全风化花岗岩与花岗岩残积土的判别及物理力学性质对比

周小文，罗兴财

(1.华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室，广州 510640； 2.中铁南方投资集团 东莞公司，广东 东莞 523037)

1 研究背景

花岗岩在全国都有分布，在华南地区尤其珠三角是分布最为广泛的一类岩石。按照风化程度，一般分为未风化、微风化、中风化、强风化、全风化和残积土6个等级，其中，全风化花岗岩(Completely Decomposed Granite，CDG)和花岗岩残积土(Granite Residual Soil，GRS)属于土类。在亚热带温湿气候以及多雨淋析的环境下，华南地区花岗岩的风化程度、特征等与全国其他地区的花岗岩有巨大的差异，所形成的风化土覆盖层厚度较大，全风化花岗岩和花岗岩残积土的工程性质与其他地区的风化土也有显著的区别。该区域的花岗岩风化土有特殊的结构性，干燥时强度较高，泡水或受到震动后(甚至只要暴露于空气)强度显著降低，经常引起工程事故或地质灾害，因此，被视为“区域性土”或“特殊土”。

国内对于华南地区花岗岩残积土和全风化花岗岩已有较多的研究，对其特殊的物理力学特性已形成一定的共识，如“两高两低”(高孔隙比、高强度和低密度、中低压缩性)、遇水易崩解、易滑坡、承载力需打折[1-6]。但是，在已有的研究中，较少对花岗岩残积土和全风化花岗岩进行区分，尤其在结构性的表现、破坏形态、强度、本构关系等方面，未作深入的比较研究，少有的比较研究仅针对现场标贯值方面[7]。有一些研究者[8-10]探讨了花岗岩风化带的划分及颗粒分析、矿物化学成分等指标的相互关系。但是，在工程现场由于缺乏明确的判别标准，对二者的区分与定名仍存在较大的困难。针对上述问题，笔者基于有关规范对2种土的判别方法进行分析和总结，并取样进行试验以比较其物理力学特性。鉴于问题的复杂性以及试验数量有限，本文提出的认识有待进一步验证与深化。期望本文工作对于在工程中辨识全风化花岗岩与花岗岩残积土以及选取合适的力学指标具有一定的参考价值。

2 有关规范对花岗岩风化程度的划分

国家标准及行业标准中，对于岩石风化程度分级的指标及方法大同小异，但在涉及花岗岩方面有一些细小的差别。

2.1 相关规范关于岩石风化程度的划分

2.1.1 《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)(2009年版)

岩石的风化程度按照表1划分。由于全风化岩和残积土都属于土类，无法取样测定抗压强度，因此，以波速比Kv作为区分全风化岩与残积土的主要指标，全风化岩Kv=0.2～0.4，残积土Kv<0.2。另外，专门针对花岗岩类岩石，规定可采用标准贯入试验实测击数N′划分：N′≥50为强风化，50>N′≥30为全风化，N′<30为残积土。可见，在国家标准中，花岗岩具有一定的特殊性。该规范还允许根据当地经验划分风化程度。

表1 岩石风化程度划分(《岩土工程勘察规范》)Table 1 Division of weathering degree of rock(Code for investigation of geotechnical engineering)

2.1.2 《城市轨道交通岩土工程勘察规范》(GB 5030—2012)

该行业规范同样按照野外特征、波速比Kv、风化系数Kf和标准贯入值进行划分，且其分级界限与《岩土工程勘察规范》基本一致。同时，该规范将风化的花岗岩列入了特殊土，对花岗岩强风化岩、全风化岩与残积土的划分专门有一个表格，如表2所示。除标准贯入试验实测击数(简称标贯值)以外，增加了剪切波速的划分指标。

表2 花岗岩类的强风化岩、全风化岩与残积土划分(《城市轨道交通岩土工程勘察规范》)Table 2 Classification of strongly weathered rock,completely decomposed rock, and residual soil of granite(Code for geotechnical investigation of urban rail transit)

现实中大多数工程勘测很少做剪切波波速的测试，大多数以标准贯入试验为主。因此，执行该规范时，在判别全风化花岗岩与花岗岩残积土方面与《岩土工程勘察规范》并无大的差别。

