某客运专线花岗岩全风化层工程特性分析研究

崔竹刚

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

1 概述

花岗岩全风化层是经物理化学风化作用而残留在原地的碎屑物，其工程性质特殊。花岗岩全风化层与一般的黏性土不同，因其石英砂砾的含量高，孔隙比大，在按照常规方法采取土样后，由于土样在钻探、取样及运输过程中很容易受到扰动，所得的土样与实际情况差别较大，室内土工实验所取得的抗剪强度、压缩模量等实验数值往往低于实际数值，因此若简单的按照一般黏性土的知识和经验来处理花岗岩残积土的工程问题，将会产生较大的误差［1］。

某客运专线需要穿过近10 km花岗岩地段，以全风化花岗岩为主，深度为0～40m。该段客运专线采用无砟轨道，对路基的沉降和边坡的防护要求极高。通过分析花岗岩全风化层标贯数据，同时对比分析室内试验成果，发现在局部段落两者存在比较大的差异性。为准确获得该类地层的设计参数，仔细分析差异性较大的段落，选取了3个代表性的点进行浅层平板载荷试验，通过对综合试验结果对比分析，总结了该区域花岗岩全风化的工程特性，提供了合理、准确的地基承载力和变形模量等参数，满足了设计、施工要求，有效的避免了后期运营阶段路基工程的潜在变形、下沉风险。

2 花岗岩全风化层工程特性分析

2.1 花岗岩物理工程特点分析

花岗岩全风化层是经物理化学风化作用而残留在原地的碎屑物，云母含量高，其具有与其他残积土不同的工程特性，其工程性质与原岩也不尽相同，“似土非土，似岩非岩”［2］。而这种差异性是多方面的，例如物理力学性质、不均匀性及各向异性，导致花岗岩全风化结构松散，易扰动，遇水极易软化及崩解等(见图1)。

由于其独特的特点，在实际工程中，它的一些工程特性尚未引起足够的重视。首先，花岗岩全风化层与一般的黏性土不同，因其云母、石英砂砾的含量高，导致其孔隙比大，结构松散，遇水极易软化崩解;其次，在按照常规方法采取土样后，土样在钻探、取样及运输过程中很容易受到扰动，所得的土样与实际情况差别较大，室内土工实验所取得的抗剪强度、压缩模量等实验数值往往不能反映实际的物理力学性质;第三，花岗岩全风化层具有区域性特点，无法采用通用的评判标准来对其研究。

图1 某客专花岗岩全风化冲蚀边坡

2.2 花岗岩全风化层室内试验结果分析

花岗岩全风化层具有“似土”的性质，且在一般土工试验中，也往往按照土样的试验标准来进行土工试验。在规范中，黏性土可以根据土工试验确定的物理力学指标来得出地基承载力，首先分析室内试验数据，通过分析其室内各物理力学指标，来初步判断该区域的花岗岩全风化的工程特性，从而能初步分析其物理力学指标，统计结果见表1。

表1 花岗岩全风化层的物理力学指标统计值及地基承载力

分析表1的试验数据，花岗岩全风化层各项物理指标的变化均多成离散型，如含水量由最大31.6到最小6.2，相差5倍多;孔隙比最大可达0.965，并多处于饱和状态;由液性指数得出的花岗岩全风化层的状态从坚硬状态到软塑状态。黏聚力以及内摩擦角值相对较高，然而压缩模量平均值仅为6.23 MPa，各项指标呈现出不匹配的地方，导致在确定其设计指标时比较困难。

由此可见，由于花岗岩的石英颗粒大小及云母含量等不同，塑性指数IP值越高，说明高岭土矿物含量越大，值越低，说明石英矿物含量较多［3］。根据表1的试验指标，发现其更偏于呈明显的砂砾质土的特征。而如果简单的依照黏性土的标准来评判，得出的结果与实际差异性较大。事实上，许多花岗岩残积土地区的工程实例也表明，地基承载能力或抗剪能力的情况往往并非如室内试验所表现出的那么好或那么差。

2.3 花岗岩标准贯入实验(N63.5)分析

在工程实际中，砂类土中标贯试验常常作为一种十分重要的原位测试手段，来确定地基承载力。为了对该区段的花岗岩全风化带进行定量研究，分析了大量的标准贯入试验数据，以期能更好的查明花岗岩全风化的工程特性，并提出合理的地基承载力和压缩模量等参数。

统计了该客运专线附近代表性段落的花岗岩全风化带中的标贯试验数据，并根据标贯试验得出其承载力值，结果见表2。

表2 花岗岩全风化标贯试验N63.5实测击数及基地承载力

根据表2可以看出，随着深度的递增，动探击数逐渐增加，而当达到一定深度后，尤其在30m以下全风化至强风化过渡带，标贯技术击数突增，一般多超过60击。而且通过标贯分析可知，在0～10m击数偏小，标贯数值变化较大，对地基承载力的影响比较明显，而10m以下承载力满足要求设计要求。

2.4 花岗岩室内外物理力学性质差异性分析

根据工程地质勘察报告，该区段下伏燕山期粗粒花岗岩，全风化层较厚，厚约0～40m，地下水位埋深较浅。铁路路基位于全风化基岩上，设计中采用CFG桩基地加固，初拟以全风化岩为桩端持力层，花岗岩的工程特性及地基承载力和变形模量等指标对工程的影响性较大。首先分析土工试验和标贯统计指标，根据相应的行业规范，判断该区段花岗岩全风化的承载力为300 kPa。但通过室内试验和标贯测试数据分析可知，两者对承载力的确定不匹配，尤其是0～10m深度内，数值差别较大，一旦部分段落给出的承载力和变形模量过于冒进，将直接影响到工程安全。

