齊 信 黎清華 焦玉勇 譚 飛
(①中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心,武漢 430205,中國)(②中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院,武漢 430074,中國)(③中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室,武漢 430071,中國)
花崗巖風化殼是花崗巖在物理、化學、生物等風化營力作用下,再加上濕熱、多雨、光照等氣候條件下形成的工程地質(zhì)特征和性質(zhì)產(chǎn)生特殊變化的巖土體。按照巖土工程勘察規(guī)范(GB50021-2009),將其列為“特殊性土”,具有較大的孔隙比和較低的壓縮性,且具有遇水易于軟化和崩解的特征(張抒等,2013;周翠英等,2019)。其粒度成分為粗粒土,工程性質(zhì)卻表現(xiàn)出明顯的細粒土性質(zhì)(陳追田,2008),是工程建設中需重點關注的巖土體類型之一。因此,工程建設中正確辨識花崗巖風化程度尤其重要。但因?qū)◢弾r風化程度的劃分指標和標準不一,常常因個人的水平不一致或者不易掌握劃分標準而產(chǎn)生較大的差異,造成后期工程建設施工方案的確定出現(xiàn)了較大的偏差。
開展花崗巖風化殼垂直分帶標準研究十分重要,也是國內(nèi)外學者研究的熱點。國內(nèi)外學者對花崗巖風化殼垂直分帶研究頗多,分帶方法各異。國內(nèi)研究者一般采用“五分法”,郭欣(1997)基于花崗巖風化帶的現(xiàn)場確定及定量劃分,將八達嶺地區(qū)花崗巖劃分為全風化帶、強風化帶、弱風化帶、微風化帶、新鮮巖帶;劉靚(2003)依據(jù)定量指標將華南沿?;◢弾r風化物劃分為殘積土、全風化、強風化、弱風化和微風化5個分帶;工程巖體分級標準也將花崗巖風化殼劃分為5帶(中華人民共和國國家標準編寫組,1995,2014),即殘積土帶(Ⅴ)、強風化帶(Ⅳ)、中風化帶(Ⅲ)、微風化帶(Ⅱ)、新鮮巖帶(Ⅰ)。國外研究者一般采用“六分法”,Irfan(1996)對花崗巖風化殼進行了系統(tǒng)的總結(jié)與劃分,按照風化程度由強至弱依次劃分為殘積土帶(Ⅵ)、全風化帶(Ⅴ)、強風化帶(Ⅳ)、中風化帶(Ⅲ)、微風化帶(Ⅱ)、新鮮巖帶(Ⅰ)。對比2類劃分方法,“五分法”是把殘積土帶和全風化帶合二為一,不如“六分法”劃分精細。筆者認為,殘積土帶和全風化帶均是花崗巖區(qū)淺基礎工程建設的重要持力地層,單獨劃分成帶進行描述與工程地質(zhì)特征研究更具有科學意義。
目前,對于“六分法”的劃分和指標的選擇尚無統(tǒng)一標準。無論是定性評價,還是定量評價,位于風化殼上部被稱為“特殊性土”的部分,即殘積土帶(Ⅵ)、全風化帶(Ⅴ)和強風化帶(Ⅳ)的劃分問題一直都是學者研究的難點和熱點。風化殼下部的中風化帶(Ⅲ)、微風化帶(Ⅱ)、新鮮巖帶(Ⅰ)總體劃分較為簡單,劃分標準也較成熟,直接鉆探取芯觀測結(jié)構(gòu),實測巖體完整程度或依據(jù)單軸飽和抗壓強度力學參數(shù)即可分帶。Price(1993)系統(tǒng)分析裂隙等幾個指標的影響,采用打分法對花崗巖風化殼進行分帶,但對風化殼土體劃分存在困難。