花岗岩地区残积土研究分析

一、绪论在我国的许多地区，花岗岩覆盖面积较大，尤其是在广东、福建等一些东部和东南部地区，花岗岩的占地面积会达到这些地区总面积的10%以上甚至更大。花岗岩母岩在长期的物理和化学作用下，露出的部分会被风化成壳且厚度极大，但花岗岩表层的残留在原地的碎屑物即成为花岗岩残积土[1]。花岗岩残积土作为我国华南地区的一种主要土类，这种土的性质十分特别，然而我们现在对花岗岩残积土的工程特性的相关知识少之又少，所以在实际的建筑工程项目当中边坡破坏造成的山体塌方，以及局部崩坏等施工产生的副作用经常会出现[2]。本文选择调查的地区是梅州市，广东省作为台风等自然灾害高发地，工程建设中会遭遇更多的意外情况，由于该地区有很多高高低低的山丘，但平原地区占地面积很少，存在着很多会出现花岗岩边坡破坏的可能性。根据资料显示，该地区还存在着很多不合理的削坡方式，加上当地的气候属于亚热带季风气候，全年的温度都比较高，而且降水量十分丰沛，再加上花岗岩的残积土自身还具有特殊的性质[3]，这一系列的因素就导致每年降雨频率高的天气很容易出现花岗岩残积土的边坡破坏灾害，会给当地人民和国家带来很大的不便和损失[4]。因此，就需要我们对这些地方的花岗岩残积土边坡的破坏规律有充分的了解，从而帮助这些地区从根本上顺利解决由于花岗岩残积土边坡破坏带来的灾害。二、花岗岩地区残积土的特性分析（一）花岗岩残积土的颗粒组成经花岗岩残积土相关文献研究显示，粗粒花岗岩经过风化形成的残积土的颗粒组成特点明显具有在两端相对较大，而在中部较小的规律。大于2毫米的花岗岩残积土颗粒由石英颗粒为其主要材料成分所组成的，颗粒含量在20%至40%之间;小于0.075毫米的花岗岩残积土颗粒是由黏土矿物为主要材料成分所组成的，其颗粒含量在40%到60%之间；其余花岗岩残积土土样颗粒是由石英和剩余的长石颗粒为主要材料成分所组成的，其颗粒为2毫米至0.075毫米。大于2mm的粗颗粒土，通常被称为中等砾砂；小于0.5毫米的细颗粒土通常被称为黏土，具体取决于它们的可塑性。花岗岩残积土颗粒含量(%)中＞2mm，则可分为砾石土、砂土、黏性土，具体分类要按照国家规定的相关工程手册进行分类，比如说，《土木工程与地质手册》这本书比较规范，权威性也比较高，广受业界的认可，其中，对于花岗岩残积土的分类更加详细和具体[5]。（二）花岗岩残积土的透水性花岗岩残积土具有透水性的特点，并且其透水性能表现出来的性质很小，它的透水性系数通常是1×～1×cm/s，渗透率随残留土壤的类型而变化很大，最大值可能是小值的几倍甚至到几十倍之间不等。虽然土质都具有不同强度的渗水性，但花岗岩在这方面明显处于弱，其土壤的粘性比较大，因此相较于一般的岩土残积土，其渗透率非常低，而且按照不同的成分组成，砾质的比较砂质的透水性更强[6]。（三）花岗岩残积土的固结性在实际工程项目中的实践表明，花岗岩残积土的固结速度通常都很快，固结速度与粉质黏土和粉砂的初始含量差不多。一般而言，施工的对象如果完成了固化，那么接下来也会迅速完成沉降工作，在这之后的变化量就比较小了。承载力测试表明，我们探究的残疾土强度比较好，一般可以承受巨大的压力，也不会变形，所以，在大型建筑物的地基过程中，都需要用到这类花岗岩残积土[7]。（四）花岗岩残积土的压缩性在实际的工程项目中，土类的最终目的都是用于建造气密性良好的建筑材料，所以，良好的可压缩性质是评判土质高低的一个重要指标。而花岗岩残积土在这方面的表现比较好，其具体的形变原理在这里进行简要说明，在开始的时候，石英粒子相互挤压，由于其本身就有粘性，则会变成一个个比较大块的颗粒，在这个过程中，形变的表征量会相应增加，当应力低于八十千帕的时候，土壤并不能产生较好的弹性，压缩后的表现比较差[8]。