某城际铁路花岗岩的工程地质特性分析研究

郑晓硕

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251)

Study on Engineering Geological Characteristics of Granite under an Inter-City Railway

ZHENG Xiaoshuo

某城际铁路花岗岩的工程地质特性分析研究

郑晓硕

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251)

Study on Engineering Geological Characteristics of Granite under an Inter-City Railway

ZHENG Xiaoshuo

摘要某城际铁路经过花岗岩地区，在工程地质勘察过程中，发现室内土工试验及原位测试得到的花岗岩全风化层的压缩模量等物理指标差异性较大，为保证地质资料的可实施性，通过分析室内试验和野外标贯测试数据，研究该区域花岗岩的工程地质特性，并选取代表性区域进行旁压试验，分析研究其在不同测试压力作用下的变形特性，从而对全风化花岗岩的力学性质和变形特性进行分析和评价。综合室内试验、标贯测试及旁压试验数据，提出合理的压缩模量及地基承载力指标，为设计、施工提供可靠的依据。

关键词花岗岩全风化层旁压试验地基承载力变形模量

花岗岩风化壳表层一般呈砂砾状、砂砾含黏土、黏土含砾砂石或粉土状，其物理性质与第四系形成的砂、土既相似，但又不尽相同。花岗岩全风化层的结构极易受到扰动，在水的作用下，往往有遇水崩解的工程特性[1]，花岗岩全风化层因其石英砂砾的含量高，孔隙比大，钻探过程中采用泥浆护壁，所采取的原状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 。

某城际铁路需要穿过近40 km花岗岩地段，以全风化花岗岩为主，深度为0～60 m。该段城际铁路为无砟轨道铺设，对桥梁及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及室内试验成果，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，选取了6个代表性的点进行旁压试验，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的建议公式，满足了设计、施工要求。

1花岗岩全风化层工程特性分析

1.1　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，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]。花岗岩全风化层的物理力学性质、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。

实际工程中，花岗岩的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，因其石英砂砾的含量高，导致孔隙比较大，结构极易受到扰动，遇水极易软化崩解；其次，勘探过程中需泥浆护壁，按照常规方法所取原状样，土样受到扰动极大，所得的土样与实际情况差别较大，室内土工实验所得到的力学指标及强度指标等往往不能反映实际的物理力学性质；第三，花岗岩全风化层分布广泛，具有区域性特点，无法采用通用的评判标准来对其研究。

1.2　花岗岩全风化层室内实验结果分析

花岗岩全风化层具有“似土”的性质，根据规范要求应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离散性相当大，如含水量由最大45.7到最小14.6，相差3倍多；孔隙比最大可达1.4，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5.3 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。而如果仅仅参考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，许多花岗岩全风化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与室内试验所得结果相差较大。

1.3　花岗岩标准贯入试验分析

砂类土中标贯试验作为一种十分重要的原位测试手段，不仅可以确定花岗岩风化程度，且可以确定地基承载力。为了能更好的查明花岗岩全风化的工程特性，本工程分析了大量的标准贯入试验数据，对该区域花岗岩全风化带进行定量研究，并提出合理的地基承载力和压缩模量等参数。

统计了该城际铁路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。

随着深度的递增，标贯击数逐渐增加，而当达到一定深度后，尤其在30 m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5～10 m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。

1.4　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，该区段下伏白垩系及侏罗系二长花岗岩，全风化层较厚，厚约5～30 m，地下水位埋深较浅。对全风化层如此之厚的区域，初拟以全风化岩为持力层，花岗岩全风化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350 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5～10 m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。

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，如果简单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。因此，必须通过多种手段来查明花岗岩全风化的工程特性。

2旁压试验理论及试验研究

旁压试验也称横压试验，是工程地质勘察中的一种原位测试方法，其原理是通过旁压器，在竖直钻孔内使旁压膜膨胀，压缩钻孔壁土体产生变形直至破坏，并通过量测装置测出压力和土体变形之问的关系，绘制应力、应变关系曲线[4]。

选取该城际铁路6个试验点进行旁压试验，对原始数据、相关资料及现场实际情况进行分析论证，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、标贯测试和旁压试验，给出符合实际情况的地承载力和变形模量等指标。

2.1　现场试验概述

本次旁压试验采用预钻式结构(如图1)。预钻式旁压保证成孔质量，钻孔直径与旁压器直径应配合良好，防止孔壁坍塌。

图1　旁压试验装置

开始试验前，严格按规范要求于现场对新的弹性

膜或者弹性模累计试验次数达到8次以上等情况，对弹性膜进行约束力校正。规范的稳定时间为1 min和3 min，前者用于“硬土”，后者用于软土。一般来说，试验压力过临塑压力Pf后即可终止该级压力的实验。但测试中，为求得极限压力PL而继续加压，不管出不出现屈服极限压力PL，当测管水位下降将至36 cm(有时超过)，应立即停止试验。

2.2　旁压试验结果及分析

花岗岩旁压试验数据统计如表2。

从表2中数据分析得知，旁压试验结果中各数据离散性较大，例如临塑压力最大值645，最小值399，相差有2倍，变形模量最大100，最小31，相差将近3倍，可见，同在花岗岩地区，不同试验地点，不同试验深度，旁压试验所得数据也有一定的变化。

表2　花岗岩全风化层旁压试验数据统计

2.3　花岗岩全风化层力学指标确定

通过对室内试验和标贯测试数据结果分析，并选取6个试验点进行旁压试验，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。综合了试验统计指标、标贯击数、旁压试验，根据试验结果及曲线特征，依据国标及当地规范要求，建议花岗岩全风化层地基承载力和变形模量等参数需根据深度范围分开给出。具体数值见表3。

表3　花岗岩全风化层变形模量及承载力推荐值

3结束语

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；旁压试验结果表明，大部分花岗岩全风化承载能力较高，但不同区域、不同深度结果离散性较大。

在分析室内试验数据和原位试验结果的基础上，对花岗岩全风化层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，在地质勘测过程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。

参考文献

[1]GB50307—2012城市轨道交通岩土工程勘察规范[S]

[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]孟高头.土体原位测试机理方法及其工程应用[M].北京：地质出版社,1997

[5]赵建军，王思敬，等.香港全风化花岗岩的固结特性[J].河海大学学报，2005，33(1)

[6]南京水利科学研究院土工研究所.土工试验技术手册[M].北京：人民交通出版社，2003:295-305

[7]袁聚云.徐超.等.土工试验与原位测试[M].上海：同济大学出版社，2004:209-215

[8]张昌新，郑太航，余志江，等.深圳地区花岗岩地层岩土工程特性及对地铁工程的影响[J].铁道勘察，2014(5)

[9]郭建波，刘晓明，等.预钻式旁压试验在厦门地铁岩土工程勘察中的应用[J].铁道勘察，2014(2)

[10]易鑫，潘瑞林，孙宝忠，等.原位测试在地铁勘察岩土参数求取中的应用[J].铁道勘察，2014(3)

中图分类号：P642

文献标识码：A

文章编号：1672-7479(2015)04-0046-03

作者简介：郑晓硕(1985—)，男，2010年毕业于中国地质大学(武汉)地质工程专业，工学硕士，工程师。

收稿日期：2015-04-23