臨雙高速花崗巖殘積土物理力學(xué)特征探討

賀建濤，施 濤，樊亞紅，馮江林

（中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051）

1 引言

臨雙高速公路屬于云南省“十三五”規(guī)劃網(wǎng)第五縱的重要組成部分。項(xiàng)目的建設(shè)，對實(shí)施“興邊富民工程”、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、加強(qiáng)民族團(tuán)結(jié)、繁榮邊疆經(jīng)濟(jì)、保證邊疆地區(qū)穩(wěn)定、鞏固邊防、全面建成小康社會等，都具有十分重要的意義。

項(xiàng)目區(qū)位于云貴高原之西南邊緣，橫斷山脈南段，為怒江和瀾滄江河間地塊。高速公路沿線分布大面積花崗巖地層，花崗巖風(fēng)化殘積土分布廣泛，層厚較厚，變化差異大。為了滿足高速公路設(shè)計、施工要求，科學(xué)合理的設(shè)計施工，花崗巖殘積土的物理力學(xué)特征及其指標(biāo)界定成了勘察階段的重點(diǎn)工作。

花崗巖殘積土在世界范圍內(nèi)普遍存在，其作為《巖土工程勘察規(guī)范》里特殊性巖土的一部分，歷年來曾有很多業(yè)內(nèi)同行對其進(jìn)行了深入的研究。但由于其化學(xué)組成、顆粒大小、母巖裂隙發(fā)育程度以及分布位置的不同而導(dǎo)致各地區(qū)的殘積土力學(xué)性能差異性較大，且多具有地方特性。因此雖為同一類土，但卻不能照搬其它地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，必須通過本區(qū)內(nèi)實(shí)際勘察，研究總結(jié)出適合項(xiàng)目區(qū)應(yīng)用的物理力學(xué)指標(biāo)，方能為工程建設(shè)提供合理的參數(shù)依據(jù)。

為此，臨雙高速公路野外勘察時期，我們采用多種勘探方法、手段，以獲得項(xiàng)目區(qū)花崗巖殘積土準(zhǔn)確的指標(biāo)做了很多努力和工作，最終為設(shè)計提供了滿意、科學(xué)的參數(shù)。目前，高速公路正處于施工階段，所提參數(shù)的合理性已經(jīng)得到了驗(yàn)證。

2 自然地理背景

2.1 地形地貌

臨雙高速經(jīng)過的山區(qū)山高谷深，層巒迭嶂，氣勢雄偉，山間盆地繁星般地點(diǎn)綴其中，景觀綺麗。地勢總體上北高南低，沿線地形高差起伏大。項(xiàng)目區(qū)最高海拔1772.0m，最低海拔1444.0m，相對最大高差328.0m。項(xiàng)目區(qū)地形橫坡較陡、縱坡較陡，多為耕地和喬木林地，植被茂密。項(xiàng)目區(qū)地貌類型屬構(gòu)造-侵蝕、剝蝕型低中山地貌。

2.2 構(gòu)造運(yùn)動

項(xiàng)目區(qū)位于岡底期-念青唐古拉褶皺系—昌寧-勐連褶皺帶—臨滄-勐海褶皺束、勐省-東回褶皺束、勐統(tǒng)-南臘-西蒙褶皺束。從地質(zhì)力學(xué)的觀點(diǎn)分析項(xiàng)目區(qū)位于滇西經(jīng)向構(gòu)造帶（即三江經(jīng)向構(gòu)造帶），位于瀾滄江斷裂—南汀河斷裂之間區(qū)域，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。據(jù)調(diào)查，公路沿線內(nèi)及影響范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)活動斷層通過，項(xiàng)目區(qū)整體穩(wěn)定。

2.3 氣象、水文

項(xiàng)目區(qū)屬瀾滄江水系，氣候總體上屬南亞熱帶濕熱氣候類型，氣候垂直變化明顯，溫差變化大，雨季明顯，日照充足，氣候炎熱，雨季雨水較多。區(qū)域內(nèi)總體具有日照充足、夏無酷暑、冬無嚴(yán)寒、干濕季節(jié)分明、四季如春的氣候特點(diǎn)，年平均氣溫為17.2～18.5℃，最熱月平均氣溫21.2～22.9℃，最冷月平均氣溫10.6～11.7℃；年平均降雨量為970.7～1301.7mm。

