花崗巖風(fēng)化土工程特性研究

李宏文

（重慶交通大學(xué)， 重慶 400074）

0 引言

花崗巖風(fēng)化土中粗顆粒含量多，裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)疏松，力學(xué)特性受水影響大?；◢弾r風(fēng)化土因其風(fēng)化程度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響各有差異，首先其巖體具有原巖的特征且未經(jīng)二次堆積，其穩(wěn)定性特征明顯區(qū)別于均質(zhì)土邊坡和巖石邊坡，所以對(duì)花崗巖風(fēng)化土工程特性的研究就顯得尤為重要。

本文從風(fēng)化花崗巖的形成特點(diǎn)開始，對(duì)花崗巖風(fēng)化帶的劃分進(jìn)行研究；同時(shí)，結(jié)合已有的研究成果對(duì)風(fēng)化花崗巖邊坡上層的花崗巖風(fēng)化土的工程特性進(jìn)行研究。

1 風(fēng)化花崗巖形成特點(diǎn)及風(fēng)化帶劃分

1.1 風(fēng)化花崗巖形成特點(diǎn)

花崗巖(Granite)是大陸地殼的組成部分，是在地表下巖漿凝結(jié)形成的火成巖，屬于巖漿巖中酸性的侵入巖，其組成以石英、鉀長(zhǎng)石和酸性斜長(zhǎng)石為主，其結(jié)構(gòu)致密、質(zhì)地堅(jiān)硬、耐酸堿性好、抗壓強(qiáng)度高和吸水率低?；◢弾r的巖石類型有：黑云母花崗巖、二長(zhǎng)花崗巖和花崗閃長(zhǎng)巖。

巖石風(fēng)化作用有生物風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化和物理風(fēng)化，其中黑云母的風(fēng)化形式較多，主要蝕變成伊利石和鐵錳礦物，由黑云母風(fēng)化產(chǎn)生的蛭石或高嶺石使花崗巖的強(qiáng)度降低并使花崗巖的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞?；◢弾r中長(zhǎng)石的風(fēng)化主要以液相狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)重組為主，在水的作用下長(zhǎng)石及其風(fēng)化物隨介質(zhì)溶液下滲或者流失，當(dāng)溶液達(dá)到一定濃度是則生成高嶺石、蒙脫石或伊利石。同時(shí)，花崗巖中長(zhǎng)石的風(fēng)化會(huì)增加地表的滲透性，同時(shí)下滲的溶液生成的高嶺石，并使下層的花崗巖強(qiáng)度降低，造成花崗巖的結(jié)構(gòu)破壞?；◢弾r風(fēng)化土的X衍射結(jié)果中，花崗巖風(fēng)化物主要以石英、長(zhǎng)石、高嶺石、蒙脫石、伊利石及方解石組成，調(diào)查中發(fā)現(xiàn)華東、華南地區(qū)由于風(fēng)化程度及花崗巖組成上的差異，使花崗巖的風(fēng)化土中礦物含量也有所差異，在掃描電鏡結(jié)果中石英表面被泥質(zhì)包裹并呈圓狀結(jié)構(gòu)，斜長(zhǎng)石蝕變成高嶺石呈書頁(yè)狀和蠕蟲狀，鉀長(zhǎng)石蝕變成伊利石呈葉片狀[2]。尚彥軍等[3]發(fā)現(xiàn)隨花崗巖風(fēng)化程度的增加，風(fēng)化土中長(zhǎng)石含量減少，粘土礦物含量和微孔隙率增加；從微觀角度對(duì)其化學(xué)成分的改變中，可以認(rèn)為風(fēng)化過程是 SiO2大量流失， Al2O3和游離鐵的氧化物含量相對(duì)增加。

巖體的球狀風(fēng)化是因受到三維裂隙控制形成帶棱角的巖石，裸露的巖石在風(fēng)化作用下發(fā)生棱角破壞而形成曲面[4]；裸露的花崗巖風(fēng)化巖石一般都呈現(xiàn)球狀風(fēng)化，即裸露的花崗巖棱角中角部受到三個(gè)方向的風(fēng)化作用，而棱邊受到兩個(gè)方向的風(fēng)化，面狀部分受到單方向的風(fēng)化作用?；◢弾r巖體受斷裂裂隙影響，存在多組剪性節(jié)理，其中較為破碎部分更易風(fēng)化，節(jié)理較為完整部分的巖石則被保留，所以花崗巖風(fēng)化土中保留了原巖的基本結(jié)構(gòu)，同時(shí)風(fēng)化過程中形成的粘土礦物又具有土的特性。

