挖卸荷

基坑開挖過程中，上部荷載消失，松散的土體失去約束產(chǎn)生自由膨脹，使得表層風(fēng)化帶巖體密實(shí)度下降，承載能力降低[11-12]。隨著工程荷載的施加，巖體密實(shí)度會(huì)逐漸增大，承載能力逐漸恢復(fù)；但如果基坑底部地層受機(jī)械開挖擾動(dòng)，巖體顆粒間結(jié)構(gòu)發(fā)生位移，施加上部荷載后也難以恢復(fù)至原始狀態(tài)，將導(dǎo)致巖體密度下降，承載能力降低。

(3)地表水

地表水對(duì)花崗巖風(fēng)化帶的影響主要是坡面沖刷。邊坡開挖過程中，如果未及時(shí)防護(hù)，在坡面凹陷處及土質(zhì)較疏松部位易被沖蝕，形成沖溝；巖石風(fēng)化后殘留于土中的結(jié)構(gòu)面也會(huì)成為地表水向下滲流的通道，當(dāng)這些結(jié)構(gòu)面傾向坡體臨空面時(shí)，就會(huì)成為邊坡破壞的滑動(dòng)面。

(4)地下水

砂土狀花崗巖風(fēng)化帶被水浸泡后，水的潤滑作用降低了巖體的強(qiáng)度，自由水的孔隙水壓力進(jìn)一步抵消掉土體之間的黏聚力，加劇了巖體結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度急劇降低、承載力下降。地下水位高于基坑底部時(shí)，風(fēng)化帶巖體中的土體顆粒受到地下水的浮力處于自由狀態(tài)，顆粒間的間隙增大，地下水在水頭壓力的作用下產(chǎn)生向上滲流作用(見圖2)。滲流過程中，水溶解巖體中的部分礦物成分，攜帶部分粒徑較小的黏性顆粒，破壞了巖體的整體結(jié)構(gòu)性，導(dǎo)致巖土本身強(qiáng)度降低。即使施加工程荷載后，也難以恢復(fù)至原始狀態(tài)。

圖2 基坑開挖狀態(tài)地下水滲流情況示意

3 工程實(shí)例

3.1 風(fēng)化巖邊坡

以某鐵路右側(cè)邊坡為例，鐵路線路走向298°，一級(jí)邊坡深度范圍內(nèi)為砂土狀?yuàn)A碎塊狀花崗巖強(qiáng)風(fēng)化層，高8.0 m，設(shè)計(jì)邊坡坡率為1∶1.25；二級(jí)邊坡深度范圍內(nèi)為砂土狀花崗巖全強(qiáng)風(fēng)化層，高1.6～4.5 m，設(shè)計(jì)邊坡坡率為1∶1.50。

圖3 邊坡變形段落

該邊坡開挖過程中，由于未按設(shè)計(jì)進(jìn)行分層開挖、分級(jí)支護(hù)，邊坡整體開挖暴露22 d后，K11+100～K11+117處邊坡發(fā)生滑塌(如圖3所示)，滑動(dòng)帶從二級(jí)邊坡全風(fēng)化層開始，滑坡后緣出現(xiàn)寬約0.5 m的裂縫，坡腳下強(qiáng)風(fēng)化層局部地面略微隆起，滑坡兩翼存在兩條產(chǎn)狀為330∠53°和95∠50°的風(fēng)化殘余節(jié)理，節(jié)理裂隙夾厚約2 mm的黏土，黏土已失水皸裂，風(fēng)化節(jié)理處已斷裂，呈塊狀?；潞缶壗衣冻鋈L(fēng)化花崗巖殘存節(jié)理，表面光滑，走向與線路大致平行?；聦?dǎo)致整個(gè)邊坡坡面破壞。處理措施：清除滑動(dòng)巖體后，采用錨桿進(jìn)行加固，保證了邊坡的穩(wěn)定性。

