福州鼓楼区花岗岩风化残积土工程特性研究

胡 斌

(福建省地质测绘院，福州，350011)

花岗岩残积土是花岗岩原岩经过风化作用，残留在原地的松散碎屑物，除石英外绝大部分矿物已风化为次生黏土矿物，主要为高岭土，因此，残积花岗岩有砂质黏性土和砾质黏性土之分，其形成条件与地理、气候及地质条件有关。在气候温暖、气温高、雨量充足的南方地区，花岗岩化学风化作用强烈，往往形成厚度较大的残积层，正是这些环境因素的影响，导致不同地区的花岗岩残积土风化程度不一，土体保留原岩的结构性和风化后胶结程度不同。此外，花岗岩残积土土性指标还受母岩性质影响，其工程特性与地区分布有关且差异较大。花岗岩残积土主要成分是风化黏性土，但又因含有未风化的石英颗粒而富含砂、砾，其工程特性与一般的黏性土和无黏性土具有明显的区别[1-4]。因此，为正确评价区域性花岗岩残积的工程特性，发挥岩土工程勘察测试应有的价值，对福州市鼓楼区榕发—乌山郡筑路机械厂场区内的花岗岩残积土的压缩性质和液塑性指标展开研究，充分发挥工程测试参数的价值，得出花岗岩残积土工程特性的一般规律。

1 花岗岩残积土的基本物理性质

试验场地位于福州市鼓楼区榕发—乌山郡筑路机械厂地块，场区内花岗岩为燕山早期侵入岩，为了保留残积土的残余结构强度和原始胶结强度，采用I级原状样取样方法进行取样和制备室内试验试样，岩土样主要呈褐黄、灰黄、灰白色，原岩矿物主要由长石、石英、云母等组成，局部可见铁锰氧化物，除石英外大部分长石矿物已风化成黏土状，原岩结构构造已破坏，岩芯呈土状，坚硬程度为极软岩，完整程度为极破碎，基本质量等级为Ⅴ类，具有浸水易软化的特点。标准贯入试验锤击数实测为30～48击，平均为37.59击；修正为16.10～27.40击，平均值为21.36击。层顶埋深为20.20～44.30 m，层顶标高为-36.79～-12.68 m，厚度为1.50～21.30 m。

根据室内试验成果获得的花岗岩残积土的基本物理力学指标(表1)，从表中可以看出，在各项统计指标中，花岗岩残积土的密度和比重变化范围较小，变异系数小于0.1，而其余指标均大于0.1，表现为液限、塑限和压缩系数相差较大，因此，在工程实际设计和分析时，应考虑花岗岩残积土物理力学统计学上的离散型和空间变异性的影响。

表1 场区内花岗岩残积土的物理力学统计指标

图1 场区内花岗岩残积土颗粒分布曲线图Fig.1 Distribution curve of granitic residual soil in the field

根据场区花岗岩残积土的室内筛分试验所得的颗粒分布曲线图(图1)，可以看出残积土的粗颗粒质量占比超过了35%，且平均孔隙比为1.0，因此，表现为大孔隙和强渗透的特点。小于2 mm的粒径颗粒约占65%，根据福建省“建筑地基基础技术规范”分类为残积砾质黏性土[5]。

对场区内花岗岩残积土原状样进行场发射扫描电子显微镜实验，实验设备由美国FEI公司生产，得到微观扫描结构(照片1)可以看出，花岗岩残积土的次生黏土矿物主要呈薄片状，在特定的方向上彼此间以面-面层叠的形式聚集，石英颗粒随机分布于黏土矿物中，并通过排列与结构分布形成大块且密集的结核体，结核体之间又存在孔隙，结构比较疏松，孔隙的联通性一般，表明花岗岩残积土在风化和淋漓过程中保留了原岩的构造特征，这部分特征对于其工程特性来说具有十分重要的影响。

照片1 场区内花岗岩残积土的SEM照片Photo.1 SEM photos of granite residual soil in the field

2 室内三轴压缩试验分析

场区内花岗岩残积土室内三轴压缩试压时试样的制备和饱和参考标准国家规范土工试验方法标准[6]进行，制取试样圆柱体尺寸高80 mm，直径为39.10 mm，试样利用三轴固结不排水剪切试验。试验前，试样利用真空法进行抽取空气和饱和，抽气时间不少于4 h，饱和时间为24 h，确定饱和达到要求后，施加围压进行试验，通过变换围压值0 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa，测试得到不同残积土的三轴压缩应力应变曲线(图2)。

图2 场区内花岗岩残积土的三轴压缩应力应变曲线Fig.2 Triaxial compressive stress-strain curves of residual granitic soil in the field

