E 江流域外交通公路深厚全風化層對公路工程的影響

張正清，王 聲，易志偉

(長江巖土工程總公司(武漢)，湖北 武漢 430010)

0 引言

E 江流域水電開發(fā)對外交通公路沿N 江左岸展線，跨過支流Q 河后沿Q 河左岸朔河而上，沿途經(jīng)過瀘瓦、石坡、板瓦，設計公路全長約62.087 m。路線起點高程275 m，終點高程2 314 m，平均縱坡3.28%，最大縱坡6.95%，采用二級公路標準，路基寬10.5 m，混凝土路面寬9.0 m，荷載等級:公路—I 級，掛—300。全線新建橋梁70 座，總長8 360.03 m，其中大橋33 座/5 731.0 m，中小橋37 座/2 629.03 m;隧道5 條，總長1 647.6 m;新建涵洞152 處。

1 公路沿線工程地質(zhì)條件［1］

1.1 自然地理概況

工程區(qū)屬濕潤多雨的亞熱帶氣候區(qū)，四季不分明，主要分為旱季和雨季，旱季為每年的11月—次年5月，降雨量少，光照多;雨季為每年的6—10月，降雨量充沛且持續(xù)時間長，光照偏少云霧多，無嚴寒霜雪。公路沿線地形地貌差異較大，立體氣候明顯，具有山上溫涼、河谷炎熱的氣候特征。

工程區(qū)內(nèi)多年平均降水量大體由北向南遞減，年平均降水量在3 000 mm 以上。據(jù)流域附近氣象站1981年—2002年降水資料統(tǒng)計，其多年平均年降水量為2 299 mm，其中5月—10月為2 152 mm，占年降水量的93.61%，而11月—4月則僅占6.39%。當?shù)貧庀笳咀畲竽杲邓繛? 770 mm(2001年)，最大1 日降水量為182 mm(1987年6月23 日)。

1.2 公路工程基本地質(zhì)條件

樁號K0 +000—K4 +165 擬建公路位于N 江左岸斜坡，為河谷緩坡地形，左岸臨江坡頂高程約450 m，高差約220 m，屬低山地貌，多表現(xiàn)為斜坡，地形坡度15°～25°，地表植被發(fā)育;樁號K4 +165～K36 +416公路主要沿Q 河兩岸展布，河谷整體呈“V”型谷，臨江坡頂高程約700 m，高差約200 m，屬低山地貌，地形坡度20°～45°，部分地段可達60°;樁號K36 +416～K62 +087，兩岸臨江坡頂高程2 000～3 000 m，相對高差約200～1 000 m，屬構造剝蝕低中山，擬建公路沿線山體雄厚，植被茂盛，地形陡緩相間，相對平緩段地形坡度10°～30°，相對陡峻段兩岸地形坡度30°～60°。

公路沿線第四系覆蓋層出露全新統(tǒng)殘坡積層(Qel+dl4)、崩坡堆積層(Qdl+c4)、河流沖積層(Q3al4)、泥石流堆積(Qsef4)等。其中殘坡積層發(fā)育廣泛，巖性以亞粘土為主，夾碎石，分布在山體坡面及坡腳處。崩坡積層主要發(fā)育在陡坡路段，以塊石及孤石為主。河流沖積層發(fā)育在河流兩岸漫灘，巖性以卵石夾砂為主。

出露基巖為中上元古界(Pt)花崗巖(γ)及花崗片麻巖(Gn)。

近場區(qū)主要發(fā)育北西向斷裂，受其影響N 江左岸一帶出露的片麻理產(chǎn)狀為110°～115°∠67°～73°，其余地段片麻理產(chǎn)狀256°～265°∠65°～75°。

1.3 路基、邊坡等工程部位揭示全風化層情況

路基工程揭示全風化層路基約250 段，各段路基長100～500 m 不等，沿線全風化層路基總長約31 120 m，占線路工程長度的59.7 %;全風化邊坡157段，邊坡高度一般多在10～20 m，最高邊坡可達50 m，邊坡長一般100～300 m 之間，最長的邊坡可達900 m，主要由全風化層組成，表層有2～3 m 殘積土，邊坡總長約18 924 m，占線路工程總長的36.3%。