項(xiàng)目區(qū)地形地貌復(fù)雜多變，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，氣候濕熱多雨，內(nèi)外動力作用影響下，形成了本區(qū)內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)特殊的、獨(dú)有的厚層花崗巖殘積土，以致勘察階段查明其物理力學(xué)指標(biāo)顯得尤為重要。

3 物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計分析

以臨雙高速公路馬鞍山大橋及橋梁引橋段挖方邊坡兩個工點(diǎn)為例，對花崗巖殘積土進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)評價。采用野外調(diào)查、鉆孔取芯、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、取樣室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場原位剪切試驗(yàn)等方法進(jìn)行，試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析如下所述：

3.1 野外調(diào)查

通過初期地質(zhì)測繪、走訪調(diào)查，項(xiàng)目區(qū)屬于濕熱地區(qū)，降雨量充沛，氣候溫和，植被茂密，淺表部風(fēng)化程度深，有少部分物質(zhì)經(jīng)過搬移，外加地表植被層的影響，其黏性物含量偏高，自然斜坡原始狀態(tài)下多處于穩(wěn)定狀態(tài)；而在人類活動頻繁區(qū)域，經(jīng)過開挖形成的未加固邊坡，旱季邊坡穩(wěn)定，錘擊較硬，不需加固便可穩(wěn)定，但到了雨季，經(jīng)過雨水沖刷、浸泡，其力學(xué)性能降低，大多形成坡面泥石流和大規(guī)?；?，嚴(yán)重制約地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展；地方建筑物多以該層作為淺基礎(chǔ)持力層，而荷載較重的則采用樁基礎(chǔ)，亦選該層作為摩擦樁側(cè)摩阻力層，由此可以看出花崗巖殘積土力學(xué)性能好，是良好的基礎(chǔ)持力層。

調(diào)查中還發(fā)現(xiàn)，花崗巖殘積土中多有風(fēng)化差異中風(fēng)化花崗巖包裹體，其直徑多在0.5～5m不等。降雨后大量地表水沿沖溝對殘積土進(jìn)行沖刷，將細(xì)小砂粒、黏性土帶走，殘留的中風(fēng)化花崗巖包裹體或風(fēng)化不全的殘積土作為骨架支撐，導(dǎo)致下部形成伏流通道，引起地面塌陷，沿沖溝方向形成多個地表陷坑，直徑約0.2～3.0米之間，可見深度0.2～6.0米，最大深度可達(dá)17.0米，以垂直下陷、下蝕為主，側(cè)向未見明顯位移開裂。此類不良地質(zhì)現(xiàn)象分布廣泛，樁基設(shè)計時需著重考慮，尤其在殘積土層較厚地區(qū)，樁基多采用摩擦樁，上部因伏流作用致使其不具備摩擦力效應(yīng)，設(shè)計時不應(yīng)考慮其摩擦力，甚至應(yīng)將其作為負(fù)摩阻力來考慮，以增加樁基承載的可靠性。

表2 顆粒分析成果統(tǒng)計表

表3 物理力學(xué)指標(biāo)成果統(tǒng)計表

經(jīng)對鉆孔巖芯、野外露頭進(jìn)行觀察，花崗巖殘積土中云母片含量占比較多，而石英、長石等礦物含量較少，這也是導(dǎo)致風(fēng)化產(chǎn)物黏粒含量多的主要因素之一，以致其物理力學(xué)性質(zhì)具有其特殊性質(zhì)。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)統(tǒng)計

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)適用于砂土、粉土和一般黏性土，花崗巖殘積土同時具備砂土及黏性土的特性，因此通過標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)可對其土的強(qiáng)度作出評價。根據(jù)現(xiàn)場鉆孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計如下表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)成果統(tǒng)計表