（五）花岗岩残积土的结构性所谓的结构性，放到花岗岩残积土这个特定的场景应用中，觉得就是不同材质的颗粒，比如石英颗粒以及其他材质的粒子，相互之间的间隙以及不同的排列方式，这些统称为土质的结构性。对于花岗岩残积土来说，由于间隙比较大，而且渗透性比较低，粘性大的特点，整体而言，该土质比较容易崩坏，或者容易与水柔合变得更加软，在特定的工程应用中，这种现象不是好事，这意味着它的结构被破坏的很明显，当你需要用到它的强度时，就会发现含水量越大的土质越不容易成型，其物理学中的力学性质被破坏的就很大。总之对于土质的结构性，需要多加注意[9]。三、花岗岩地区地质灾害类型及特征（一）泥石流及滑坡灾害在花岗岩残积土地区，我们经常会看到泥石流灾害的发生，这是由于在特定的地形条件下花岗岩残积土会发生滑坡和崩塌，从而造成局部的泥石流灾害，而出现滑坡或者坡面崩溃的情况，这主要是受自然灾害的影响。然而，风化是一种特殊的情况，不同的风化岩石具有不同的渗透率。渗透水可以轻松地在花岗岩残积土的强、中风化带里面进行流动，也可以从缝隙中见缝插针的排出。此外，组成残积土的颗粒物质如果比较多，那么疏水特征就比较好，具体表现为具有较高的吸水率。在降雨过程中，在有利的地形和主要或次要结构面的结合下，雨水渗透到次要裂缝和孔隙中后，部分土壤中的含水量增加，甚至可以实现饱和的清香，这样一来，土壤的重量将进一步的加大，这里有一个负面的作用，即土壤的粘性被破坏了，其应力和静摩擦系数也会随之变小，浅层地下水会由于土壤的自重和水的浸泡，使得花岗岩残积土更容易沿其自身结构面下滑，滑坡通常也是这样引起的。花岗岩岩土的风化程度可通过观察其形成的风化层的厚度来辨别，风化层越厚岩土土体出现的缝隙越多，就越容易产生滑坡，越容易在受人为和降雨等因素的影响下，引起花岗岩残积土边坡发生破坏[10]。（二）风化及崩塌灾害风化花岗岩区域中的风化球会造成风化土层的地基不均匀，从而导致土体边坡隐含着不安全的风险，并对基础工程施工产生一定的影响。部分区域花岗岩残积土暴露在空气中，并且经常易形成不稳定的岩石，在强降雨的影响下，风化球会发生塌陷并滚落，从而引起花岗岩残积土的崩塌[11]。（三）边坡渗流灾害影响花岗岩残积土边坡稳定的重要因素之一就是降雨，其较为直接的表现为花岗岩残积土边坡土体的含水量的变化。随着降雨的持续不断，边坡土体的孔隙水压力、渗流速度和渗透力等渗流特性与此同时也不断变化，所以在降水条件下花岗岩残积土边坡的内部渗透场也会不断变化，并且其稳态也是连续的。因此，要想研究花岗岩残积土边坡的稳定性问题，必须先研究花岗岩残积土边坡渗流在降雨条件的作用下的变化规律。花岗岩残积土和雨水之间具有以下关系[12]。边坡土的含水量受降雨强度及降水时间的影响花岗岩残积土边坡土的含水量会随着降雨强度的增大和降水时间的增长而变化得越来越大，同时雨水产生的的渗透深度就越深。由于初始水分含量的差异，花岗岩残积土边坡底部土体含水量在降雨强度较大时会先达到饱和状态，然而，降水对坡面含水量增加的影响大于坡中、坡底。坡面土壤体积含水量的增加呈下降趋势，表明降雨初期土壤含水量增加较大，后期较小。降雨的空间表现为坡顶土壤含水量大幅度增加，坡脚含水量略有增加。孔隙水压力受降雨强度和降雨时长的影响花岗岩残积土节点处的孔隙水压力在降雨强度和降雨时长不同的条件下变化规律和体积含水量相似：当降雨强度增大、降雨时长增加时，孔隙水压力的变化也会越大，会导致土中含有越来越多的雨水。另一方面，如果不在降水，并且又过了一段相对比较干燥的时间，间隙间的水压不再那么具有压迫力，随着水位的下降，渗水的速度也会下降，所以说水位对于渗水的影响是比较大。我们做过一个相关的实验，就是在其他条件相同的情况，保证降水量一致，对照组是短期强效降水，而实验组则是长期的降水，最终发现，一段时间以后，前者的渗透速率竟然是更小的，这与我们的直观感受不一致，似乎雨水越急，那么渗透速率也越大，但实际上水压才是起关键作用的。