深圳地區(qū)花崗巖球狀風(fēng)化體地下分布規(guī)律統(tǒng)計(jì)分析

曹 權(quán)，項(xiàng) 偉，王鳳華，郭 龍，李清明

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518029）

深圳地區(qū)花崗巖分布廣泛?；◢弾r在出露地表附近接受風(fēng)化作用時(shí)，由于塊狀巖石的突出棱角部位易受風(fēng)化，其棱角逐漸縮減，并趨向球形，最終形成似球狀孤石與土狀風(fēng)化物混雜的球狀風(fēng)化體(俗稱孤石)。

對(duì)于花崗巖球狀風(fēng)化的成因國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量工作。Ruxton和Berry對(duì)香港地區(qū)的花崗巖球狀風(fēng)化現(xiàn)象進(jìn)行了長(zhǎng)期的調(diào)查和研究，認(rèn)為隨著風(fēng)化作用的進(jìn)行風(fēng)化球體外部物質(zhì)逐漸被剝蝕和淋熔掉，風(fēng)化球體因此越來(lái)越小［1］；Brock從元素遷移的角度對(duì)花崗巖球狀風(fēng)化的形成機(jī)理進(jìn)行了研究，并指出花崗巖的風(fēng)化與主要礦物的抗風(fēng)化能力及礦物的相對(duì)含量有十分重要的關(guān)系［2］；Boyne認(rèn)為球狀巖石是由于體積膨脹，不斷層狀剝離形成的，是物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化耦合作用的結(jié)果［3］；Sarracino用數(shù)學(xué)的方法建立風(fēng)化孤石的模型，并利用該模型研究孤石的形成過(guò)程及環(huán)境影響［4］；Lan認(rèn)為風(fēng)化花崗巖的物理力學(xué)特性風(fēng)化程度與所處地域有關(guān)［5］；王浩認(rèn)為花崗巖球狀風(fēng)化與礦物成分差異、構(gòu)造斷裂帶的分布和當(dāng)?shù)貧夂驐l件有關(guān)［6］；鮑曉東總結(jié)深圳地鐵一期工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為深圳地區(qū)花崗巖殘積土的不均勻風(fēng)化主要表現(xiàn)形式為球狀風(fēng)化，即殘積土中存在球狀中等風(fēng)化、微風(fēng)化巖體［7］；馮濤、李建強(qiáng)從微觀力學(xué)描述和宏觀力學(xué)性能方面闡述球狀風(fēng)化花崗巖的形成機(jī)理［8～12］。

盡管對(duì)花崗巖的球狀風(fēng)化形成機(jī)理已有初步了解，但目前研究成果只局限于定性描述，加之花崗巖球狀風(fēng)化受氣候、巖石成分、結(jié)構(gòu)和地質(zhì)構(gòu)造等影響，具有明顯的地域特征，目前尚不能對(duì)花崗巖球狀風(fēng)化的成因給出定量的解釋，對(duì)工程指導(dǎo)作用有限。隨著深圳地區(qū)大規(guī)模地下空間建設(shè)的開(kāi)展，尤其是城市地鐵的興建，花崗巖球狀風(fēng)化問(wèn)題已嚴(yán)重影響了工程建設(shè)進(jìn)度、質(zhì)量和安全，迫切需要準(zhǔn)確探明孤石的空間分布?？茖W(xué)統(tǒng)計(jì)和分析已有孤石地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)，建立反映地區(qū)特點(diǎn)的花崗巖地下分布統(tǒng)計(jì)規(guī)律，是目前理論研究水平下最佳選擇。

1 原始資料的整理

目前工程中花崗巖球狀風(fēng)化主要通過(guò)地質(zhì)鉆探和物探的方法，但物探方法在實(shí)際工程施工中經(jīng)常受到非探勘物質(zhì)的影響，所得的判斷和解析往往較為粗略，目前主要作為輔助探測(cè)手段。鉆探能直觀揭示風(fēng)化孤石的存在，成為花崗巖球狀風(fēng)化地下分布的主要探測(cè)方法，由該方法確定的孤石是本次原始資料收集的主要對(duì)象。本次共收集了深圳地區(qū)216個(gè)工點(diǎn)的勘察報(bào)告，篩選出90個(gè)揭示有孤石的工程勘察項(xiàng)目，統(tǒng)計(jì)到854個(gè)孤石詳細(xì)分布數(shù)據(jù)。

