海南省文瓊高速公路花崗巖路段工程地質(zhì)特征研究

張俊烽，張建根，孟慶林，劉國權(quán)

（天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市300051）

海南省文瓊高速公路花崗巖路段工程地質(zhì)特征研究

張俊烽，張建根，孟慶林，劉國權(quán)

（天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市300051）

花崗巖風(fēng)化巖與花崗巖殘積土是工程地質(zhì)勘察中一種常見的特殊性巖土。根據(jù)文瓊高速公路工程地質(zhì)勘察中所揭示的地層情況，將鉆探巖芯野外鑒別與原位測試相結(jié)合的方法對地層進(jìn)行劃分是較為合理的。對花崗巖殘積土遇水物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著變化及花崗巖風(fēng)化巖的不均勻性進(jìn)行論述，分析了形成原因，就公路路基、邊坡、樁基等工程在設(shè)計(jì)與施工中所遇到的工程地質(zhì)問題提出了建議和處治方案。

花崗巖殘積土；花崗巖風(fēng)化巖；球狀風(fēng)化（孤石）；不均勻性；樁基

0　引言

海南省文昌至瓊海高速公路工程位于海南省東北部，路線走廊帶基本呈東北、西南走向。該項(xiàng)目北接現(xiàn)狀海文高速公路，南接現(xiàn)狀東線高速公路，是文昌與中、南部市縣連接的快速通道，是海南東線旅游通道的重要組成部分。項(xiàng)目地理位置見圖1。

圖1　項(xiàng)目區(qū)地理位置

1　地質(zhì)概況

1.1地形地貌

海南島地形為一穹形山體，四周低平，中間高聳，向外圍逐級下降，由山地、丘陵、臺地、平原構(gòu)成環(huán)形層狀地貌，梯級結(jié)構(gòu)明顯。項(xiàng)目區(qū)地處海南島東北部的文昌市和瓊海市境內(nèi)，地形總體由內(nèi)陸向海區(qū)緩傾，地貌單元以剝蝕波狀平原地貌為主。

1.2地質(zhì)構(gòu)造

擬建高速公路所處的大地構(gòu)造位置為九所-陵水?dāng)嗔阎镣跷?文教斷裂之間的地區(qū)，系華南褶皺系五指山褶皺帶。工程沿線近場的區(qū)域斷裂主要有東西向的王五-文教斷裂、昌江-瓊海斷裂。昌江-瓊海斷裂在線路西南部中心里程K50+500處通過；王五-文教斷裂在線路起點(diǎn)北部7 km處通過。兩斷裂新構(gòu)造運(yùn)動以來未發(fā)現(xiàn)活動跡象，對該公路工程建設(shè)影響較小。項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)構(gòu)造見圖2。

圖2　項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖

2　巖土工程特性

2.1花崗巖殘積土

殘積土是新鮮巖石在物理風(fēng)化作用和化學(xué)風(fēng)化作用下形成的物質(zhì)，也可稱為風(fēng)化殘留物，其特點(diǎn)是保持在原巖所在的位置，未經(jīng)水平搬運(yùn)。

花崗巖殘積土在項(xiàng)目區(qū)揭示較為普遍，且風(fēng)化界線變化很大，受地形、地下水位及風(fēng)化巖裂隙等因素的影響，揭示厚度變化很大，具有遇水軟化、崩解的特點(diǎn)，對樁基及路基工程有較大影響。根據(jù)含礫及含砂量的多少劃分為黏性土、砂質(zhì)黏性土、礫質(zhì)黏性土，見表1。

表1　花崗巖殘積土分類表

2.1.1基本物理指標(biāo)的確定

土的含水量、相對密度、質(zhì)量密度是室內(nèi)直接測定的3個(gè)基本物理性指標(biāo)，其中花崗巖殘積土含水量的確定對評價(jià)其物理力學(xué)性質(zhì)非常重要。應(yīng)用常規(guī)試驗(yàn)方法做出的天然含水量往往會失真，計(jì)算得出的液性指數(shù)小于零，與土樣的實(shí)際軟硬狀態(tài)不符。按照《巖土工程勘察規(guī)范》規(guī)定，花崗巖殘積土液性指數(shù)的確定，應(yīng)確定其中細(xì)粒土（粒徑小于0.5mm）的天然含水量ωf、塑性指數(shù)IP、液性指數(shù)I1，試驗(yàn)應(yīng)篩去粒徑大于0.5mm的粗顆粒后再做。細(xì)粒土的天然含水量可通過試驗(yàn)實(shí)測和公式計(jì)算的方法得到。