从三轴压缩应力曲线可以看出，在同一偏应力条件下，花岗岩残积土原状样的应变明显比重塑样的小，随着偏应力的增加，这种现象越明显。这表明花岗岩残积土在风化过程中母岩中的长石和云母等矿物尽管已风化为次生黏土，但仍保留了母岩的部分结构构造特征，这残余的结构构造增强了花岗岩原状样的抵抗变形的能力，而扰动样在制样过程中其内部结构和构造受到破坏。另一方面，长石等矿物风化成的次生矿物主要为高岭土，对花岗岩的粗颗粒具有一定的胶结作用，加强了颗粒间的结合度，使得原状样的抗剪强度有所增加；而花岗岩残积土重塑样对颗粒已经充分搅散，颗粒间的胶结作用失去效用，因此抵抗变形的能力下降。无论何种试样，其应力应变曲线都随着偏应力的增加，曲线斜率趋于减小，表现为应变-硬化型曲线。分析表明，固结作用可以明显加强场区内花岗岩残积土的抗剪强度，并且在小围压情况下，这种固结效应更明显。

从上述分析可知，在实际工程中，对花岗岩残积土的地基应尽量减少扰动，避免因土体的扰动使得残积土保留的原状结构和构造受到扰动而强度降低，同时，花岗岩残积土内部孔隙较大，渗透系数大，在施工过程可采取必要的降排水措施，让土体产生一定的固结，可有效提高土体的强度和抵抗变形能力。

3 原位测试试验分析

3.1 标准贯入试验

图3 场地内花岗岩残积土标贯试验曲线Fig.3 Standard test curve of granite residual soil in site

标准贯入试验作为一种最为简单和实用的原位测试方法，在评价花岗岩残积土的工程特性方面具有天然的优越性。从先期钻孔揭露可知，场区内0～9 m分布有花岗岩砂质残积土，有利于标准贯入试验的实施和比较。试验选取场区内具有重要代表性的3个钻孔进行试验，分别为SPT1、SPT2、SPT3，3个孔内测试点深度一致，每孔可得7个数据。试验结果显示3个钻孔内的标贯试验击数变化曲线趋势较为一致(图3)，表明场地内花岗岩残积土的性质较为均匀，同时随着深度的增加，标贯击数也不断增加，说明岩石的风化作用随着深度的增加而减弱，是一个由上至下的过程，标贯击数越大，花岗岩残积土保留原岩的结构越多。

3.2 平板载荷试验

平板载荷试验是评价地基承载力及变形特性最为有效的方法之一。在场地内选取2个相邻测试点，分别为1#测试点、2#测试点，将测试点位置土体开挖至0.5 m深度处，承压板面积为0.5 m2，采用分级维持荷载沉降相对稳定法，对1#测试点承压板按50 kPa加载增量进行加载，对2#测试点承压板按60 kPa加载增量进行加载，加载不少于8级，1#测试点和2#测试点的P-S曲线较为一致，表明场区内花岗岩残积土的力学性质较为均匀，在荷载小于等于400 kPa时，曲线呈线性关系，大于400 kPa曲线出现一定斜率的变化。2#测试点P-S曲线在加载至1 000 kPa时，沉降比前一级陡然增加，对于前一级荷载沉降量的5倍，表明土体已达到承载能力极限值，终止加载(图4)。

图4 平板载荷试验P-S曲线Fig.4 P-S curve of the loading test

因此，根据2#测试点的测试数据分析花岗岩残积土的强度及变形参数，当荷载在800 kPa时，曲线沉降值出现突然增大，说明土体已经达到极限承载力，即极限荷载取前一级荷载740 kPa。根据地基沉降计算的新方法及其应用[7]计算公式可知：

(1)

式中：pu为地基极限承载力，kN；Nc、Nq、Nγ为无量纲承载力系数；c为土的黏聚力(kPa)；q为基础两侧土压力(q=γ0dkPa)，若地基土是均质，则基础两侧土压力q=γd，若地基土是非均质，则γ0是基底以上土的加权平均重度，d为基底埋深(m)；b为基础宽度(m)。

根据公式(1)及2#测试点测试数据，可以由载荷试验反演得出花岗岩残积土的强度参数c、φ结合室内直剪试验结果，场区内花岗岩残积土的黏聚力(c)为35 kPa、内摩擦角(φ)为29°。

根据文献[8]可知平板载荷试验的的土体变形模量，可以由p=Pu/2对应的变形模量E50确定，即：

(2)

式中：E50为土体的变形模量(MPa)；ω为与试验深度和土体有关的系数；μ为土的泊松比；s50为与Pu/2对应的沉降(mm)。

根据公式(2)及2#测试点的测试数据，可以计算出本场区花岗岩残积土的变形模量E50=19.50 MPa。

4 结论

(1)花岗岩残积土在风化过程中仍保留了母岩的部分结构构造特征，增强了花岗岩残积土受外荷载时的抗变形能力。

(2)长石等矿物风化成的次生矿物主要为高岭土，对花岗岩的粗颗粒具有一定的胶结作用，加强了颗粒间的结合度，使其抗剪强度有所增加，固结效应也可以一定程度提高土体的强度。因此，对花岗岩残积土的地基应尽量减少扰动，避免因土体的扰动使得残积土保留的原状结构和构造受到扰动而强度降低。

(3)场区内标贯试验表明，随着深度的增加，标贯击数也不断增加，花岗岩残积土的风化是由上至下的过程，建筑基础应尽可能利用深部承载力较高的地层。

(4)利用平板载荷试验，取花岗岩残积土的极限荷载为740 kPa，由此可以反演出土体的强度和变形参数。