广州地区花岗岩风化图的工程性能.doc

广州地区花岗岩风化图的工程性能莫庭斌在广州地区的东北部和南部，包括越秀山、白云山、从化、增城、天河、黄埔、番禺等地域广泛分布花岗岩构造地层。未经风化或轻微风化的花岗岩是坚硬的，各项物理力学指标均优的良好地基。但花岗岩的风化土（包括风化残积层、全风化层），都有遇水膨胀、软化、崩解，以至于液化流淌的特性；且在全风化层中还有可能埋藏有大小不等，随机分布的球状风化核。花岗岩风化土的这些特点使地下工程的设计和施工遇到不少问题，笔者仅就近年来在花岗岩风化土层中实施的地下工程（包括桩基础工程，深基坑工程及隧道工程）遇到的问题，以及花岗岩风化土的样品分析资料提出一些初步的看法，祈望引起同行对花岗岩风化土的工程性能的重视。1花岗岩风化土的遇水膨胀、软化、崩解现象及原因分析位于广州小北下塘某25层的大楼采用挖孔桩基础，挖孔桩穿越花岗岩风化土层。由于施工期间地表潜水沿围岩与挖孔桩护壁间的界面渗入花岗岩风化土层中，使风化土膨胀，物理力学指标变差，侧向土压力增大，导致护壁受压破坏。最终该工程的挖孔桩基础改为钻孔桩基础，得以完成。在广州地铁2号线、3号线、4号线工程中，穿越广从断层越秀山、天河区五山地域以及南部番禺区花岗岩风化土地带，曾不同程度发生围岩软化、液化流淌、支护结构变形超限等现象。因此花岗岩风化土的工程特性需要进一步深入研究，认真对待。11花岗岩风化残积层（全风化层）的颗粒分析根据工程地质勘探资料、风化残积层和全风化层土样呈明显的粉质土、砂性土、砾质土的特征。地铁3号线工程地质勘探报告中的25个花岗岩风化土样品的土工试验资料反映：残积层7个粉质粘土样品平均含砂率49.5，自由膨胀率平均值26，平均干密度1.52gcm3；10个砂质粘土样品平均含砂（砾）率60.2，自由膨胀率平均值11，平均干密度1.50gcm3；全风化层8个砾质粘土样品平均含砂（砾）率60.4，自由膨胀率平均值13，平均干密度1.57gcm3。这是由于花岗岩在风化过程中，长石风化为高岭土，但石英基本上以砂的形式保留下来而形成的。因此当地下工程施工开挖（或掘进）时，在开挖（掘进）面，由于土中应力释放形成应力松驰圈，使土体的孔隙率加大，当周边的地下水渗入该部分土体，使该部分的土含水率加大。如前面所述，这类风化土含砂量高达50以上，而砂是基本上不再吸收水份的。因此，增加的水量几乎都加到高岭土部分，而导致高岭土的含水量大幅度增加，加上施工过程对土体的扰动，原始土体结构被破坏，使土体的物理力学指标变差、软化，甚至液化流淌。若忽略砂砾表面吸附的水份，在地下水补给丰富达到饱和的条件下，膨胀后的风化土中高岭土成份实际含水率为：其中 高岭土实际含水率膨胀后的土样水量体积的原始土样高岭土重体积的原始土样水重土样原始体积F 自由膨胀率M原始土样粒重S 原始土样含砂率因此M=+由于=原始土样含水率故+式中：第一项为原始原始土样中的高岭土实际含水率第二项为饱和条件下自由膨胀后，高岭土中实际含水率的增量(为原始土样干密度)。最终得到风化土经彼岸膨胀后高岭土成分的实际含水率为：如风化土样品原始含水率为20%，则经应力松驰在饱和条件下，自由膨胀后，风化土中高岭土实际含水率计算如下：粉质粘土：砂质粘土：砾质粘土：可见，当花岗岩风化土应力松驰后，在饱和条件下经自由膨胀，风化的高岭土成分的实际含水率将发生大幅度增加(当然，上述计算是忽略了风化土中砂粒的表面吸附水量的粗略计算)。高岭土的液限含水率一般约为50%60%，塑限含水率一般约为30%。这样按上述计算是，高岭土成分的实际含水率已超出液限含水率。计算结果与工程反映的花岗岩风化土一经开挖暴露后，经12天呈现泥浆状的现象相吻合。1.2关于花岗岩的球状风化核在花岗岩风化土(尤其在全风化层)中，实施桩基础或隧道掘进工程会遇到坚硬的岩块，这些岩块被称为花岗岩球状风化核。其埋藏分布及大小是随机的，难于事先推断预见。形成花岗岩球状风化核的基本原因是岩浆中的石英富集部分不容易被风化所致。当桩基础施工遇到时，容易被误解为达到微风化持力层；在隧道盾构机掘进遇到时，造成极大的困难。因此，应对花岗岩风化土中的这种情况引起足够的重视。2在花岗岩风化土层中地下工程设计与施工应注意的问题（1）工程地质勘察阶段，遇到花岗岩风化构造，应注意查明地下水水文条件；风化土样应做成分分析(包括土样颗粒分析、粘粒矿物成分分析)；自由膨胀率和不同压力下的膨胀率测定；土样含水率改变导致物理力学指标改变的测定。（2）在地下工程设计阶段，支护结构、永久结构的受力分析不能简单套用工程地质勘探报告提供的风化土岩芯物理力学指标，必须对开挖后经自由膨胀或压力条件下膨胀后由于高岭土成分实际含水率改变导致物理力学指标的改变加以研究，然后才确定结构计算采用的土压力参数及承载能力指标。（3）矿山法地下隧道施工中，应对周边地下水加以严格控制，并对掘进区土体进行必要的注浆加固，以尽可能截断水的来源。工程实践证明，认真进行袖阀管注浆固结是一种有效办法。（4）钻孔灌注桩成孔过程中，突然遇到硬岩钻进困难时，应注意分析工程地质资料和周边桩