2.1.2工程地質(zhì)問題及處理措施

勘察區(qū)花崗巖殘積土多呈可塑到硬塑狀態(tài)，在天然狀態(tài)下具有較好的結(jié)構(gòu)性，其承載力和抗剪強(qiáng)度較高，但受所含礦物成分及風(fēng)化時(shí)產(chǎn)生次生裂隙的影響，導(dǎo)致土體遇水時(shí)極易軟化崩解。

在路基工程中，花崗巖殘積土不宜直接作為路基填料用于填筑路基，地基處理時(shí)除需考慮土體本身物理力學(xué)性質(zhì)外還應(yīng)充分考慮沿線的水文地質(zhì)條件，一般路段可采用摻灰、加碎石等方法處理，對于現(xiàn)狀低洼、地下水發(fā)育、排水不暢路段必要時(shí)可采用摻灰、碎石加筋方法處理以保證路基穩(wěn)定與沉降，滿足工程要求。

該項(xiàng)目部分路段為土質(zhì)路塹邊坡，文獻(xiàn)［1］表明根據(jù)邊坡的破壞機(jī)理花崗巖殘積土邊坡破壞大致可分為滑移破壞和崩塌破壞兩大類，兩種破壞形式主要原因均為外來水體侵入土體導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化所致。海南地區(qū)雨水充沛，路基邊坡設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用路基邊坡防護(hù)與排水措施相結(jié)合的綜合設(shè)計(jì)，避免邊坡破壞。施工時(shí)應(yīng)連續(xù)施工并做好臨時(shí)防護(hù)和排水措施，避免土體受雨水長期沖刷和浸泡導(dǎo)致強(qiáng)度降低。

覆蓋層較厚路段的橋梁樁基可用花崗巖殘積土作為樁基工程的持力層。從本次勘察揭示地層顯示，同一巖性的殘積土，淺部殘積土含水量較下部低，以可塑到硬塑狀態(tài)為主，呈中到低壓縮性；以下地層含水量增高，多呈可塑狀態(tài)，強(qiáng)度稍低，呈中到高壓縮性；到達(dá)一定深度后，因風(fēng)化程度的減弱過渡為硬塑到堅(jiān)硬狀態(tài)，呈低壓縮性。其主要原因是勘察區(qū)常年雨量較多，氣溫較高，屬濕熱氣候，淺部殘積土因受雨水的淋濾作用富含礦物成分，形成網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)，使土體膠結(jié)狀態(tài)良好。因同一巖性的土層不同深度強(qiáng)度不一，在樁基側(cè)摩阻力及端阻力參數(shù)的選取時(shí)，應(yīng)根據(jù)物理力學(xué)指標(biāo)及殘積土中風(fēng)化碎屑物質(zhì)含量的多少進(jìn)行分層評價(jià)。隨著深度的加深樁端土層的風(fēng)化強(qiáng)度減弱，風(fēng)化殘余的巖石碎屑及礦物顆粒也相應(yīng)增加。為確保樁端土層的承載力得以充分發(fā)揮，樁基設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制清低系數(shù)，避免因樁端沉渣過厚導(dǎo)致樁基承載力降低。

2.2花崗巖風(fēng)化巖

花崗巖屬火成巖，主要礦物成分是長石和石英，在工程沿線普遍分布，勘察區(qū)內(nèi)共揭示3個(gè)不同時(shí)代的花崗巖?；鶐r由淺至深基本按全風(fēng)化—強(qiáng)風(fēng)化—中風(fēng)化的風(fēng)化規(guī)律過度，但受巖石礦物抗風(fēng)化能力不同、巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造及裂隙發(fā)育強(qiáng)度不同的影響，風(fēng)化程度也表現(xiàn)出不均勻性和不連續(xù)性，如全風(fēng)化層中夾強(qiáng)風(fēng)化，強(qiáng)風(fēng)化層中夾中風(fēng)化、殘積土，全風(fēng)化層中含球狀風(fēng)化（孤石）等。

2.2.1劃分準(zhǔn)則

花崗巖殘積土及風(fēng)化程度的劃分按照《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）規(guī)定，采用巖土野外特征與原位測試相結(jié)合的方法，原位測試主要以標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)為主，也可采用圓錐動力觸探原位測試、波速測試，或根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)進(jìn)行劃分，見表2。

表2　風(fēng)化巖與殘積土劃分表

2.2.2巖性特征

（1）全風(fēng)化巖

全風(fēng)化巖石是巖石受強(qiáng)烈的物理、化學(xué)風(fēng)化作用形成硬塑到堅(jiān)硬狀黏性土或密實(shí)狀砂土。在項(xiàng)目區(qū)內(nèi)連續(xù)分布，但均勻性差，厚度變化較大，主要表現(xiàn)為微丘頂部風(fēng)化層較厚，山腳及平坦處厚度較薄。其特點(diǎn)是巖石顏色完全發(fā)生變化，多含黃褐色結(jié)核，造巖礦物因風(fēng)化發(fā)生變異，巖石強(qiáng)度較低，局部在外觀上保持原巖結(jié)構(gòu)，用手可折斷、可捏碎。