為了更真實(shí)、全面反映孤石的地下分布情況，本次對(duì)每一個(gè)孤石樣本的工點(diǎn)名稱、孔(樁)號(hào)、孔口高程、孔口坐標(biāo)、孤石風(fēng)化類型、孤石分布層位、孤石埋深、孤石層面分布高程、揭示厚度和勘探時(shí)間等10個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。深圳地區(qū)東部及西部沿海區(qū)域花崗巖球狀風(fēng)化較發(fā)育，特別是西部大部分花崗巖分布區(qū)域。根據(jù)各樣本點(diǎn)坐標(biāo)，將孤石分布點(diǎn)投影到深圳市區(qū)域地質(zhì)圖上(圖1)。從圖上可以看到本次統(tǒng)計(jì)點(diǎn)主要分布在深圳地區(qū)西部，涵蓋了花崗巖發(fā)育的主要區(qū)域，從而保證了本次統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果的代表性。

圖1 深圳地區(qū)花崗巖分布統(tǒng)計(jì)圖Fig.1 Statistic distribution of solitary stone of granite in the Shenzhen district

2 孤石的統(tǒng)計(jì)分析

2.1 孤石風(fēng)化程度

目前對(duì)孤石尚未有統(tǒng)一的定義，在命名上也有差別?！稁r土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)、《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》(GB50307-2012)、《深圳市地基基礎(chǔ)勘察設(shè)計(jì)規(guī)范》(SJG01-2010)均未給出孤石定義，稱其為“球狀風(fēng)化體”；《工程地質(zhì)手冊(cè)》(第四版)稱孤石為“風(fēng)化球”，也未給出定義。國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)球狀風(fēng)化體和孤石的英文名稱也千差萬(wàn)別:“spherodial weathering body”、“weathered granite residual”、“spherical weathered granite”、“globular weathering body”、 “globular weathered body”、“corestoes”、“bolas”、“boulder”、“solitary stone”等，這也說(shuō)明國(guó)內(nèi)外對(duì)孤石的研究尚不深入?？紤]孤石對(duì)工程的影響，本次統(tǒng)計(jì)主要關(guān)注微風(fēng)化和中風(fēng)化花崗巖孤石，因?yàn)檫@類孤石往往具有很高的強(qiáng)度，裂隙不發(fā)育，對(duì)地鐵盾構(gòu)施工和基巖面的確認(rèn)影響很大。

花崗巖孤石風(fēng)化程度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。由圖可見(jiàn)，深圳地區(qū)發(fā)育的孤石成分中三分之二以上為微風(fēng)化花崗巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，風(fēng)化球內(nèi)部一般無(wú)裂隙，表面僅有幾厘米厚風(fēng)化層薄殼；余下不到三分之一的孤石成分為中風(fēng)化花崗巖，與微風(fēng)化花崗巖相比，孤石在強(qiáng)度和完整性上稍差。

圖2 孤石風(fēng)化程度統(tǒng)計(jì)Fig.2 Degree of weathering statistics of the solitary stones of granite

2.2 孤石分布地層

花崗巖地區(qū)正常的風(fēng)化層序一般是:殘積土—全風(fēng)化—強(qiáng)風(fēng)化—中等風(fēng)化—微風(fēng)化—未風(fēng)化，由于孤石的發(fā)育，往往改變這種風(fēng)化規(guī)律。圖3是深圳地區(qū)孤石分布地層統(tǒng)計(jì)結(jié)果，花崗巖孤石在殘積層、全風(fēng)化層、強(qiáng)風(fēng)化層和中風(fēng)化層中均發(fā)育，但從發(fā)育頻率上看，主要發(fā)育在強(qiáng)風(fēng)化層中，在殘積層和全風(fēng)化層中出現(xiàn)頻率相當(dāng)，中風(fēng)化層出現(xiàn)很少。殘積土和風(fēng)化層中發(fā)育的孤石，破壞了花崗巖風(fēng)化剖面的相對(duì)均勻性，給工程設(shè)計(jì)和施工增加了難度。

圖3 孤石分布地層統(tǒng)計(jì)Fig.3 Statistic distribution of strata of the solitary stones of granite