花岗岩残积土节点渗流速率受降雨的强度和时间的正向影响花岗岩残积土节点渗流速率在降雨的过程当中，会随着降雨的强度和时间的增加而增大，最终呈现了一种可以简述为“增大—减小—增大”的趋势。在降雨过程中节点渗透力的表现趋势为先增大后减小，在降雨早期达到峰值，而且越大的降雨强度，节点渗透性越快达到峰值，坡顶最大渗透高度越低，仅与降雨强度有关，与降雨历时无关。其实其余的面也与降雨的总时长没有关系，他们的渗透水能力与降水周期这个外界因素无关。如果经过一段时期的降雨，而后停止施水，那么渗水的情况表现为，速率先增加然后缓慢下降。此时，相渗透率受到降雨的干扰。四、花岗岩残积土边坡稳定性的影响因素（一）边坡模型的建立与计算降水其实并不能够用一个平均值去代入，因为这是一个不断在变化的过程，而且雨水量的累积则会导致花岗岩残积土边坡的土体体积水含量和孔隙水压力不断变化。不饱和抗剪强度理论中的基质吸力随体积含水量的增加而增加，进而边坡的稳定性会由于含水量不断的变化受到影响。在此理论的分析之后，能够开始进行实验，最终实现的目标是得到目标土质的边坡稳定程度与降水的具体关系是什么。而且这个变量并不能够用控制变量法进行讨论，因为降水会同时影响其他的因素，比如说一定要把土质的吸水能力考虑进去，这也会影响后续的工作。这里采用的办法是，使用完全饱和的参数进行假设和进一步验证。这些参数已足够，并且结合相关信息，在表4-1中列出了每个土壤层的相关参数设置。表4-1各土层力学参数土层名称重度（kN/m3）粘聚力(kPa)内摩擦角(º)坡残积土18.79.221.1砾质粘性土18.66.9423.63本论文所讨论的方法中，将各种影响因素方案结合到以下四个计算方案中，来进一步探讨单位时间内降水量的相对强弱，以及总的降雨持续时长，还有土地的边坡倾斜度，还有高度对于整体的稳定程度的作用。计算办法一：这里设置第一种暴雨条件，就是每天降水60毫米，持续一天。而比较强的“暴雨”，则指的是120毫米降水一天，最终我们把得到的参数大小插入到SLOPE/W，最后可以方便得到结论，即相同降雨周期下但不同降雨强度时边坡的安全系数变化情况。稳定性计算方案二：选取暴雨条件1降水强度60mm每天，降水周期为一天、暴雨条件2降水强度为每日60毫米，而且持续的时间为两日。另外，设置第三种暴雨条件，就是，降水是每日60毫升，总体持续三日，这样的应用场景下来计算我们需要的参数。计算办法三：第一种计算方案是，设置坡比是一倍的关系，而降水条件选择条件一的大暴雨形式，，第二种计算方案是，设置一对0.8的形式安置斜坡，降水仍然选用上面说的条件一的大暴雨模式。第三种设计的思路是，采用二倍的坡度关系，选择上述降雨模式，最终我们算得的结果是关于安全系数和透水率的，需要将具体的数值插入到SLOPE/W之中，最后得到稳定的程度与不同坡度比的关系。稳定性计算方案四：我们这里选用橡树方案三中的计算办法三，也就是说，采用二倍的斜率关系，大概角度为62度，在一开始的办法之下改变坡高，来研究相同土层分布情况下边坡高度对边坡安全系数的影响，得到分别在5米、7.5米、12.5米和15米的坡高的坡面相对位移还有整体的稳定程度之间的关系，以及后续的趋势。（二）降雨强度对边坡稳定性的影响在稳定计算方案一的背景下，根据不同降雨强度条件下边坡入渗场的分析结果，在图4-1中整理了边坡临界滑动面稳定性在三种不同降雨强度条件下的变化情况。分析图4-1得出，降雨开始的时候边坡稳定性的安全系数为1.593，且相对稳定性较好。如果将不同降雨强度下的边坡安全系数的波动范围进行比较，则边坡最低稳定性系数在暴雨条件一下为1.553，下降幅度很小，边坡最低稳定性系数在大暴雨降雨条件下为1.467，而边坡最低稳定性系数在特大暴雨条件下为1.355，这是非常极端的。