由于花岗岩全风化层自身固有的特性，室内土工试验的结果不能精确的反映其工程性质，如果对其认识不全面，简单的采用土工试验的数据来得出花岗岩全风化的地基承载力及变形模量，将会给工程设计、施工和运营造成较大的安全隐患，极易发生工程问题，如地基沉降不均、边坡失稳等。因此，必须通过多种手段来查明花岗岩全风化的工程特性。

3 平板载荷试验理论及试验研究

载荷试验是测定地基承载能力和变形特性的可靠方法，是一种对某层土体所做的强度和变形特性的载荷试验。与其他原位测试和土工试验方法相比，载荷试验能为基础设计提供更加可靠的持力层，以及其下卧层岩土体承载力和变形模量等设计计算的依据资料［4］。

选取湖南某客运专线浅层平板载荷试验，对原始数据、相关资料及现场实际情况的分析论证，从而对全风化花岗岩的地基基本承载力进行试验和评价。确定地基基本承载力是否满足设计和规范要求，并综合室内土工试验、标贯测试和平板载荷试验，给出符合实际情况的地承载力和变形模量等指标。

3.1 现场试验概述

本次平板载荷试验采用地锚反力装置(如图2)，地锚反力总和应大于预计极限荷载的1.5倍且每个地锚反力应基本相等。试验前应保持坑底土层的天然湿度和原状结构。

图2 浅层平板载荷试验装置

依据设计及规范要求，最大荷载均加载至两倍设计荷载即600 kPa，试验预计加载8级，分8次加载，分级荷载为75 kPa。试验过程中，每级加载后，自加荷开始按 1、2、2、5、5、15、15、15 min 间隔，以后每隔30 min测读一次沉降量，当在连续2 h内，一小时沉降量小于0.1 mm时，可施加下一级荷载。当达到《铁路工程地质原位测试规程》要求的终止加载条件时终止试验。

3.2 平板载荷试验结果及分析

通过分析平板载荷试验数据，试验点的P－s曲线关系如图3，变形数据统计如表3。

图3 试验点1～3的P－s关系曲线

表3 平板载荷试验变形数据统计

对试验点1－3的载荷试验数据进行整理，分别绘制出P－s曲线(图3)。

(1)试验点1:由试验点1的P－s曲线分析可知，当荷载加到525 kPa时，曲线出现明显的陡降段，其上一级荷载值450 kPa为极限荷载，因此该段全风化花岗岩的地基土极限承载力为450 kPa，取安全系数2．0计算，则试验点的基本承载力为225 kPa，低于原先设计的300 kPa，存在工程风险隐患。而且，通过分析其附近的塑性指数IP，发现该区域IP指数较高，说明其高岭土含量偏高，工程力学性质更偏向于黏性土的特性。

(2)试验点2、3:由试验点2、3的 P－s曲线分析，当荷载加到600 kPa时，曲线未发生明显的变化，说明未出现破坏荷载，全风化花岗岩的地基土极限承载力不少于600 kPa，因此此两处满足基本承载力300 kPa的要求。

3.3 花岗岩全风化层确定

通过前面分析室内试验和标贯测试数据结果，并选取3点异常位置进行浅层载荷平板试验，研究了全风化花岗岩不同荷载应力作用下压缩变形的特性。综合了标贯击数、试验统计指标、平板载荷试验，根据试验结果及曲线特征，依据相关规范要求，综合分析其附近段落的地基承载力和变形模量等参数(见表4)。

表4 花岗岩全风化层地基承载力及变形模量推荐值

4 结束语

在对某客运专线穿越的花岗岩全风化层段落进行的勘察过程中，采用室内土工试验、标贯原位测试和平板载荷试验等多种勘探手段，研究了花岗岩全风化层的工程特性，得到如下结论:

(1)由于花岗岩复杂的工程特性和区域差别性，在全风化层土工试验过程中，试验指标呈现出相互不匹配的地方，如果按照“似土”得出的承载力指标与标贯原位测试得出的结果差异性较大，如果简单按照单一的勘探方法来评价其工程特性指标，有可能会带来重大工程隐患。

(2)土工试验塑性指数结果表明，该地区大部分花岗岩全风化呈明显的砂砾质土的特征;平板载荷试验结果表明，大部分花岗岩全风化承载能力较高，具有中—低压缩性。

(3)通过室内试验和原位试验对花岗岩全风化的工程特性进行了一定程度的研究，由于其物理力学性质的复杂性和多变性，在实际工作中不能过于依靠一种方法进行评判，需要采用多种勘察方法综合分析评价，才能取得准确可靠的结果。

［1］江西抚州地区花岗岩残积土的试验及测试研究［J］．山西建筑，2011，37(31)

［2］赵建军，王思敬，尚彦军，等．香港全风化花岗岩的圃结特性［J］．河海大学学报(自然科学版)，2005，33(1):85-88

［3］刘正香，陈强．广州地区花岗岩残积土的特性研究［J］．中国科技博览，2009，33

［4］杨国春，等．高层建筑深层平板载荷试验的研究［J］．地质与勘探探，2002(4)