吳宏偉等(1999)基于化學分析結(jié)果與巖土風化程度宏觀判別的相互對比,建立了香港地區(qū)花崗巖風化巖土風化程度工程分級的化學指標體系,但受區(qū)域性氣候條件等影響,風化程度的地帶性導致劃分標準具有區(qū)域局限性(曲永新等,2000),且化學分析試驗相對復雜,一般勘察或生產(chǎn)單位不具有試驗條件,可操作性和推廣性差。亦有學者針對干濕循環(huán)作用下花崗巖殘積土強度(Rajaram et al.,1998;尚彥軍等,2004;Tang et al.,2016;簡文彬等,2017;陳曉堅,2019;于佳靜等,2019)、花崗巖細觀結(jié)構(gòu)(涂新斌等,2003)、花崗巖殘積土特性(李志勇等,2006;陳曉平等,2011;湯連生等,2013;夏金文等,2017;盧有謙等,2018;安然等,2020)等進行了精細、深入的研究,為對花崗巖風化殼進行系統(tǒng)的垂直分帶劃分提供了豐富的數(shù)據(jù)支持?;◢弾r風化殼垂直分帶劃分標準有待綜合集成,形成統(tǒng)一的、系統(tǒng)的、科學的劃分標準。
梧州市位于廣西東部,花崗巖分布廣泛,巖性主要為中粗-中細粒黑云二長花崗巖、中細粒-粗中粒閃長花崗巖。主要礦物組合為斜長石占40%~57%、微斜紋長石占3%~15%、石英占24%~37%、黑云母占4%~15%、普通角閃石占2%~10%,副礦物主要為磁鐵礦、鈦鐵礦、鋯石等。梧州市屬亞熱帶季風氣候區(qū),全年氣候溫暖,光照充足,風化強烈,花崗巖風化殼厚度較大,一般為20~50im,局部最大厚度可達75im以上(吳恒,1994)。因此,梧州市是開展花崗巖風化殼垂直分帶研究的天然試驗場,既具有代表性又具有普適性。同時,有關梧州市花崗巖風化殼分帶及工程地質(zhì)特征研究甚少,僅工程勘察鉆探對其揭露并做了簡單的地基承載力評價,至今對梧州市花崗巖風化殼分帶及工程地質(zhì)特征缺乏系統(tǒng)全面的劃分與認識。
本文選擇華南地區(qū)巨厚層花崗巖風化殼分布區(qū)的梧州市為研究區(qū),旨在建立系統(tǒng)的、科學的、可操作性強的花崗巖風化殼垂直分帶劃分標準。重點開展了花崗巖風化殼土體粒度分析研究,首次系統(tǒng)建立了基于粒度分析的花崗巖風化土層分帶定量評價標準。粒度分析法操作簡易、方便,具有一定的可推廣性,可作為花崗巖風化殼垂直分帶劃分的重要指標之一。同時,在野外區(qū)域調(diào)查、鉆探、原位試驗、室內(nèi)試驗、綜合研究基礎之上,開展了基于定性和定量復合判定指標體系研究,識別花崗巖風化程度的垂直分帶差異性,構(gòu)建了花崗巖風化殼垂直分帶復合判斷標準,并給出了花崗巖風化殼地基承載力建議值,對花崗巖分布區(qū)的重大工程建設與工程地質(zhì)特征參數(shù)的選取具有一定的指導與參照意義。
在梧州市幅花崗巖調(diào)查與區(qū)劃的基礎上,實施了8口工程地質(zhì)鉆探并進行了相關試驗測試(圖1),采用數(shù)理統(tǒng)計和綜合集成法,系統(tǒng)提出了梧州市巨厚層花崗巖風化殼垂直分帶標準體系(圖2)。建立花崗巖風化殼垂直分帶標準體系原則,首先應能反映出風化巖體的工程地質(zhì)特征的變化規(guī)律;其次要便于應用,既不能過于繁瑣,也不能過于粗略;最后盡可能采用多種技術方法互為補充,使分帶趨于定量化。本文按照三級指標進行系統(tǒng)劃分,一級指標包括定性和定量指標,二級指標包括野外特征、挖掘及鉆進特征、原位試驗、土工試驗、巖體強度試驗,三級指標包括顏色、結(jié)構(gòu)特征、礦物特征、挖掘特征、鉆進特征、錘擊特征、巖芯完整程度、標貫與動探原位試驗、粒度分析、內(nèi)摩擦角、黏聚力及巖體抗壓強度試驗。
