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

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化層的壓縮模量等物理指標差異性較大，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，從而對全風化花崗巖的力學性質(zhì)和變形特性進行分析和評價。綜合室內(nèi)試驗、標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，為設(shè)計、施工提供可靠的依據(jù)。

關(guān)鍵詞花崗巖全風化層旁壓試驗地基承載力變形模量

花崗巖風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?；◢弾r全風化層的結(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化層標貫數(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

花崗巖全風化層是經(jīng)物理化學風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]?；◢弾r全風化層的物理力學性質(zhì)、不均勻性及各向異性，導致花崗巖全風化結(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，花崗巖全風化層與一般的黏性土不同，因其石英砂礫的含量高，導致孔隙比較大，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指標及強度指標等往往不能反映實際的物理力學性質(zhì)；第三，花崗巖全風化層分布廣泛，具有區(qū)域性特點，無法采用通用的評判標準來對其研究。

1.2　花崗巖全風化層室內(nèi)實驗結(jié)果分析

花崗巖全風化層具有“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指標來得出地基承載力，首先分析室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)，通過分析其室內(nèi)各物理力學指標，來初步判斷該區(qū)域的花崗巖全風化的工程特性，從而初步分析其物理力學指標，統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1　花崗巖全風化層的物理力學指標統(tǒng)計值及地基承載力

分析表1的試驗數(shù)據(jù)，花崗巖全風化層各項物理指標離散性相當大，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，各項指標呈現(xiàn)出不匹配的地方，導致在確定其設(shè)計指標時比較困難。

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，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　花崗巖標準貫入試驗分析

砂類土中標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化的工程特性，本工程分析了大量的標準貫入試驗數(shù)據(jù)，對該區(qū)域花崗巖全風化帶進行定量研究，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化帶中的標貫試驗數(shù)據(jù)，并根據(jù)標貫試驗得出其承載力值。

隨著深度的遞增，標貫擊數(shù)逐漸增加，而當達到一定深度后，尤其在30 m以下全風化至強風化過渡帶，標貫技術(shù)擊數(shù)突增，一般多超過60擊。而且通過標貫分析可知，在5～10 m擊數(shù)偏小，標貫數(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，全風化層較厚，厚約5～30 m，地下水位埋深較淺。對全風化層如此之厚的區(qū)域，初擬以全風化巖為持力層，花崗巖全風化巖的工程特性及地基承載力和變形模量等指標對工程的影響性較大。首先分析土工試驗和標貫統(tǒng)計指標，根據(jù)相應(yīng)的行業(yè)規(guī)范，判斷該區(qū)段花崗巖全風化的承載力為350 kPa。但通過室內(nèi)試驗和標貫測試數(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。

2.1　現(xiàn)場試驗概述

本次旁壓試驗采用預鉆式結(jié)構(gòu)(如圖1)。預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　花崗巖全風化層旁壓試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2.3　花崗巖全風化層力學指標確定

通過對室內(nèi)試驗和標貫測試數(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、標貫擊數(shù)、旁壓試驗，根據(jù)試驗結(jié)果及曲線特征，依據(jù)國標及當?shù)匾?guī)范要求，建議花崗巖全風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，對花崗巖全風化層的工程特性進行了一定程度的研究，由于其物理力學性質(zhì)的復雜性和多變性，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。

參考文獻

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中圖分類號：P642

文獻標識碼：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(武漢)地質(zhì)工程專業(yè)，工學碩士，工程師。

收稿日期：2015-04-23