2.1.3 《铁路工程岩土分类标准》(TB 10077—2019)

该规范对岩体进行风化程度的划分，将岩体分为未风化、微风化、弱风化、强风化、全风化5个风化等级，其野外鉴定的定性方法在岩石矿物颜色、结构、破碎程度、坚硬程度上描述更加细致，定量指标则采用风化系数、波速比、纵波速度3个指标。但是，该规范未在全风化之后再列残积土等级。

2.1.4 《广东省建筑地基基础设计规范》(DBJ 15-31—2016)

该规范关于不同风化等级的野外特征描述与《岩土工程勘察规范》基本一致，未纳入波速比、风化系数的划分标准。在用实测标贯值定量划分全风化与残积土方面，将花岗岩与其他岩石进行了区分。对于花岗岩，N′≥70为强风化岩、70>N′≥40为全风化、N′<40为残积土。对于其他岩石，N′≥50为强风化岩、50>N′≥30为全风化、N′<30为残积土。可见，该规范实质是对花岗岩风化土(全风化和残积土)的标贯值做了折减。这是考虑了花岗岩风化土的结构性，认为结构性强度是不完全可靠的。比如，一般岩石N′=38时，划归为全风化土，但是，对于花岗岩，N′=38时已成为残积土。

2.2 全风化花岗岩与花岗岩残积土判别的困难及新思路

上述国家标准、地方标准和行业标准在划分岩石风化程度方面，一般既有野外定性描述，也有波速比、风化系数和(或)标贯值的定量标准，基本能满足工程需要。但是，针对全风化花岗岩和花岗岩残积土，在实际判别时往往存在一定的困难，主要困难有：

(1)全风化花岗岩与花岗岩残积土的定性描述从文字上容易理解，但是，现场较难判断。例如，组织结构基本破坏与完全破坏并没有明显界限，实际二者都表现有原岩的纹路，都有结构性，只是程度稍有差异，很难判断。如在是否容易用镐挖掘方面，也不易判断，原因是当土体含水率较低时，强度都比较高，用镐挖掘都不易。吴仕川[11]曾提出，由于燕山期花岗岩风化带为逐渐过渡，分界不明显，勘察人员按照感官法对持力层勘验时，风化带的鉴别难以准确把握，常尽量向偏于工程安全的方向划分。例如，将全风化判定为残积土，或将土状强风化判定为全风化，中风化判定为强风化，这样造成桩基工程的大量浪费。

(2) 我国工程地质勘察早已形成一个突出的特点，即标准贯入试验一般必做，而静力触探和波速测试等较为繁琐的试验则做得很少。因此，区分花岗岩全风化土与残积土的定量手段基本只剩下标贯值。《岩土工程勘察规范》以N′=30作为全风化土与残积土的分界，而《广东省建筑地基基础设计规范》则以N′=40为分界值。二者有较大的差别，给定名造成困惑。实践中，大多数地质勘察单位习惯以N′=30划分。此外，实测标贯值N′受上覆土层厚度影响较大。表层全风化花岗岩的N′有可能<30(或40)，而下部残积土的N′也有可能>30(或40)，这也给基于N′的土层定名带来不确定性。

针对上述问题，笔者认为可以考虑将颗粒级配特性作为辅助的定量指标。根据经验，华南地区全风化花岗岩一般是细砂-粗砂的成分较多，黏土成分较少。如香港的CDG颗粒>0.1 mm的占80%以上，平均粒径为1.5 mm左右。因此，将某种或某几种级配特征，如平均粒径或2 mm以上颗粒含量或其他粒径特征，作为判别全风化花岗岩与残积土的辅助指标，或许是合适的。对于这一设想，有必要针对全风化土与残积土开展专门的颗粒级配特征的统计分析。

3 取样及试验方案

全风化花岗岩和花岗岩残积土的风化程度不同，导致其颗粒组成特征等物理性质不同以及保留(或演变)的内在结构性不同。深圳市地基覆盖层普遍分布有花岗岩残积土和全风化花岗岩。在深圳某基坑工地中，依据该工程地质勘察报告所定名的全风化花岗岩和花岗岩残积土(按照外观特征以及标贯值)，取二者的原状样和重塑样。原状样的形态见图1。