根據(jù)花崗巖殘積土的現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)貫入原位測試試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，其密實(shí)程度隨土層埋深逐漸增加，整體密實(shí)度屬中密，地基承載力好，如照經(jīng)驗(yàn)可初步提出承載力特征值為fak=350kPa。

3.3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)成果統(tǒng)計分析

通過鉆探取樣進(jìn)行室內(nèi)基本物理力學(xué)試驗(yàn)，統(tǒng)計結(jié)果見表2、3。

從以上兩個表格我們可以看出，花崗巖殘積土同時具備砂土、黏性土的特性，土樣室內(nèi)定名為粉砂、中砂、粉土、含黏性土粉砂、含黏性土中砂等等，總體上以粉質(zhì)黏土為主。造成這些差異主要取決于其母巖成分、顆粒組成、地質(zhì)構(gòu)造等，還跟外部環(huán)境密切相關(guān)。

花崗巖殘積土以粉土為密實(shí)評價指標(biāo)來評價，屬中密，含水量屬濕；塑性指數(shù)介于12～16之間，判別為粉質(zhì)黏土；液性指數(shù)平均值0.22，硬塑狀態(tài)；壓縮系數(shù)0.43，中壓縮性；直接剪切室內(nèi)c、φ值分別為60.6kPa和12.5°，力學(xué)指標(biāo)黏聚力較大，內(nèi)摩擦角偏小，與之前的定名為粉質(zhì)黏土呼應(yīng)，說明承載力還是以黏聚力為主，但根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，該片區(qū)粉質(zhì)黏土的內(nèi)摩擦角φ值多小于10°，說明殘積土中的未風(fēng)化的石英顆粒為φ值的提高起到了決定性作用，但上升值并不是特別明顯，又反應(yīng)出其顆粒粒徑普遍偏小、含量少、顆粒間咬合力差等。

3.4 現(xiàn)場原位直剪試驗(yàn)成果統(tǒng)計分析

出于室內(nèi)試驗(yàn)中土樣采樣過程、運(yùn)輸途中的擾動，指標(biāo)值有一定偏差，為了提供可靠的勘察成果參數(shù)，勘察階段我們采取了現(xiàn)場原位直剪試驗(yàn)，以便更準(zhǔn)確的提出設(shè)計所需參數(shù)。直剪試驗(yàn)現(xiàn)場照片見下圖1、2。

圖1 直剪試驗(yàn)現(xiàn)場

圖2 剪斷后試塊

試驗(yàn)選取兩個區(qū)進(jìn)行，每區(qū)進(jìn)行3組，每組4塊，每塊施加不同的垂向應(yīng)力σ，并采取剪應(yīng)力τ剪切直至破壞而得到一組數(shù)據(jù)，采用最小二乘法回歸分析計算c、φ值，如下圖所示3所示。

圖3 最小二乘法回歸分析

根據(jù)各試塊試驗(yàn)值最終得到如表4的成果統(tǒng)計表。

表4 直剪試驗(yàn)成果統(tǒng)計表

從表中成果分析可知，兩個試驗(yàn)區(qū)的花崗巖殘積土力學(xué)指標(biāo)差異較大，1區(qū)黏聚力平均值50.2kPa，內(nèi)摩擦角18.9kPa，而2區(qū)黏聚力平均值27.7kPa，內(nèi)摩擦角20.9kPa。經(jīng)過現(xiàn)場對剪斷試塊的觀察得出結(jié)論，試驗(yàn)2區(qū)風(fēng)化殘積物顆粒物明顯比試驗(yàn)1區(qū)多、大、硬，而試驗(yàn)1區(qū)的干強(qiáng)度和韌性高于試驗(yàn)2區(qū)。這兩組試驗(yàn)區(qū)間距約1.5km，由此可以說明，即使同處于臨雙高速沿線，由于組成成分的不同，最終其物理力學(xué)指標(biāo)亦有所差別，放眼全國，乃至全球花崗巖殘積土，是無法給出一個比較可靠、統(tǒng)一的力學(xué)指標(biāo)，只能通過地區(qū)經(jīng)驗(yàn)、實(shí)際勘察成果得到。