由此得出稳定性系数随着降雨强度变化越大，下降幅度和下降速率越大。通过对不同降水条件下稳定性系数的增加曲线作对比，就会看出，边坡稳定性系数会随着降水强度增高而增加速度越来越快。这是因为土体含水量随着降雨强度增高而越来越高。降雨后渗透的水越多，孔隙中的水压消散得越快，抗剪强度和安全系数增加的就越快。图4-SEQ图\*ARABIC\s11边坡临界滑面在不同降雨强度工况安全系数变化图图4-2显示了降雨初期斜坡的临界滑动面，图4-3至4-5显示了在24小时降雨期间不同降水强度下斜坡的临界滑动面的分布。如果将图4-2和图4-5进行比较，由此得出，边坡的临界滑动面在暴雨条件1下还相对来说比较浅，而降水量低时可能会发生浅层基础滑坡。图4-SEQ图\*ARABIC\s12降雨初始时刻边坡临界滑动面图4-SEQ图\*ARABIC\s13边坡临界滑动面（暴雨条件1，降雨24h）图4-SEQ图\*ARABIC\s14边坡临界滑动面（大暴雨条件，降雨24h）图4-SEQ图\*ARABIC\s15边坡临界滑动面（特大暴雨条件，降雨24h）从以上分析可以看出，在本文提出的三种降水强度条件下，假设没有过去降水的影响，边坡坡度仍然处于稳定状态，边坡整体在不同降雨强度条件下也还位于比较平滑的情况。实际的降水和施工过程中，地下水量也会干扰坡度的大小，而且不能避免的就是前期可能会有水流经过以及降水发生，这些相关因素的影响下，含水量可能比分析出来的的理论值要高，所以要求我们在现实边坡防护过程中，一定要加强对坡脚附近的之类的边坡软弱部位的治理和保护措施。（三）降雨历时对边坡稳定性的影响采用稳定性计算方案二，根据前文对边坡入渗场在不同降水周期的作用下的分析结果，对三种不同降水周期下边坡临界滑动面安全系数的变化进行分类如图4-6。根据图4-6来看，在降雨前两天，雨水入渗导致边坡孔隙水压力大幅度增加。在不同降雨条件下，花岗岩残积土边坡临界滑动面稳定性会随着雨水的渗透而不断的被破坏，从曲线中可以看出，其中有两天的下降率甚至达到了12.5%，到第三天的时候，稳定性下降幅度为0.036每天。因此，基质吸力大大降低，则会引起稳定性也急剧下滑，随后可以过度到一个动态平衡的阶段，具体可以通过第三天的特征表现出来，在平衡的时候，坡度和相对滑面变化都不是很明显，但是接下来，雨量没有停止增加，那么孔隙就会逐渐加大，遭受到的雨水的压强会使得剪应力上升，当雨水停止后，孔隙压力减小，相应的，抗剪程度会变大，这些都会影响到安全系数的大小，实际上，我们可以看到不同的暴雨条件所对应的安全系数变化，出现条件一的时候，安全系数以0.4%的倍率上升，而在条件二、三的时候，上升速率则分别是0.8%和1.6%，这个数值的变化就反映了，当降水量越大，时间越长，土体中的含水量越高，降雨结束后从土体中流出的水量也越多，所以边坡的孔隙水压力降低速度也越快。图4-6临界滑面安全系数在不同降雨历时条件变化图边坡的临界坡度还受哪些因素的影响呢？这里进行降水的时长与其坡度比之间的关系记录实验，如图4-7和图4-8所示，安排了降雨结束时，将暴雨条件2和暴雨条件3下边坡在降雨结束时刻临界滑面位置和安全系数进行整理（如图4-3为在暴雨条件1下的边坡临界滑面）。相比之下，降雨的雨水渗透影响面积随着降雨时间的增长而逐渐扩大，临界滑面从浅向深发生偏移，从而导致其滑坡面积的也越来越大，而在这些不同的降雨条件下地下水位的变化很微小。图4-7暴雨条件2下降雨48h边坡临界滑动面图4-8暴雨条件3下降雨72h边坡临界滑动面（四）边坡坡比对边坡稳定性的影响在本文第三章不同坡度比设计方案的渗流分析结果的基础上，研究不同坡度比在降雨过程中边坡安全系数的波动规律，建立起边坡坡度安全系数的计算模型。