圖1 研究區(qū)花崗巖與鉆孔分布圖
圖2 花崗巖風化殼垂直分帶標準體系
花崗巖風化殼是在一定風化營力和特殊氣候條件下產(chǎn)生特殊變化的土體,自上而下風化程度逐步降低,其粒度大小呈一定規(guī)律變化。按照土的顆粒大小組成,依次劃分為礫粒(>2imm)、砂粒(2~0.075 mm)、粉粒(0.075~0.005 mm)、黏粒(<0.005 mm),依據(jù)試驗結(jié)果對顆粒含量百分比進行統(tǒng)計分析研究。
首先,對每個鉆孔自上而下分層采樣,采樣編號依次為 T1、T2、T3、T4…Tn,分析垂直分帶粒度分布特征。本次依據(jù)花崗巖分布區(qū)范圍并考慮其均勻性、典型性,選取鉆孔GCK01、GCK13、GCK15、GCK19為例進行分析,粒度分析結(jié)果如表1,數(shù)據(jù)揭示:①自上而下,礫粒、砂粒含量逐漸增大,粉粒、黏粒含量逐漸減小。GCK01、GCK13、GCK15、GCK19巖土體粒度均呈上述分布規(guī)律,這與自上而下風化強度逐漸降低有關,花崗巖呈現(xiàn)出風化的均一性。風化程度越強,粒度越小,礫粒、砂粒含量占比越小,粉粒、黏粒含量占比越大;風化程度越弱,粒度越大,礫粒、砂粒含量占比越大,粉粒、黏粒含量占比越小。②不同位置鉆孔的巖土體風化程度不同,揭示了花崗巖風化存在差異性。這與鉆孔分布的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、水文條件等因素有關。如圖3,鉆孔GCK13和GCK15曲線斜率大于鉆孔GCK01和GCK19曲線斜率,說明鉆孔GCK13和GCK15風化強度大于鉆孔GCK01和GCK19。由圖1可知,GCK13和GCK15鉆孔分布位置最近,更加說明了地貌單元相近,風化程度自然也相近。③砂粒和粉粒為花崗巖風化殼的主要物質(zhì)組成部分,兩者含量百分比之和高達55%~85%。比如:鉆孔GCK19,砂粒和粉粒含量百分比之和為72.6%~79.1%; 鉆孔GCK01,砂粒和粉粒含量百分比之和為57.4%~82.1%。
表1 典型鉆孔粒度分析數(shù)據(jù)
圖3 部分鉆孔粒度分布圖(T1~Tn深度遞增)
其次,在基于原位試驗對8個鉆孔宏觀分帶的基礎之上,集成8個鉆孔粒度分析數(shù)據(jù)的平均值(表2),研究粒度分布特征與風化殼垂直分帶的關系。數(shù)據(jù)揭示:(1)殘積土帶含量占比最大的為粒徑小于0.005 mm的黏粒土,占比為28.83%;全風化帶含量占比最大的為粒徑0.05~0.01 mm的粉粒土,占比為21.48%;強風化帶含量占比最大的為粒徑0.5~2imm的砂粒土,占比為18.49%。因此從殘積土帶、全風化帶到強風化帶,自上而下粒度逐漸增大,黏粒含量逐漸減小,黏粒含量占比平均值分別為28.83%、19.39%、14.65%,黏粒含量反映花崗巖風化程度,因此,黏粒含量可以作為花崗巖風化殼垂直分帶劃分的重要指標之一。(2)0.05 mm粒徑值為殘積土帶、全風化帶、強風化帶曲線交叉的分界處(圖4),該處土體含量百分比近似相等。當粒徑<0.05 mm(分界點右側(cè)曲線)時,土體含量百分比大小為:強風化帶<全風化帶<殘積土帶,當粒徑>0.05 mm(分界點左側(cè)曲線)時,土體含量百分比大小為:強風化帶>全風化帶>殘積土帶。因此,粒徑0.05 mm值亦為花崗巖風化殼垂直分帶劃分的重要指標之一。
表2 花崗巖風化殼分帶粒度分析表