1.2 花崗巖風(fēng)化帶劃分

花崗巖風(fēng)化土是花崗巖在地質(zhì)作用和風(fēng)化作用下形成的具有特殊工程特性的土，其工程分類方法和依據(jù)都各有差異。國(guó)外對(duì)于巖石風(fēng)化殼的分類研究起步較早，1976年Dearman對(duì)風(fēng)化殼分帶的研究中將風(fēng)化殼分為Ⅵ殘積土、Ⅴ全風(fēng)化、Ⅳ強(qiáng)風(fēng)化、Ⅲ弱風(fēng)化、Ⅱ微風(fēng)化和Ⅰ原巖。T．Y．Irfan（1996）[5]對(duì)Ruxton&Berry（1957）、Dearman（1976）、Anon（1981）、GCO（1998）關(guān)于花崗巖風(fēng)化殼分帶的研究成果進(jìn)行了總結(jié)。

國(guó)內(nèi)學(xué)者依據(jù)自身的研究成果，對(duì)其劃分方法也進(jìn)行了更深層次的研究，其定量評(píng)價(jià)方法中較為常見的是多指標(biāo)分類方法。郭欣（1997）[6]認(rèn)為花崗巖風(fēng)化帶的劃分應(yīng)有宏觀的地質(zhì)特征描述和定量指標(biāo)，其研究中將花崗巖風(fēng)化帶劃分為：全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化、微風(fēng)化和新鮮巖基。劉靚（2003）[7]采用定量的評(píng)價(jià)指標(biāo)，將華南風(fēng)化花崗巖按其定量指標(biāo)劃分為微風(fēng)化、弱風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、全風(fēng)化和殘積土；

2 花崗巖風(fēng)化土工程特性研究

花崗巖在風(fēng)化作用下出現(xiàn)風(fēng)化變質(zhì)現(xiàn)象，且形成較大的風(fēng)化厚度，垂直分帶明顯，水平方向分布均勻穩(wěn)定，但其風(fēng)化物隨風(fēng)化程度的增加與母巖呈現(xiàn)相反的工程特性。本文將從花崗巖風(fēng)化土的物理特性、力學(xué)特性和巖土特性三個(gè)方面對(duì)花崗巖風(fēng)化土的工程特性進(jìn)行研究。

[59]Chi-shad Liang, Burma’s Foreign Relations: Neutralism in Theory and Practice, New York: Praeger, 1990, p.64.

2.1 花崗巖風(fēng)化土的物理特性

花崗巖風(fēng)化土因其風(fēng)化程度和礦物組成的不同，其物理性質(zhì)呈現(xiàn)較大差異。本文對(duì)于花崗巖風(fēng)化土的物理特性主要從其顆粒組成、界限含水率和壓實(shí)特性等方面進(jìn)行分析。

花崗巖風(fēng)化土的顆粒組成中粗顆粒主要以花崗巖風(fēng)化碎屑為主，細(xì)小顆粒主要以粘性土類為主，并且在天然狀態(tài)下花崗巖風(fēng)化土的孔隙比、透水性和顆粒粒徑呈現(xiàn)自上而下逐漸增大的趨勢(shì)，其顏色也因風(fēng)化程度的增加而變深。劉勝娥等[8]發(fā)現(xiàn)海南花崗巖殘積土的土顆粒分布表現(xiàn)為中間粒徑0.5～0.075mm（細(xì)砂、中砂）含量相對(duì)較低，但其粗、小粒徑組顆粒含量相對(duì)較高，呈現(xiàn)出“兩頭大，中間小”的特點(diǎn)。