（2）強(qiáng)風(fēng)化巖

巖體受區(qū)域構(gòu)造、節(jié)理裂隙發(fā)育程度不同影響強(qiáng)風(fēng)化巖石的結(jié)構(gòu)及性狀較為復(fù)雜。項(xiàng)目區(qū)內(nèi)強(qiáng)風(fēng)化巖巖體結(jié)構(gòu)多以碎裂結(jié)構(gòu)和散體結(jié)構(gòu)為主，碎裂結(jié)構(gòu)巖體芯樣一般呈碎塊狀、碎屑狀，塊徑小于5cm，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體破碎，難以取得完整巖芯。散體結(jié)構(gòu)巖體芯樣一般呈角礫狀、礫砂狀，節(jié)理裂隙極其發(fā)育，巖體很破碎。強(qiáng)風(fēng)化巖風(fēng)化帶的埋深及厚度變化很大，部分地段揭示其風(fēng)化的不均勻性和不連續(xù)性較為普遍，主要表現(xiàn)為砂狀強(qiáng)風(fēng)化與塊狀強(qiáng)風(fēng)化交替出現(xiàn)及強(qiáng)風(fēng)化層中夾厚度不均埋深確定的中風(fēng)化夾層。見圖3～圖5。

圖3　碎屑狀、砂狀強(qiáng)風(fēng)化巖芯照片

圖4　碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖芯照片

圖5　強(qiáng)風(fēng)化層中不均勻風(fēng)化巖芯照片

（3）中風(fēng)化巖

中風(fēng)化巖其巖體結(jié)構(gòu)僅有部分破壞，但較強(qiáng)風(fēng)化巖少，巖芯一般呈碎塊狀與柱狀，節(jié)理裂隙面產(chǎn)生次生礦物，巖石堅(jiān)硬程度較高，敲擊聲清脆，巖芯不易擊碎。項(xiàng)目區(qū)內(nèi)中風(fēng)化巖分布廣泛，巖體結(jié)構(gòu)一般為塊狀結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu)，巖體較破碎，承載力高，是較好的樁基持力層。但由于上伏強(qiáng)風(fēng)化層較大的風(fēng)化差異性和不均勻性，中風(fēng)化層界面變化很大，部分地段揭示同一橋區(qū)相鄰墩位揭示深度相差超過10m，其形成原因是區(qū)域斷裂形成的次生破碎帶及囊狀風(fēng)化體。中風(fēng)化巖同樣有局部風(fēng)化的不均勻性，主要表現(xiàn)為碎裂結(jié)構(gòu)巖體中的中風(fēng)化巖石夾有薄層狀強(qiáng)風(fēng)化軟弱層，原因是碎裂結(jié)構(gòu)巖體中的結(jié)構(gòu)面發(fā)育較多且錯(cuò)綜復(fù)雜，形成了良好的地下水通道，有利于水體的侵入加速巖石的化學(xué)風(fēng)化，產(chǎn)生風(fēng)化差異。見圖6。

圖6　中風(fēng)化層中軟弱夾層巖芯照片

（4）球狀風(fēng)化（孤石）

花崗巖球狀風(fēng)化是花崗巖地區(qū)常見的一種地層不均勻現(xiàn)象，又稱為孤石。球狀風(fēng)化多見于花崗巖殘積土地層中，分布無規(guī)律，其存在不符合地層由殘積土—全風(fēng)化—強(qiáng)風(fēng)化—中風(fēng)化—微風(fēng)化—未風(fēng)化的風(fēng)化規(guī)律［2］。項(xiàng)目區(qū)揭示地層顯示球狀風(fēng)化體最小厚度0.5m，最大厚度達(dá)3.5m，揭示鉆孔勘察深度內(nèi)多為單層分布，個(gè)別鉆孔揭示到兩層球狀風(fēng)化體。其外部一般被較薄的強(qiáng)風(fēng)化層薄殼包裹，內(nèi)部多為中風(fēng)化到微風(fēng)化，球狀風(fēng)化體內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育較少，巖芯多為柱狀，巖質(zhì)堅(jiān)硬，不易被穿透。球狀風(fēng)化賦存于殘積土層中，且多埋藏于地面以下較深處，對工程的影響主要體現(xiàn)在樁基工程中，見圖7。

圖7　殘積土中的球狀風(fēng)化（孤石）巖芯照片

2.2.3對樁基工程的影響及處理措施

結(jié)合該工程路線縱斷面圖與花崗巖風(fēng)化巖各風(fēng)化帶的揭示界面，其不均勻性、差異風(fēng)化等特性對工程的影響主要集中在樁基工程中，且以強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖中的差異風(fēng)化及球狀風(fēng)化最為顯著。