圖4 花崗巖風化殼垂直分帶粒度分布圖
因此,結(jié)合鉆孔單孔數(shù)據(jù)和多孔數(shù)據(jù)綜合分析,結(jié)果表明花崗巖風化殼土體同時存在風化的差異性和均一性,也表明粒度分析可以作為花崗巖風化殼土體垂直分帶劃分的方法之一。吳能森(2006)進行花崗巖殘積土分類研究時,也提出應考慮粒度的影響。
通過8個鉆孔數(shù)據(jù)分析對比驗證,發(fā)現(xiàn)基于粒度分析的花崗巖風化殼劃分結(jié)果與基于原位試驗的劃分結(jié)果具有很好的一致性。綜上所述:粒度分析是一種簡易可行的花崗巖風化殼分帶標準劃分方法之一。粒徑>0.05 mm的土體含量占比≥60%、黏粒含量占比≥25%的風化層為殘積土帶;粒徑>0.05 mm的土體含量占比為45%~60%、黏粒含量占比為15%~25%的風化層為全風化帶;粒徑>0.05 mm的土體顆粒含量占比≤45%、黏粒含量占比≤15%的風化層為強風化帶。
在提出粒度分析法是花崗巖風化殼分帶標準劃分方法之一的基礎之上,進一步總結(jié)并建立梧州地區(qū)花崗巖風化殼垂直分帶復合判斷標準。本文在系統(tǒng)分析前人的研究成果和劃分標準后,綜合集成本次研究區(qū)大量實測數(shù)據(jù),依據(jù)花崗巖的厚度、顏色、結(jié)構(gòu)特征、礦物特征、可挖掘特征、可鉆進特征、錘擊特征、巖芯完整程度、修正后標貫或動探擊數(shù)、粒度分析、內(nèi)摩擦角、黏聚力、單軸抗壓強度等定性和定量指標,形成梧州市巨厚層花崗巖風化殼垂直分帶復合判斷標準(表3),總體上劃分為殘積土帶、全風化帶、強風化帶、中風化帶、微風化帶、新鮮巖帶6個分帶,簡稱“六分法”,其分帶標準及工程地質(zhì)特征描述如下:
表3 梧州市花崗巖風化殼垂直分帶標準
(1)殘積土帶:在花崗巖頂部廣泛分布,厚度不均,鉆探揭露厚度2.00~21.50im,平均厚度10.20im。殘積土呈褐黃色、黃褐色,無光澤,呈土狀,含大量石英顆粒,可取原狀土樣,具有可塑性;礦物已全部風化成土狀,肉眼難見礦物顆粒;出露剖面,鎬、鍬挖動較容易,鉆探鉆進容易,錘擊不回彈,鉆探巖芯土體呈柱狀,巖芯較完整;標貫范圍值5.43~16.58,平均值12.64;黏粒含量百分比≥25%、粒徑>0.05 mm含量百分比≥60%,內(nèi)摩擦角≤18°,黏聚力≥45ikPa。
(2)全風化帶:鉆探揭露厚度1.95~17.00im,平均厚度8.32im;全風化帶呈黃褐色、灰褐色,光澤暗,呈砂礫狀,原巖結(jié)構(gòu)破壞,難取原狀土樣,稍具塑性;長石已大部分風化成土狀,黑云母、角閃石晶形已消失,用指甲可扣動風化物,手攆易粉碎;全風化帶土體用鎬、鍬可挖動,鉆探鉆進較容易,不回彈,手捏易碎;取不出完整巖芯,呈松散砂礫狀;標貫范圍值10.36~24.20,平均值18.40;黏粒含量百分比15%~25%、粒徑>0.05 mm含量百分比45%~60%,內(nèi)摩擦角18°~25°,黏聚力30~45ikPa。
(3)強風化帶:鉆探揭露厚度2.60~60.60im,平均厚度24.90im;強風化帶呈黃褐色、灰黑色,擦面有光澤,原巖結(jié)構(gòu)基本破壞,風化明顯不均勻,具有球狀風化特征,巖芯呈土夾碎塊狀,不能取土樣;除部分黑云母見黃色浸染,其他礦物基本無變異,用指甲刮不易留下痕跡;強風化層土體用鎬、鍬較難挖動,上部鉆進容易,下部鉆進困難,手掰易碎,錘擊聲啞,局部塊狀巖芯有較大回彈;難取出完整巖芯,較不完整,局部呈塊狀;標貫范圍值30.30~75.46,平均值50.20;動探范圍值8.04~30.51,平均值16.75;黏粒含量百分比≤15%、粒徑>0.05 mm含量百分比≤45%,內(nèi)摩擦角≥25°,黏聚力≤30ikPa,天然單軸抗壓強度范圍值0.061~0.271iMPa,平均值0.191 MPa。