隧洞工程全風化層主要分布在隧洞進出口段及局部淺埋段，揭示全風化層組成的Ⅴ類圍巖長251.4 m，占隧洞工程總長的15.3%。

橋梁工程墩臺涉及全風化層的有60 座，各橋梁揭示全風化層厚度不一，其中各墩臺地基持力層全風化層厚度＜10 m 的有21 座，全風化層厚度10～25 m 有32 座，部分橋梁地基片麻巖風化不均一，表現(xiàn)在左右岸風化厚度不一，不同部位風化深度不一，存在囊狀風化、球狀風化或夾層狀風化現(xiàn)象;各墩臺全風化層厚度均＞25 m 的有7 座，最大揭示厚度可達51 m，全風化層風化較均勻。

2 公路工程巖石全風化巖體特征

2.1 花崗巖、片麻巖全風化機理

花崗巖類主要礦物成分主要為長石、石英，其中長石抗風化能力較差，除受地形、構造及氣侯等因素影響外。在風化的初期，巖石分解，增大巖石顆粒的表面積，使巖石中礦物成分與地表水、氧氣、二氧化碳更好地接觸，促進巖石的分解作用，風化向深部加深。

花崗巖風化演變的過程中，微結構由粒狀堆砌微結構演變?yōu)榱罴芸瘴⒔Y構，粒間聯(lián)結力由緊密演變?yōu)槭杷?，微裂隙由不發(fā)育演變?yōu)楹馨l(fā)育，蝕變產(chǎn)物增多，粘土礦物大量增加，表明風化作用正是通過在改變了巖石的礦物成分、化學成分的基礎上改變了巖石的微觀結構特征［2］。

2.2 風化特征

受風化深度影響，公路沿線表層多為殘積土，一般成紅色，基本呈粉細的砂土狀，下伏全風化巖體，從開挖斷面上看僅保持原巖狀態(tài)，巖體全部或大部分變色，光澤消失或局部巖塊保持原有色澤，組織結構完全或大部分已破壞，礦物成份除石英顆粒外，大部分或部分已蝕變，有松軟感或錘擊聲極啞，手捏即散，鉆孔巖芯經(jīng)擾動多呈松散砂土狀，局部夾碎塊石。

擬建公路沿線全風化主要表現(xiàn)為均勻風化、不均勻(球狀風化、囊狀、裂隙性風化)兩種類型，見圖1 及圖2。因均勻風化野外認知程度較高，這里僅對不均勻風化現(xiàn)象進行敘述。

巖石所處的地形條件、構造條件、水文地質(zhì)條件相同的情況，因巖石礦物成分、結晶程度的差異，存在不均勻全風化現(xiàn)象。從沿線已建公路開挖斷面及地表露頭看，表層全風化層多呈細粒的砂土狀，局部含有碎石，向深部隨著風化的減弱，碎塊石、塊徑大小含量呈增大趨勢，直至強風化，呈過渡狀態(tài)。

照片1 均勻風化Photo 1 Uniform weathering

照片2 球狀風化Photo 2 Spherical weathering

球狀風化是花崗巖地區(qū)普遍存在的一種現(xiàn)象，風化球分布存在隨機性，在垂直方向上常不均勻存在，大小不一，一般與周邊巖石風化等級突變;另受構造影響，花崗巖地區(qū)也存在囊狀、裂隙性風化。

2.3 厚度特征及分布特征

公路勘察鉆孔揭示場區(qū)內(nèi)全風化花崗及片麻巖厚度一般6.5～22.5 m，最厚達65.7 m，呈如下特點。

(1)N 江左岸斜坡及樁號K36 +416～K62 +087緩坡地段，地形坡度一般＜30°，全風化厚度較大，普遍在20～30 m 左右。分析認為在相同的條件下，風化深度一致的情況，地形較緩段有利于風化層保留。

(2)在山體地形坡度較大及沖溝處，全風化厚度一般3.8～15.5 m，較其它段風化厚度小，分析認為地形坡度大，由于雨水沖刷、沖溝溪流影響，表層風化產(chǎn)物受到地表水的強烈沖刷作用，不利于風化層的保留，風化層普遍較薄。

2.4 巖體物理力學性質(zhì)