（1）強(qiáng)風(fēng)化巖層的不均風(fēng)化對樁基工程有較大影響，樁基參數(shù)選取時(shí)，根據(jù)巖體的破碎程度、裂隙的發(fā)育程度及巖芯的性狀，劃分為碎屑狀、砂狀及碎塊狀兩個(gè)亞層。兩個(gè)亞層的樁基參數(shù)存在較大區(qū)別，樁基設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)巖性特征選擇合理的樁基參數(shù)，不能簡單劃為一層進(jìn)行樁基計(jì)算。砂狀強(qiáng)風(fēng)化與塊狀強(qiáng)風(fēng)化地層交界處地質(zhì)條件較為復(fù)雜，交界處可能存在的延伸至較深處的較大裂隙，施工中易導(dǎo)致泥漿流失，樁基工程應(yīng)充分重視，遇此情況可用塊石、片石加黏性土回填封堵漏漿通道沖擊密實(shí)后再進(jìn)行施工。

（2）中風(fēng)化基巖巖石強(qiáng)度和承載力較高，可作為橋梁樁基的持力層，在該工程中多按端承型樁基考慮。中風(fēng)化界面起伏較大，突變情況時(shí)有發(fā)生，局部橋區(qū)相鄰墩位揭示為陡直變化，以其作為持力層必須保證樁基全斷面嵌入基巖，樁基設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)界面的起伏調(diào)整嵌巖深度，避免樁底出現(xiàn)軟硬不均現(xiàn)象，導(dǎo)致沉降不均。對于強(qiáng)風(fēng)化層中的中風(fēng)化夾層，其厚度不均，為不穩(wěn)定巖層，應(yīng)與中風(fēng)化基巖區(qū)別對待，不能作為樁基持力層，樁基設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將其穿透，直至進(jìn)入穩(wěn)定連續(xù)中風(fēng)化基巖。

（3）球狀風(fēng)化（孤石）與中風(fēng)化花崗巖有著本質(zhì)區(qū)別。球狀風(fēng)化是土層中孤立的硬質(zhì)風(fēng)化體，上下軟，中間硬，且其實(shí)際大小及空間形態(tài)僅憑鉆探是無法確定的；中風(fēng)化巖層具有一定深度的連續(xù)性，是相對穩(wěn)定的巖體。樁基工程中不能將孤石誤判為中風(fēng)化基巖作為樁基持力層，樁基必須將其穿透［3］。孤石多揭示于殘積土中，沒有風(fēng)化層次的過渡，屬地層突變現(xiàn)象。中風(fēng)化巖層是地層由淺至深風(fēng)化程度從強(qiáng)到弱變化的結(jié)果，只要在施工中加強(qiáng)成孔監(jiān)控，對成孔進(jìn)度、芯樣進(jìn)行比對分析，就不會將孤石層誤判為中風(fēng)化巖層。

3　結(jié)論

（1）花崗巖殘積土是該項(xiàng)目揭示的一種特殊性巖土，勘察區(qū)內(nèi)廣泛分布，其遇水軟化、崩解的特性對路基及邊坡工程穩(wěn)定性有一定影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用防護(hù)與防水、排水相結(jié)合的治理措施。

（2）花崗巖殘積土與風(fēng)化巖的劃分按標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)與鉆探相結(jié)合的方法進(jìn)行判別，也可采用動力觸探、波速測試或根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)劃分。

（3）花崗巖風(fēng)化巖的不均勻性在勘察區(qū)內(nèi)主要表現(xiàn)為強(qiáng)風(fēng)化層與中風(fēng)化層中的風(fēng)化不連續(xù)導(dǎo)致的軟硬不均現(xiàn)象及殘積土中含球狀風(fēng)化（孤石）等。樁基設(shè)計(jì)與施工時(shí)應(yīng)準(zhǔn)確判斷穩(wěn)定持力層與以上特殊地質(zhì)地層的區(qū)別，確保樁基進(jìn)入穩(wěn)定基巖保證工程安全，地層變化較大時(shí)可采用施工超前鉆方法確定持力層。

［1］ 阮林龍，葉興軍.花崗巖殘積土邊坡破壞及防護(hù)［J］.巖土工程界，2009（12）：61-64.

［2］工程地質(zhì)手冊編委會.工程地質(zhì)手冊（第四版）［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［3］曾權(quán)信， 曾嘉榮， 張化俏. 花崗巖球狀風(fēng)化的工程勘察和處理措施探討［J］.廣州建筑，2013（3）：32-34.

U412.2

B

1009-7716（2015）01-0034-04

2014-10-08

張俊烽（1980-），男，貴州金沙人，工程師，主要從事巖土工程勘察與檢測工作。