(4)中風化帶:鉆探揭露厚度0.20~34.30im,平均厚度6.56im;巖石稍暗,裂面呈黃褐色,擦面光澤較亮,裂隙發(fā)育,沿裂隙風化強烈,有蝕變特征,石英脈發(fā)育,可取巖體塊狀樣;除部分黑云母見黃色浸染,其他礦物基本無變異,用指甲刮不易留下痕跡;可干鉆,較堅硬,錘擊聲脆,有強回彈;巖芯較完整,呈塊狀─短柱狀;中風化花崗巖巖體干燥單軸抗壓強度范圍值40.1~90.0iMPa,平均值68.8MP;飽和單軸抗壓強度范圍值36.7~79.1iMPa,平均值62.3MP。
(5)微風化帶:顏色較新鮮,擦面光澤較亮,僅在極少量的裂隙有輕微的銹黃色浸染,沿裂隙有風化蝕變現(xiàn)象,可取柱狀巖體樣;與新鮮巖石差別不大,礦物未風化;巖芯鉆具,不易干鉆,巖體堅硬,聲音清脆,錘擊時震手;巖芯完整,呈長柱狀;干燥單軸抗壓強度范圍值69.4~141.0iMPa,平均值90.8 MPa;飽和單軸抗壓強度范圍值45.3~98.9iMPa,平均值75.6 MPa。
(6)新鮮巖帶:鉆探未揭露;新鮮花崗巖,完整,未風化。
獲取花崗巖風化殼土體地基承載力數(shù)據(jù)是工程勘察和工程建設的重要工作,由于花崗巖風化殼風化強烈,很難取到殘積土帶(Ⅵ)、全風化帶(Ⅴ)、強風化帶(Ⅳ)原狀土樣,且風化土有鉆進易受擾動、遇水易軟化和崩解的特性,室內(nèi)土工試驗難以確定真實值。因此,開展原位試驗是常用的方法。其中:動力觸探和標準貫入試驗操作簡單、應用范圍廣、適用土類多。但是,規(guī)范只給出了桿長為20im范圍的重型觸探和桿長為21im范圍的標準貫入錘擊數(shù)修正系數(shù)。對于超規(guī)范桿長的修正系數(shù),采用李會中等(2016)的研究成果進行修正,即:
(1)
式中:α為桿長修正系數(shù);L為桿長(m)。
在目前的生產(chǎn)實際中主要是依賴于標準貫入試驗確定地基承載力(張永波等,1997),因為利用標準貫入試驗錘擊數(shù)計算承載力的公式較多,也有相關的換算表格可以查詢。但是,由于花崗巖風化殼風化差異性常常導致標準貫入試驗很難進行貫入操作時,圓錐動力觸探試驗可以彌補標準貫入原位試驗的不足,但利用圓錐動力觸探試驗錘擊數(shù)計算承載力的公式較少。因此,開展圓錐動力觸探擊數(shù)與標準貫入擊數(shù)相關性分析,將圓錐動力觸探擊數(shù)折算為標準貫入擊數(shù),可以方便計算地基承載力。
在研究工作區(qū),選擇編號為GCK8、GCK10、GCK19的鉆孔,在同一鉆孔同一深度內(nèi)分別進行標準貫入試驗和圓錐動力觸探試驗錘擊擊數(shù)對比研究,按照式(1)進行修正(表4),開展標貫擊數(shù)N和動探擊數(shù)N63.5相關性擬合分析研究(圖5)。試驗結(jié)果揭示:圓錐動力觸探試驗與標準貫入試驗具有良好的一致性,隨著鉆進試驗深度的增加,圓錐動力觸探試驗擊數(shù)與標準貫入試驗擊數(shù)同時增加,標準貫入擊數(shù)N與圓錐動力觸探擊數(shù)N63.5呈多項式相關,相關系數(shù)R2為0.8542,多項式關系式即式(2)為:
圖5 標貫擊數(shù)N與動探擊數(shù)N63.5相關性分析圖
表4 標貫擊數(shù)N和動探擊數(shù)N63.5 實測表
(2)
式中:N63.5為修正后的重型圓錐動力觸探試驗錘擊數(shù);N為折算后的標準貫入試驗錘擊數(shù)。
由于梧州市地區(qū)風化殼比較厚,無論是重大工程建設的深基礎工程,還是工民建設的淺基礎工程,風化殼均是基礎工程的主要持力層。開展殘積土帶(Ⅵ)、全風化帶(Ⅴ)、強風化帶(Ⅳ)分帶地基承載力計算,提供花崗巖風化殼土體地基承載力建議值具有十分重要的意義。
利用標準貫入試驗錘擊數(shù)確定土層承載力的計算公式較多,本文梳理了相關計算公式,見表5。依據(jù)花崗巖風化殼殘積土帶(Ⅵ)、全風化帶(Ⅴ)、強風化帶(Ⅳ)分帶工程地質(zhì)特征描述,再結(jié)合各個計算公式的適用范圍,按照工程經(jīng)驗類比法,花崗巖風化殼殘積土帶(Ⅵ)、全風化帶(Ⅴ)、強風化帶(Ⅳ)巖土體特征接近于粉土、黏土質(zhì)砂、中粗砂特征。因此,花崗巖風化殼殘積土帶(Ⅵ)、全風化帶(Ⅴ)、強風化帶(Ⅳ)分帶進行地基承載力計算,分別采用表5中(1)、(3)、(5)計算公式?;◢弾r風化殼土體地基承載力建議值如表6,殘積土帶地基承載力建議值范圍為197~422ikPa,全風化帶地基承載力建議值范圍為227~502ikPa,強風化帶地基承載力建議值范圍為392~507ikPa。
表5 標準貫入試驗確定的地基承載力經(jīng)驗公式
表6 花崗巖風化殼分帶地基承載力建議值
(1)粒度分析法可以作為區(qū)域花崗巖風化殼土體分帶劃分的標準之一。粒徑>0.05 mm的土體含量占比≥60%、黏粒含量≥25%的風化層為殘積土帶;粒徑>0.05 mm的土體含量占比為45%~60%、黏粒含量為15%~25%的風化層為全風化帶;粒徑>0.05 mm的土體顆粒含量占比≤45%、黏粒含量≤15%的風化層為強風化帶。
(2)花崗巖風化土體的粒徑總體上隨著深度增加逐漸增大,砂礫和粉粒構(gòu)成其主要物質(zhì)組成部分,兩者含量百分比之和高達55%~85%;殘積土帶含量最大占比為粒徑小于0.005 mm的黏粒土,全風化帶含量最大占比為粒徑0.05~0.01 mm的粉粒土,強風化帶含量最大占比為粒徑0.5~2imm的砂粒土。
(3)當粒徑<0.05 mm(分界點右側(cè)曲線)時,土體含量百分比大小為強風化帶<全風化帶<殘積土帶,當粒徑>0.05 mm(分界點左側(cè)曲線)時,土體含量百分比大小為強風化帶>全風化帶>殘積土帶。因此,粒徑0.05 mm值亦為花崗巖風化殼垂直分帶劃分的重要指標之一。綜合數(shù)據(jù)分析,揭示花崗巖風化殼土體同時存在風化的差異性和均一性。
(4)標準貫入試驗擊數(shù)和圓錐動力觸探試驗擊數(shù)呈多項式相關性,相關系數(shù)R2為0.8542,圓錐動力觸探試驗和標準貫入試驗隨土層深度的變化具有良好的一致性。提出花崗巖風化殼土層地基承載力特征計算公式和建議值,殘積土帶地基承載力建議值為197~422ikPa,全風化帶地基承載力建議值為227~502ikPa,強風化帶地基承載力建議值為392~507ikPa。
(5)本文在宏觀分帶的基礎上,采用數(shù)理統(tǒng)計和綜合集成法,進行了定性和定量分帶研究,系統(tǒng)提出了梧州市巨厚層花崗巖風化殼垂直分帶標準體系和“六分法”垂直分帶標準,對花崗巖分布區(qū)的重大工程建設與工程地質(zhì)特征參數(shù)的選取具有一定的指導與參照意義。