3.2 風(fēng)化巖基坑

(1)砂土狀全-強(qiáng)風(fēng)化帶

某鐵路涵洞基礎(chǔ)，基底為片麻狀二長花崗巖，黃褐色，巖石已完全風(fēng)化成砂狀，標(biāo)貫擊數(shù)為27擊，根據(jù)巖芯狀態(tài)結(jié)合標(biāo)貫擊數(shù)判定為全風(fēng)化?；赘叱膛c地下水位持平?；娱_挖后，基底受水浸泡呈松散狀態(tài)(見圖4)。在基底進(jìn)行標(biāo)貫試驗(yàn)，基底以下0.8 m實(shí)測標(biāo)貫擊數(shù)為13，遠(yuǎn)低于第一次鉆孔原位測試標(biāo)貫值。處理措施：清除基底表層受水浸泡軟化的地層，換填滲水土。

圖4 砂土狀全風(fēng)化基坑

某鐵路橋墩挖井基礎(chǔ)，基底為花崗巖，黃褐色，巖芯呈砂土-砂礫狀，實(shí)測標(biāo)貫擊數(shù)大于50擊，重型動(dòng)力觸探大于50擊，判定為強(qiáng)風(fēng)化。地下水穩(wěn)定水位為12.20 m，基底高程為7.01 m，水頭差為5.2 m。開挖過程中采取了降水措施，并在基坑四周布設(shè)積水溝?；娱_挖后，地下水沿顆粒之間的孔隙滲流，水流攜帶巖體中的細(xì)顆粒，破壞了地基巖體的結(jié)構(gòu)性，基底受水浸泡后呈松散狀態(tài)。開挖后對(duì)基底進(jìn)行標(biāo)貫試驗(yàn)，基底以下1 m實(shí)測標(biāo)貫值為14～21擊(見圖5)，測試數(shù)據(jù)下降較為明顯。處理措施：設(shè)計(jì)專業(yè)對(duì)該基坑進(jìn)行了變更，調(diào)整為樁基礎(chǔ)。

圖5 基底地下水向上滲流引起細(xì)顆粒流失

(2)塊狀強(qiáng)風(fēng)化帶

某鐵路橋墩明挖基礎(chǔ)基底為片麻狀二長花崗巖，灰黃色，巖芯呈塊狀?yuàn)A少量砂礫狀，實(shí)測重型動(dòng)力觸探大于50擊，根據(jù)巖芯狀態(tài)判定為強(qiáng)風(fēng)化。地下水穩(wěn)定水位為14.0 m，基底高程為12.6 m，水頭差為1.4 m。開挖后，基底多呈塊狀，基底及側(cè)壁節(jié)理裂隙發(fā)生滲水，基底雖受水浸泡仍保持原巖體結(jié)構(gòu)，重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)實(shí)測仍大于50擊，表明承載力基本未受地下水影響。

4 結(jié)論

(1)巖石的風(fēng)化是一個(gè)漸進(jìn)的過程，風(fēng)化帶的劃分宜根據(jù)風(fēng)化后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行細(xì)分，并分別提供物理力學(xué)指標(biāo)，可使設(shè)計(jì)更為精細(xì)化。

(2)承載力的推薦應(yīng)在規(guī)范的建議值內(nèi)充分參考地方經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)缺乏地方經(jīng)驗(yàn)時(shí)可采用原位測試獲得基本承載力，并考慮地下水位對(duì)風(fēng)化巖體的影響，適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整。

(3)砂土狀的花崗巖全-強(qiáng)風(fēng)化帶，其原巖結(jié)構(gòu)已基本破壞，性質(zhì)類似砂類土層，但原巖中的節(jié)理裂隙仍得以保留，勘察時(shí)應(yīng)查明節(jié)理裂隙以及巖層產(chǎn)狀，并在設(shè)計(jì)及施工時(shí)加以考慮。

(4)砂土狀花崗巖全-強(qiáng)風(fēng)化帶易受開挖卸荷及地下水影響。地下水在基底滲流時(shí)溶解攜帶部分細(xì)顆粒成分，降低地基的承載力?？辈煸O(shè)計(jì)及施工過程中，在基礎(chǔ)底面高程低于地下水位的情況下，應(yīng)慎重選用承載力值。開挖時(shí)，應(yīng)采取降水、排水措施，將地下水水位降至基底高程以下，以保證工程的安全可靠。

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