2.3 孤石層頂埋深和分布高程

孤石的層頂分布直接影響著建筑物的布置和施工工藝，從圖4孤石層頂埋深統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，深圳地區(qū)孤石層頂埋深近似呈正態(tài)分布:孤石層頂埋深在10.00～20.00m區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)頻率最高，接近40%，在這個(gè)區(qū)間段以上和以下，孤石層頂埋深出現(xiàn)頻率逐漸降低。由于城市建設(shè)的影響，原始地形經(jīng)常發(fā)生變化，孤石層頂埋深的統(tǒng)計(jì)規(guī)律也受到影響，因此對(duì)孤石層頂分布高程的調(diào)查具有重要的工程意義。圖5是孤石層頂分布高程統(tǒng)計(jì)圖，由圖5可以發(fā)現(xiàn)，深圳地區(qū)孤石層頂分布高程主要在40.00～70.00m區(qū)間內(nèi)，出現(xiàn)頻率接近40%，在此高程段以上出現(xiàn)的頻率較低，在此高程段以下出現(xiàn)的頻率較為均勻，平均為17%。

圖4 孤石層頂埋深統(tǒng)計(jì)Fig.4 Depth of the top layer of the solitary stones of granite

圖5 孤石層頂分布高程統(tǒng)計(jì)Fig.5 Distribution of the top layer elevation of the solitary stones of granite

2.4 孤石揭示厚度

從目前開(kāi)挖揭露大量的孤石形態(tài)看，風(fēng)化球往往具有近似橢球形外觀，兩頭豎向高度較小，往中部發(fā)展豎向高度變大；風(fēng)化球在風(fēng)化層中賦存時(shí)，其長(zhǎng)軸面并不都是水平的，有時(shí)呈傾斜分布。所以鉆孔所揭示的風(fēng)化球的豎向球徑不能認(rèn)為是風(fēng)化球的最大豎向長(zhǎng)度，但是由于本次統(tǒng)計(jì)分析過(guò)程中采用了相同的勘探方法得到的數(shù)據(jù)，故以鉆孔揭示的豎向球徑作為風(fēng)化球的“厚度”進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，仍然能從總體上反應(yīng)其大小的變化特征。

本次統(tǒng)計(jì)的854個(gè)風(fēng)化球的“厚度”數(shù)據(jù)中，最小值為0.15m，最大值為12.40m，其中“厚度”小于2.50m的孤石占80%，超過(guò)5.00m的孤石只占4%，說(shuō)明深圳地區(qū)大部分孤石的“厚度”不超過(guò)2.50m(圖6)。

圖6 孤石揭示厚度統(tǒng)計(jì)Fig.6 Reveal thickness of the solitary stones of granite

2.5 孤石發(fā)育層數(shù)

由于花崗巖地層的復(fù)雜性和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的多期性，風(fēng)化球的地下分布往往具有分層性，野外鉆探統(tǒng)計(jì)結(jié)果揭示最多孤石發(fā)育層數(shù)為7層，但大多發(fā)育1層，占比達(dá)66%，發(fā)育2層的占19%，發(fā)育3層的占9%，發(fā)育4層的占4%，發(fā)育超過(guò)4層的不超過(guò)3%。因此，深圳地區(qū)的孤石發(fā)育以1層和2層為主。

3 結(jié)論和建議

(1)深圳地區(qū)三分之二以上的花崗巖孤石成分為微風(fēng)化花崗巖，中風(fēng)化花崗巖不到三分之一。

(2)深圳地區(qū)花崗巖孤石60%以上分布在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層中，30%在殘積層和全風(fēng)化層中，中風(fēng)化層出現(xiàn)很少。

(3)深圳地區(qū)花崗巖孤石層項(xiàng)埋深集中在10.00～20.00m范圍內(nèi)，層頂分布高程主要在40.00～70.00m區(qū)間內(nèi)，兩者出現(xiàn)頻率均接近40%。

(4)深圳地區(qū)80%的孤石揭示“厚度”不超過(guò)2.50m。

(5)深圳地區(qū)三分之二花崗巖孤石主要發(fā)育1層，隨著發(fā)育層數(shù)的增多，出現(xiàn)頻率銳減。

由于鉆探只能對(duì)地下風(fēng)化球的發(fā)育情況、風(fēng)化球的賦存特征從豎向剖面上進(jìn)行揭示，而不能反映其橫向分布信息，因而就無(wú)法還原立體的球狀風(fēng)化體的真實(shí)分布狀況。因此，創(chuàng)新孤石探測(cè)方法和三維表現(xiàn)形式，加強(qiáng)球狀風(fēng)化成因的基礎(chǔ)理論研究，將是準(zhǔn)確探定孤石的努力方向。

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