花崗巖全風化殼表層一般呈砂土狀，其物理力學性質(zhì)與第四系形成的砂土有相似性，其間不同含量的碎礫石，對室內(nèi)物理力學試驗的客觀準確性、代表性帶來影響，使得全風化層物理力學性質(zhì)變化較大。

綜合國內(nèi)花崗巖全風化層試驗成果，花崗巖全風化層物理指標特征為:天然含水量＜25%，天然密度＜1.7 g/cm3，塑性指數(shù)在10 左右，液性指數(shù)＜0。天然孔隙比多數(shù)接近1.0，結構比較疏松，孔隙一般比較發(fā)育。根據(jù)調(diào)查中得出的規(guī)律，一般中、細粒花崗巖風化物的顆粒較細，孔隙比相對較小，結構相對緊密，天然孔隙比大多在0.8～0.9 之間，天然密度在1.4～1.7之間變化。從花崗巖全風化層原狀樣的室內(nèi)剪切指標看，其快剪內(nèi)摩擦角一般在28°左右，隨成分差異及取樣深度略有變化，凝聚力變化范圍較大，與風化物的粒度成分、孔隙比等有關［3］。

本工程對全風化巖體取樣進行顆分試驗、現(xiàn)場動探試驗及物探聲波測試工作。根據(jù)全風化巖體顆分試驗，各粒徑的含量不一，與巖體結晶粗細程度相關性較大，總體上以中砂為主，＞0.25 mm 粒徑的為主，占67.3%～73.6 %，粉粒含量占16.6%～28.4 %，粘粒最低，最大為14.9%。見表1。

現(xiàn)場動探試驗15 段，修正后擊數(shù)3 擊—5 擊的有9 段，5 擊—8 擊6 段，全風化砂土呈稍—中密狀態(tài)，內(nèi)摩擦角30°～32°。根據(jù)部分鉆孔聲波測試邊坡巖體不同風化狀態(tài)其縱波速值(Vp)，其中全風化縱波1 800～2 300 m/s。

由于各地花崗巖礦物成分含量的差異，成巖環(huán)境、風化環(huán)境、水文氣象條件的不同，又因全風層風化的不均勻和對水的敏感性對其物理力學參數(shù)的選取影響較大，地質(zhì)工程師對風化的認知程度的差別，各地全風化層物理力學性質(zhì)也存在較大差別，全風化層物理力學參數(shù)的選擇應結合當?shù)毓こ探?jīng)驗及工程具體特點綜合取值。

3 深厚全風化層對公路工程的影響

3.1 對路基、邊坡穩(wěn)定的影響

工程區(qū)山體總體上地形坡度較大，深厚全風化層分布范圍廣，厚度大，路基不可避免的要放在全風化層上，各路塹邊坡大部分也是由全風化層組成的邊坡，花崗巖、片麻巖全風化物因風化作用常變得較為松散，結構疏松，下伏強或弱風化層基巖面總體上與地形坡度一致，為山體滑坡創(chuàng)造條件，加之本公路工程主要為E江流域水電開發(fā)提供大件運輸，載重較大，在上部荷載作用下會發(fā)生變形，甚至向外擠出造成變形，存在路基穩(wěn)定及邊坡穩(wěn)定問題。

工程區(qū)為亞熱帶氣候區(qū)，雨季持續(xù)時間較長，且降雨量大，全風化物質(zhì)組成多為砂性土，從工程區(qū)已開挖斷面上看，裸露坡面多呈間距0.5 m 左右，深0.1～0.3 m垂直坡面的沖刷槽或土溜，影響路基穩(wěn)定及邊坡外型的美觀。

花崗巖地區(qū)深厚全風化層中球狀風化使路基土石分布不均，對較大球狀風化體容易錯判為基巖，路基易產(chǎn)生不均勻沉降，導致路面開裂等現(xiàn)象;山區(qū)地形坡度較陡，路基開挖大多一半是基巖，一半是全風化層，兩者物理力學性質(zhì)相差較大，也是導致不均勻沉降因素之一。