图1 全风化花岗岩与花岗岩残积土土样外观Fig.1 Field sampled appearances of CDG and GRS

对2种土样进行了物理力学性试验。物理性质试验包括密度、含水率、相对密度、颗粒分析和细粒部分的流塑限。力学性质试验包括原状样与重塑样的三轴固结排水剪和固结不排水剪试验。力学性质试验目的是观察土样的破坏形态、测试土样的强度参数并分析土样结构性的影响。

三轴重塑样按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)利用击样法制备，控制干密度与含水率与对应的原状土相同。

三轴试验采用华南理工大学GDS应力路径三轴仪进行，圆柱体试样尺寸为Φ38 mm×76 mm。原状样和重塑样皆采用真空饱和与反压饱和，经B值检测，土样饱和度都在0.98以上。各向等压固结时的加卸载速率为15 kPa/h，排水剪切与不排水剪切的轴向位移加载速率为0.015 2 mm/min。对不同的试样分别采用了50、100、125、200、225、300、350 kPa等多种围压。

4 全风化花岗岩和花岗岩残积土性质比较

4.1 物理性质比较

图2为全风化岩与残积土颗粒分析曲线。从图2可以看出，全风化岩粗颗粒含量明显高于残积土，细颗粒(<0.075 mm)比例比残积土低很多。由表3可见，残积土的塑性指数也比全风化花岗岩高。这说明残积土中原生矿物分解得更彻底，细粒含量高。全风化花岗岩≤0.075 mm的粒径含量为47%(<50%)，粉粒含量为22.5%(<50%)，按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)定名为黏土质砂。残积土<0.075 mm的粒径含量为58.3%(>50%)，液限为42.4%(<50%)，定名为低液限黏土。残积土中含有39.2%和2.5%的砾，同时定名为含砂黏土。

表3 物理性质对比Table 3 Comparison of physical properties between CDG and GRS

图2 全风化花岗岩与花岗岩残积土颗粒分析曲线Fig.2 Particle distribution curves of CDG and GRS

由图1可见，全风化岩呈黄色，表面粗糙，砂含量高，而残积土除了黄色以外，还分布着大片的白色和红色，显示残积土中的长石、黑云母等矿物已大部分风化为白色的高岭土。不稳定的各种氧化物被大量淋滤掉，而较稳定的铁、铝等化合物显著富集，使土体表现出褐红色、黄白色、黄红色等颜色。

关于花岗岩风化带在垂直剖面上物理指标的差异，伍炜豪[12]通过资料的收集和统计，指出由于风化程度的不同，残积土在含水率、孔隙比、液限等指标上都要高于全风化岩。由表3亦可以明显看出这个规律。此外，残积土中0.01～0.05 mm的中间粒径含量仅7%，属于缺乏中间粒径的不良级配。华南地区花岗岩残积土普遍存在程度不同的缺乏中间粒径的现象，主要是多雨、长期淋滤作用导致部分细颗粒流失造成的，这是该地区花岗岩残积土的一个显著特征。

残积土风化程度比全风化花岗岩高，且处于地表表层，淋滤作用更充分，其中的可溶性盐类和部分二氧化硅容易被水带走，从而形成较大的孔隙比，如本残积土样的孔隙比高达0.91。

4.2 破坏形态的比较

4.2.1 原状土的固结排水剪(CD)破坏形态

原状土固结排水剪的试样破坏形态如图3所示，其中，CD50、CD125中的“50”“125”分别表示围压50、125 kPa，以此类推。全风化花岗岩试样在各个围压下受剪破坏形态比较复杂，整体上具有一定的鼓状变形，表面凹凸较杂乱，可见多条小型剪切带，呈现鼓状-剪切带结合的破坏形式。花岗岩残积土颗粒相对较细，受剪后试样表面形态比较规则，在50 kPa围压时出现单一剪切带，而较高围压下呈现鼓状为主、隐含剪切带的破坏形式，亦可认为是鼓状-剪切带结合的破坏形式。鼓状变形是土体的正常压缩变形(竖向压力大于侧向压力)，而剪切带主要是由于土体内在的初始结构(花岗岩易生的内在裂隙网络结构)特征引起应变局部化造成的。