花崗巖風(fēng)化土的界限含水率可反映出風(fēng)化土所處的狀態(tài)和塑性能力。肖紅兵（2016）[9]發(fā)現(xiàn)試樣的取土地點(diǎn)和深度對(duì)其 Wp和 WL影響很大，但總體上表現(xiàn)為其上部土層的 Wp和 WL大于下部土層，IP也表現(xiàn)出隨深度的增加而減小，所以其研究也反映出花崗巖風(fēng)化土分布上的不均勻性；上部土層的風(fēng)化程度大于下部土層的風(fēng)化程度，且淺層風(fēng)化土表現(xiàn)出粘性土的特點(diǎn)，較深處的土層表現(xiàn)出粉土的特性。

花崗巖風(fēng)化土的壓實(shí)特性與風(fēng)化土的最大干密度和最佳含水率有關(guān)。當(dāng)花崗巖殘積土的含水量一定時(shí)細(xì)粒含量較大時(shí)其壓實(shí)性能較弱，反之則較強(qiáng)。同時(shí)，花崗巖風(fēng)化土的抗剪強(qiáng)度隨壓實(shí)度的增大而增大，但土顆粒間的引力則減小[10]。

2.2 花崗巖風(fēng)化土的力學(xué)特性

花崗巖風(fēng)化土的力學(xué)特性主要表現(xiàn)在其抗剪強(qiáng)度和承載能力，其風(fēng)化程度和顆粒組成等因素為影響其力學(xué)特性的內(nèi)在因素，而降雨、地震和施工等為影響其力學(xué)特性的外在因素。

從文獻(xiàn)[8]中對(duì)于花崗巖殘積土的 ρd-c曲線（干密度-粘聚力）、ρd-φ曲線（干密度-內(nèi)摩擦角），可看出隨花崗巖殘積土風(fēng)化程度增加其土中細(xì)顆粒的增多，土的干密度減小，花崗巖殘積土的抗剪強(qiáng)度減低主要表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角φ減小。同時(shí)，其風(fēng)化程度越高，細(xì)顆粒的含量越高，則土的膨脹性越高，其抗剪強(qiáng)度也會(huì)降低。

文獻(xiàn)[11]在不同含水量條件下的固結(jié)排水實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)花崗巖殘積土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)中粘聚力c的降低幅度是內(nèi)摩擦角φ降低幅度的30倍，且隨著土中含水量的增加使其粘聚力降低幅度加快，其原因是土中的粘土礦物與水發(fā)生作用而導(dǎo)致粘聚力降低，花崗巖殘積土中的內(nèi)摩擦角主要與土中粗顆粒的含量有關(guān)，所以土在水的作用下的軟化效應(yīng)十分顯著；花崗巖殘積土在相同壓實(shí)條件下，其變形模量與含水率呈反比，且其變形模量變化率增大呈加速變化的趨勢(shì)，所以花崗巖殘積土在水的作用下壓縮特性和強(qiáng)度降低且軟化效應(yīng)增強(qiáng)。

2.3 花崗巖風(fēng)化土的巖土特性

花崗巖風(fēng)化土因其成因與組成結(jié)構(gòu)的不同而具有特殊性，其獨(dú)特的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得其巖土特性十分突出，如軟化和崩解特性、不均勻性和各向異性、擾動(dòng)性等。

2.3.1 不均勻性和各向異性花崗巖由不均勻分布的巖脈組成，包括二長(zhǎng)巖脈、煌斑巖脈、石英巖脈等，其石英巖脈風(fēng)化能力弱，二長(zhǎng)、煌斑巖脈等的風(fēng)化能力強(qiáng)，故前者在風(fēng)化土中形成硬化層，后者則形成軟弱夾層，由此形成的裂隙對(duì)風(fēng)化花崗巖邊坡的穩(wěn)定性起決定性作用。同時(shí)，由于地質(zhì)和氣候條件的差異，花崗巖風(fēng)化程度和風(fēng)化階段的不同，以及土的膨脹和臨空面形成等原因，風(fēng)化花崗巖邊坡的風(fēng)化土結(jié)構(gòu)組成和次生裂隙的分布也有所差異。

張文華[12]從其1990年開始對(duì)花崗巖殘積土邊坡的調(diào)查中認(rèn)為花崗巖殘積土邊坡的變形失穩(wěn)不同于一般粘性土質(zhì)邊坡，在其45例失穩(wěn)邊坡中由于風(fēng)化土不均勻性及各向異性的原因造成的邊坡失穩(wěn)案例占79%，崩崗占17%，其發(fā)生圓弧式滑動(dòng)破壞的只占少數(shù)，故花崗巖殘積土以原生和次生裂隙而產(chǎn)生的變形破壞為主。