降雨条件下边坡界面安全系数的变化方案如图4-9所示。从图4-9可以看出，坡度比方案1（坡度比1：1）的坡度安全系数从开始时的1.691降低到降雨条件下的1.585。减小范围为0.106，并且计划II的安全系数（坡度比1：0.8）从1.593降至1.466，减小范围为0.127，坡度比为1：0.5，初始时间为1.490至1.327，减小范围为0.183，这意味着，坡度的初始状态和降雨过程的稳定性在坡度比越大的时候就会越低，同时下降范围也越大。降雨停止以后，方案一的边坡稳定性在30h达到最小状态，而方案二和方案三的边坡安全系数分别在24h和27h达到最小值。由于前面图4-2和图4-4已经显示了在大暴雨条件下坡比设计方案二的边坡在未降雨时和经过降雨24小时后的临界滑动面，因此此处只把坡比方案一和方案三边坡在未降雨的时候和经过降雨24小时以后的临界滑动面的分布情况总结在下图4-10至图4-13当中。如果我们比较这些设计策略的相关结果呈现出了趋势，从中我们可以得出结论，如果坡比变大，那么滑动的可能就会变，最终呈现出来的滑动相对面积则会增加。如果这个土坡没有被大量的降水，或者说降水已经结束，那么这两种情况均有向边坡深处偏移的趋势，如果这个比值更高，直到到达临界阈值，那么这个上下部分的相对滑动会导致两部分彻底分离，万一真的出现了这种情形，地下水位变化也随着坡比的增加而变化程度变大。图4-9不同坡比方案各个临界滑动面安全系数变化图图4-10方案一边坡初始时刻临界滑动面图4-11方案一降雨24h时边坡临界滑动面图4-12方案三边坡初始时刻临界滑面图4-13方案三时降雨24h边坡临界滑面（五）坡高对边坡稳定性的影响当每天降雨达到120mm，降雨时长为一天的时候，把坡比计算方案三的边坡看作基本模型，通过改变坡高，研究得到在多个不同高度的边坡，其边坡坡高的稳定性变化规律。如表4-2所示为，整理了在大暴雨条件下各坡高边坡的初始安全系数和最小安全系数。从下表中分析得出：花岗岩残积土边坡的高度越来越高，边坡的初始稳定性就越来越低，经过大暴雨的作用，同时随着坡高的增加其边坡的结构可能会被破坏的严重，在国标发起的文件中，我们可以得出相关的技术规范定义，具体的来说就是，定义了如表4-3所示的边坡工程等级和如表4-4所示的边坡稳定安全系数，与表4-2中的坡高安全系数相比，降雨时边坡最低稳定性在坡高为10米处的值为1.337，边坡初始稳定性在其边坡高度增加至12.5米的时候，其值为1.406，但是在大暴雨条件下其最低稳定性，已小于规定的二级边坡稳定性安全系数，其值为为1.223。所以要求花岗岩残积土边坡得到充分的防护与加固处理，由此得出，任何具有类似土层分布的边坡，它的边坡坡高都需要严格控制在1米到12.5米范围里。如图4-14至图4-21所示，整理了分别在不同坡高下边坡初始时刻和降雨24小时之后的临界滑动面分布情况，可以从图中得出：花岗岩残积土边坡的滑动面在坡比相同的条件下，一般都是从边坡坡脚上面移出，而与此同时，边坡地下水位变化也随着降雨的变化受到很大影响。图4-16坡高7.5m时的边坡初始临界滑动面图4-17坡高7.5m降雨24h后边坡临界滑动面图4-18坡高12.5m时的边坡初始临界滑动面图4-19坡高12.5m降雨24h后边坡临界滑动面图4-20坡高15m时的边坡初始临界滑动面图4-21坡高15m降雨24h后边坡临界滑动面结论综上所述，本文通过对花岗岩残积土边坡破坏的研究，得到如下结论：花岗岩残积土边坡地质灾点多，规模小，主要为土质边坡破坏灾害。按地理分布上看，花岗岩残积土边坡破坏主要分布在容易形成较厚岩土堆积层的地方和地形较为陡峭的地区；从发生时间上看，花岗岩残积土边坡破坏主要集中在每年3至9月降雨多发季节期间。综合分析得出花岗岩地区边坡灾害的主要影响因素为特殊的花岗岩残积土质