图3 固结排水条件下原状全风化花岗岩和原状花岗岩残积土破坏形态Fig.3 Failure patterns of undisturbed specimens of CDGand GRS under consolidated-drained shear

4.2.2 原状土的固结不排水剪(CU)破坏形态

原状土试样固结不排水剪的破坏形态如图4所示。无论是全风化试样还是残积土试样，其破坏形态都呈现出明显的剪切带。全风化岩的破坏形态虽然同样由于粗颗粒的影响，表现出复杂的形态，但相比排水条件下，其剪切带显得相对集中和明显。对于残积土，即使在高围压下也同样出现了明显的单一剪切带。出现这种现象的原因，分析认为是由于不排水剪切试验中，试样体积不变，土体不能压密，孔隙水压力上升，土骨架的有效应力减小，有利于土体内部变形沿着裂隙剪切带集中发展。因此，不排水条件下花岗岩风化土呈现明显的剪切带破坏。

图4 固结不排水条件下原状全风化花岗岩和原状花岗岩残积土破坏形态Fig.4 Failure patterns of undisturbed specimens of CDG and GRS under consolidated-undrained shear

4.2.3 重塑土剪切的破坏形态

无论是全风化花岗岩还是花岗岩残积土，无论是排水剪还是不排水剪，试验发现，其重塑样三轴剪切破坏时的形态都呈较标准的鼓状破坏。图5给出部分试样的破坏照片。这说明土样重塑以后，已经将原状土的裂隙和结构性全部破坏，土样表现为各向同性的特征，破坏时呈现鼓状破坏形态。

图5 重塑全风化花岗岩固结排水试验和固结不排水试验破坏形态Fig.5 Failure patterns of remolded specimens of CDGunder consolidated-drained shear and consolidated-undrained shear

4.3 应力应变特性及强度的比较

4.3.1 原状土比较

经试验发现，原状土的全风化岩和残积土的应力-应变关系基本都是软化型，低围压时软化明显，高围压时软化程度减轻。为清晰起见，仅列出围压50 kPa时的曲线对比，如图6和图7所示。

图6 原状土固结排水试验应力-应变曲线和体变曲线(σ3=50 kPa)Fig.6 Stress-strain curves and volumetric strain curvesof undisturbed soil specimens under consolidated-drained shear(σ3=50 kPa)

图7 原状土固结不排水试验应力-应变曲线和孔压曲线(σ3=50 kPa)Fig.7 Stress-strain curves and pore pressure curvesof undisturbed soil specimens under consolidated-undrained shear(σ3=50 kPa)

排水剪时，全风化岩的体变由初始的剪缩到显著的剪胀，而残积土则是初始剪缩后发展为剪胀。与此对应，在不排水剪中，全风化岩由初始较小的正孔压转为较大的负孔压，而残积土则由初始的正孔压转变为接近零孔压。

全风化岩和残积土的强度指标见表4。由表4可见：全风化岩的固结不排水强度比残积土略大；全风化岩的排水剪摩擦角φCD略高于残积土，但是，黏聚力相差较大。全风化岩的黏土颗粒比残积土低很多，但黏聚力更大，说明全风化岩有更高的结构性强度，结构性强度主要表现为凝聚力的增加。

表4 原状土强度指标对比Table 4 Comparison of strength parameters ofundisturbed soil between CDG and GRS

4.3.2 重塑土比较

同样以围压50 kPa为例，试验成果见图8和图9。从图8和图9可见，在固结排水与固结不排水试验中，2种重塑土都是应变硬化型的应力-应变关系。

图8 重塑土固结排水试验应力-应变曲线和体变曲线Fig.8 Stress-strain curves and volumetric strain curvesof remodeled soil specimens under consolidated-drained shear

图9 重塑土固结不排水试验应力-应变曲线和孔压曲线Fig.9 Stress-strain curves and pore pressure curvesof remodeled soil specimens under consolidated-undrained shear

强度指标如表5所示。排水条件下，重塑全风化岩的黏聚力与重塑残积土的黏聚力基本一致，说明重塑以后土的结构性丧失。重塑全风化岩的摩擦角比重塑残积土的高3.7°，这应该是由于全风化岩颗粒较粗且密度较大的缘故。