4 結(jié)論

通過對臨滄至雙江整條高速公路線路的花崗巖殘積土的勘察工作，針對性的對馬鞍山大橋及橋梁引橋段挖方邊坡的深入研究，我們對該區(qū)花崗巖殘積土的物理力學(xué)特征有了一個初步的認(rèn)識，主要認(rèn)識有以下內(nèi)容：

（1）全國乃至全球花崗巖地層分布廣泛，其化學(xué)成分、顆粒組成、顆粒大小、顆粒硬度、地質(zhì)構(gòu)造以及外界的氣候、植被、光照等等條件均有所不同且差異很大，造成其風(fēng)化殘積土的顆粒的組成、大小、硬度、磨圓度及黏性土的礦物組成、顆粒大小、黏粒含量等不同，進(jìn)而導(dǎo)致花崗巖殘積土的物理力學(xué)指標(biāo)差異較大。各地區(qū)、各項(xiàng)目應(yīng)根據(jù)實(shí)際勘察結(jié)論、地區(qū)經(jīng)驗(yàn)綜合評價，給定一個合理、經(jīng)濟(jì)的力學(xué)指標(biāo)參數(shù)，以供設(shè)計、施工單位使用，為工程項(xiàng)目的順利建設(shè)、運(yùn)營提供基礎(chǔ)性資料。

（2）臨雙高速公路位于滇西南橫斷山脈區(qū)，早期構(gòu)造活動強(qiáng)烈、頻繁，花崗巖節(jié)理裂隙發(fā)育，經(jīng)多期噴發(fā)形成，巖石成分中云母含量偏高，石英、長石含量偏少；臨滄地區(qū)屬濕熱、植被茂密區(qū)，屬南亞熱帶濕熱氣候類型。種種內(nèi)、外因素導(dǎo)致花崗巖風(fēng)化殘積土物理力學(xué)性質(zhì)具備地方特征。

（3）該區(qū)花崗巖殘積土具有遇水崩解性，開挖裸露坡面旱季穩(wěn)定性較好，雨季時坡面極易形成坡面泥石流及小型滑塌現(xiàn)象，給道路施工、運(yùn)營造成較大安全隱患，建議對新開挖坡面進(jìn)行必要封閉處理，防止雨水對裸露坡面形成直接沖刷；另外，因橋梁樁基多處于山區(qū)陡峭斜坡上，殘積土埋深較厚，樁基多采用摩擦樁型，因此為避免后期地表有效摩擦土層流失，摩擦力失效，應(yīng)在合理期間增加樁長，以保證樁基安全。

（4）殘積土層地區(qū)沖溝地段形成的特殊的地下伏流系統(tǒng)，會影響樁基有效尺寸，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)勘察資料適當(dāng)延長樁長，并考慮上部土層可能帶來的負(fù)摩阻力效應(yīng)的影響。

（5）臨雙高速公路線路延伸長、經(jīng)過花崗巖殘積土層面積廣，雖為同一套地層，但其殘積土性質(zhì)差異較大。采用室內(nèi)試驗(yàn)資料，過于保守，無形中增加項(xiàng)目成本，若采用直剪試驗(yàn)1區(qū)數(shù)值，未免偏大，不具典型代表性。因此，綜合野外調(diào)查、原位測試、室內(nèi)試驗(yàn)以及調(diào)訪地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，也為了設(shè)計施工經(jīng)濟(jì)、合理，更為了高速路的順利完工及后期安全運(yùn)營，最終項(xiàng)目組決定花崗巖殘積土物理力學(xué)指標(biāo)按γ=20kN/m3、c=27.7kPa、φ=20.9°、[fa0]=260kPa、qik=90kPa取用。

（6）國內(nèi)對花崗巖殘積土的研究主要集中在華南、東南地區(qū)，滇西南地區(qū)偏少。本文對花崗巖殘積土的研究探討，希望為地區(qū)發(fā)展提供經(jīng)驗(yàn)，助力滇西經(jīng)濟(jì)發(fā)展。