3.2 對橋梁墩臺的影響

全風化層性狀類似砂土，全風化層中不均勻風化及球狀風化分布的離散性、誤判成基巖的可能性使全風化層作為持力層更為復雜。

由于勘察中鉆孔揭示全風化層多呈散砂狀，其間所含碎塊石含量、粒徑大小的不同，地基承載力相差較大。如全風化層內(nèi)較多碎塊石時，地基承載力基本上能滿足橋臺對地基持力層的要求，如風化狀態(tài)全部為砂土狀，作為橋臺持力層，地基承載力一般較低，不能滿足橋臺對地基要求，需要采用擴大基礎，無形中增加了橋梁建設成本。

全風化層中的風化球巖性一般較堅硬，與弱或微風化層的巖石相似，勘察中如不能正確鑒別判斷，給大橋安全帶來安全隱患。采用嵌巖樁或端承樁時，以風化球為持力層，受風化球體大小影響較大，風化球周圍為全強風化等軟層時，橋樁基易發(fā)生傾斜或產(chǎn)生沉降;如采用摩擦樁直接穿過風化球，對樁基開挖施工造成困難，也將增大樁基的成樁成本。

另干燥的砂土狀全風化層作為持力層，側摩阻力一般較大，由于砂土狀全風化層對水比較敏感，在水的浸泡或沖刷下很容易崩解，強度會明顯降低，主要表現(xiàn)在土體凝聚力喪失，承載力下降、側壁摩阻力降低。橋梁施工中應做好基坑全風化層防水工作。

表1 全風化巖體顆分試驗成果表Table 1 Grading test result of full weathering rock mass

3.3 對隧道施工的影響

隧洞進出口段上覆殘坡積層及全風化松散層水平厚度大，采用明洞開挖，形成邊坡高度大，存在邊坡穩(wěn)定問題;采用洞挖則圍巖類別低，成洞條件差，一般都要采用超前管棚進行支護，短進尺開挖、早封閉、勤支護，存在著成本高、進度慢、危險性大等缺點。

在公路勘察中由于花崗巖地區(qū)不均勻風化，不能有效揭示球狀風化體的分布位置、球體大小，風化球體一般弱風化或微風化，巖石強度高，一般抗壓強度可達100 MPa，隧洞施工如采用盾構施工，不能有效地破解風化球體，易損壞盾構機刀具，增加施工難度，延長施工工期，增加施工成本。

4 結語

通過本次公路勘察，總結花崗巖地區(qū)深厚全風化層勘察工作經(jīng)驗，筆者認為在工作前期對公路沿線花崗巖地段的花崗巖類型和形成時期、風化特征要有一個宏觀判斷，并在勘察中通過鉆孔揭示情況對預期判斷進行修正。鉆孔揭示如不能準確判斷球狀風化，則要對鉆孔加深孔深，找出完整的弱風化頂面。

橋梁鉆孔勘察前應根據(jù)橋梁大小、樁基礎的型式(嵌巖樁或摩擦樁)進行設計，預測在多少深度內(nèi)如無完整巖的情況下，可用摩擦樁等進行溝通，在橋梁勘察中可對深厚全風化鉆孔勘探深度進行控制，以便了解球狀風化對橋墩樁的影響。在施工中遇到未發(fā)現(xiàn)的球狀風化體時，可進行補充勘察工作。

隧洞盾構施工時可根據(jù)鉆進推進速度、聲音、機械負荷情況、鉆頭轉速變化情況進行判斷，并在施工期間做到多聽、多看、勤檢查。如遇小型球狀風化巖體可對其進行人工破解，或對球狀風化巖體周邊風化體巖層進行預加固后再盾構施工。

全風化巖質(zhì)邊坡應對邊坡穩(wěn)定性進行計算，在邊坡開挖后及時進行封閉防護，邊坡頂部設置橫向排水工程，下部宜布設擋土墻，對坡面進行護坡處理。路基開挖后應避免全風化巖體暴露時間過長，減少降雨和其它因素對全風化層物理力學性質(zhì)的影響，并做好防沖刷處理。

［1］張正清，王聲，易志偉.E 江上游水電項目對外交通工程地質(zhì)勘察報告［R］.武漢:長江勘測規(guī)劃設計研究院，2007.

［2］馮濤，吳光，張夏臨.武廣高速鐵路風化花崗巖微觀變化特征研究［J］.成都理工大學學報:自然科學版，2009(4):201－204.

［3］劉好正.風化花崗巖工程特性與路基工程［J］.路基工程，2003(5):41－46.