表5 重塑土强度指标对比Table 5 Comparison of strength parameters of remoldedsoil between CDG and GRS

不排水条件下，发现一个似乎异常的现象，即在密度和含砂量比全风化岩小的情况下，残积土的抗剪强度反而比全风化岩略高。由它们的孔压曲线发现，作为黏土质砂的全风化岩的孔压上升得较快，高孔压可能使得其内部土体骨架有效应力减小，从而使得总抗剪强度降低。当然，这种解释还不够充分，试验误差也有可能是一个原因。

4.4 结构性比较

为反映原状土结构性对强度的影响，采用式(1)计算“偏应力结构贡献率”。

(1)

式中：mq为偏应力结构贡献率；qs、qr分别为同一应力状态下原状土与重塑土的偏应力。

考虑到单个试样的对比存在较大的偶然性和离散性，以下采用峰值偏应力结构贡献率随围压变化的曲线来对2种土结构性进行比较。经数据整理得到图10。由图10可以看出：①2种土在低围压下，结构性强度都占有较大的比重，达到60%～70%，此时，结构性强度主要表现为凝聚力作用；②结构性强度的贡献率随着围压升高而快速降低，说明围压越高，起强度作用的主要是摩擦分量，因此，结构性强度所占比重降低；③当围压达到600 kPa时，结构性强度贡献率接近于0，说明高围压的压缩作用可使土样的初始结构性几乎完全破坏；④残积土的结构性贡献率曲线总体上位于全风化岩的下方，表明其结构性强度贡献率低于全风化岩。

图10 全风化花岗岩与花岗岩残积土的结构性对比Fig.10 Comparison of structural stengths between CDGand GRS

笔者认为，原生微裂隙、高孔隙比加上缺乏部分中间粒径，可能使得花岗岩残积土颗粒骨架呈现“积木”类型的特殊架构，一旦某个或多个积木滑脱，整个构架就失稳并形成新的构架。故此，花岗岩残积土在遇水、震动或应力卸荷等扰动下，容易发生大的变形(如崩解)和显著的强度衰减。全风化岩同样具有这种受扰动而力学性质显著变化的特性，但是，程度比残积土轻。因此，残积土的结构性强度更容易被破坏，其结构性强度的贡献率就低于全风化岩。

5 结 语

通过对全风化花岗岩和花岗岩残积土判别方法及物理力学性质的对比分析，得到以下几点认识：

(1) 以野外特征描述与标贯值为主要依据进行全风化花岗岩与花岗岩残积土鉴别时，存在将2种土作出混淆命名的可能性。鉴于全风化花岗岩的级配特征与残积土有显著的差别，前者偏向于砂，后者偏向于黏性土，本文提出应研究将土的某种级配特征(如平均粒径或2 mm以上颗粒含量或其他级配指标)作为辅助指标的可能性。

(2) 残积土的风化程度比全风化岩高，其粒径更细，孔隙比更大，且长期受淋析作用导致中间粒径缺乏，常属于缺乏中间粒径的不良级配。

(3)原状的全风化花岗岩和残积土内存在结构性，剪切时一般会出现应变局部化的剪切带，呈现鼓状-剪切带结合的破坏形式。重塑样则呈较标准的鼓状破坏形式。

(4) 原状全风化花岗岩的排水剪摩擦角φCD略高于残积土，凝聚力会高出更多。全风化岩比残积土有更高的结构性强度，表现为凝聚力增加明显。重塑的全风化岩与重塑的残积土均破坏了原始结构性，排水剪两者凝聚力较为接近，全风化岩由于颗粒较粗且密度更大，其摩擦角也更大，本文试验土样大3.7°。

(5)在低围压时，原状土结构性强度对土体总强度有较大的贡献率，可达到60%～70%，此时，结构性强度主要表现为凝聚力作用；随着围压升高，摩擦分量所占比重加大，结构性强度所占比重降低；受到高围压(>600 kPa)作用时，由于高压缩作用土样的初始结构性可能完全破坏，结构性对强度的贡献趋于0。因此，高围压下，原状土与重塑土的强度接近。