2.3.2 軟化和崩解特性

花崗巖殘積土的軟化特性指因含水量的增加，風(fēng)化土層的抗剪強(qiáng)度降低、壓縮性增大的特性。因花崗巖殘積土中的膠結(jié)物溶于水中，使得花崗巖殘積土的粘聚力發(fā)生急劇降低。張永波（1997）[13]認(rèn)為風(fēng)化土中的含水量影響土體顆粒間起膠結(jié)作用的游離氧化物的含量，而引起花崗巖殘積土的軟化和承載能力降低，其試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)土中游離氧化物的含量從6.67%降低到5.28%，使得殘積土的強(qiáng)度降低7%左右。

崩解指花崗巖殘積土在水中呈散粒狀、片狀、塊狀和粒狀等現(xiàn)象，并且出現(xiàn)掉、剝、崩、落的現(xiàn)象[14]。土的崩解一般都是由于土中的粘性礦物溶于水，使土顆粒間的膠結(jié)作用喪失，土體結(jié)構(gòu)之間的斥力超過吸力，產(chǎn)生應(yīng)力集中而瓦解的物理過程。一般產(chǎn)生崩解需以下條件：土體中的膠結(jié)物易溶于水，土中存在水的滲流通道，土顆粒間的膠結(jié)被水破壞后不可逆，臨空面存在。文獻(xiàn)[15]通過引入崩解速率指標(biāo)，對(duì)其崩解的結(jié)構(gòu)性機(jī)制進(jìn)行分析，認(rèn)為其崩解的根本原因是土的軟化，并將其崩解過程分為：擾動(dòng)性崩解、結(jié)構(gòu)性崩解和溶解性崩解。

2.3.3 擾動(dòng)性

花崗巖殘積土是一種結(jié)構(gòu)性很強(qiáng)的土，但有極強(qiáng)的擾動(dòng)性，因其結(jié)構(gòu)組成中砂礫碎屑含量較高，所以在進(jìn)行試驗(yàn)試樣切取或鉆探取樣時(shí)，土樣極易受到擾動(dòng)而破壞其結(jié)構(gòu)，使得其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低。花崗巖風(fēng)化土的擾動(dòng)一般有：機(jī)械擾動(dòng)、土樣應(yīng)力狀態(tài)的改變、試樣的結(jié)構(gòu)破壞。由于試樣受到擾動(dòng)，室內(nèi)試驗(yàn)所得的土的壓縮模量偏低，壓縮系數(shù)偏大，導(dǎo)致室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果不能很好的反映土的性質(zhì)。

3 結(jié)論

綜合分析可認(rèn)為花崗巖的風(fēng)化過程可概括為：第一階段，花崗巖巖體在地質(zhì)應(yīng)力作用下形成裂隙，將巖體分成花崗巖巖塊；第二階段，在風(fēng)化和外力作用下巖石形成微裂隙；第三階段，花崗巖巖石發(fā)生層狀剝離和分解，使得花崗巖進(jìn)入更深層次的風(fēng)化階段?？傮w上對(duì)于花崗巖風(fēng)化帶的劃分，按其風(fēng)化程度分為六類：Ⅵ花崗巖殘積土、Ⅴ全風(fēng)化花崗巖、Ⅳ強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、Ⅲ弱風(fēng)化花崗巖、Ⅱ微風(fēng)化花崗巖和Ⅰ花崗巖原巖。

花崗巖風(fēng)化土的顆粒組成呈現(xiàn)出“兩頭大，中間小”的特點(diǎn)，并表現(xiàn)出風(fēng)化和分布的不均勻性，使其工程特性區(qū)別于一般粘性土和砂質(zhì)土，其淺層風(fēng)化土的界限含水率表現(xiàn)出粘性土的特點(diǎn)，較深處的土層表現(xiàn)出粉土或砂性土的特點(diǎn)?；◢弾r風(fēng)化土的力學(xué)強(qiáng)度隨土中含水量和細(xì)小土顆粒的含量增大而降低，同時(shí)因其獨(dú)特的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得其巖土特性表現(xiàn)為不均勻性和各向異性、軟化和崩解特性、擾動(dòng)性等。