花岗岩残积土.docx

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花岗岩残积土

1花岗岩残积层的工程地质特征

花岗岩残积土是特定气候、地理、地质环境的产物，具有特殊的成分和结构特征，其工程地质性质与一般土不尽相同，属于区域性特殊土。

这种特殊性可以归结为“两高两低”，即高孔隙比、高强度、低密度和中低压缩性。

一般处于可塑或硬塑状态，矿物成分以高岭石和石英为主，其工程地质性质取决于其物质成分和结构特征。

1.1成因及成分

花岗岩残积土是花岗岩经物理风化和化学风化后残留在原地的碎屑物。

花岗岩的主要成分是石英（20%～30%）、长石（60%～70%）、云母及角闪石（5%～10%），呈全晶质等粒结构，质地坚硬，性质均一，岩块抗压强度高（120～200MPa），但因长石和云母具有节理，使花岗岩多具有三组原生节理，而且由于石英和长石的膨胀系数相差近一倍，在热胀冷缩的过程中，花岗岩表面容易产生裂隙，因此花岗岩易风化，尤其是粗粒结构花岗岩更易风化。

南方气候温暖，气温高，雨量足，相对湿度大，因此化学风化作用强烈，残积物以粘土矿物为主，厚度较大。

花岗岩的化学风化主要是其中占约三分之二的长石在水、水溶液和空气中的氧与二氧化碳等作用下发生水解和碳酸化形成高岭石（Al2O3·2SiO2·2H2O）。

以正长石（K2O·Al2O3·6SiO2）为例，其水解和碳酸化的化学变化如下：

　　K2O·Al2O3·6SiO2+nH2OAl2O3·2SiO2·2H2O+4SiO2·（n-3）H2O+2KOH

　　K2O·Al2O3·6SiO2+CO2+2H2OAl2O3·2SiO2·2H2O+K2CO3+4SiO2

　　风化程度愈强，残积土中高岭石含量愈高，如江西花岗岩残积土中高岭石含量为66%～85%；平均75%；而福建和广东的相应数据分别为65%～93%、平均79%和70%～94%、平均82%[1]。

高岭石结构致密，但吸水性强，遇水后易膨胀和软化，具可塑性和强压缩性。

从物化特性看，花岗岩残积土的pH值很低（属酸性），可溶盐和有机质含量都很少，但游离氧化物含量较多，见表1-1[1]。

表1-1花岗岩残积土部分物化特性指标

地区

pH值

有机质含量（%）

可溶盐含量（%）

游离氧化物含量（%）

难

中

易

总量

SiO2

Fe2O3

Al2O3

总量

江西

4.84

0.24

0.08

0.03

0.02

0.13

2.24

5.17

2.70

9.16

福建

6.04

0.30

0.09

0.02

0.01

0.12

5.32

3.27

3.38

11.97

广东

5.39

0.24

0.07

0.02

0.11

6.50

3.59

4.55

14.64

1.2花岗岩残积土的界定及工程分类

1.2.1花岗岩残积土的界定

在一般情况下，土的定义是岩石在风化作用下形成的大小不等的矿物颗粒，经剥蚀、搬运后沉积下来而形成的松散堆积物。

土体是矿物颗粒、孔隙水、空隙气体的三相集合体，矿物颗粒之间粘结力很小或无粘结，土体的破坏一般表现为剪切破坏，其抗剪强度取决于矿物颗粒之间的粘结力和摩擦力。

风化岩是新鲜完整的岩体因风化作用而变成的破碎岩体，其岩块新鲜或因风化褪色，强度很高，并由岩块构成风化岩体的连续或不连续骨架。

风化岩体的破坏机制主要受结构面控制。

残积土是岩体风化后在原地形成的残余碎屑物质，岩石绝大部分已完全风化为矿物颗粒除孤石外，它与风化岩的共同特点是均保持在原岩所在的位置，未经其他介质的搬运和分选，残积土中必然存在岩体的原生及次生结构面，并且矿物颗粒之间或多或少地保留有原岩的构造，可见如果从残积土的组成来看，它与一般的土基本相同，但残积土的剪切破坏必会受其中残留及次生的结构面影响，即也具有部分岩体破坏的特征。

因此根据土的一般定义，残积土并不是“土”，当然更不属于岩体，而是既非石亦非土的“似土”物质，或可称之为“类质土”。

根据国际标准化组织技术委员会等为代表的国外标准和以岩土工程勘察规范为代表的一部分国内规范，以岩石风化程度的地质特征为基础，结合岩体的裂隙或碎裂程度等，将岩石风化剖面划分为6个带，即未风化、微风化、中等风化、强风化、全风化、残积土等6个带，其中强风化以下为岩石，强风化岩以上的全风化带的主体特征己呈现为土的性状，虽然它仍然保存原岩结构的外观特征，但已完全不符合岩石的“颗粒间牢固联结、呈整体或具有节理、裂隙的岩体”的定义，而只是风化程度相对较轻的深层残积土。

而所谓的残积土，岩体和岩石的组织构造已完全丧失，实际上指的是风化相对彻底的表层残积土。

1.2.2花岗岩残积土的工程分类

花岗岩残积土是物质组成和地质结构较复杂的综合地质体，土的类型不同，产生的工程地质问题和地质灾害的种类和可能性是不同的。

为了满足工程建设的要求，进一步对其进行类型划分是十分必要的。

广州地铁花岗岩残积土现用分类方法

据所搜集的广州市地铁对花岗岩残积土大量勘察报告表明，历年来各勘察单位对花岗岩残积土的分类方法基本一致。

首先根据母岩岩性的差异，将其分为花岗岩残积土和混合花岗岩残积土两大类，其代号分别为5H和5Z。

每一大类按稠度状态分别为可塑和硬塑的残积土，其代号分别为5H-1、5H-2和5Z-1、5Z-2，在工程地质剖面图中以此作为分层的基本单元，并据此分别提供物理力学性质参数。

在此基础上，根据试验资料，以粒径d>2mm颗粒含量为分类主因素进行定量分类。

分类见下表1-2。

个别勘察单位还将d>2mm颗粒的含量小于10%时，分为粉质粘性土。

其中以砂质粘性土分布最广。

表1-2残积土的分类表

d>2mm颗粒含量（%）

>20%

<20%

分类

砾质粘性土

砂质粘性土

粘性土

现有分类的不合理之处[2]

在以上分类系统中，按母岩不同分为两大类是合理的。

该区花岗岩和混合花岗岩的矿物成分、含量和颗粒组成不同，岩体经历的构造运行历史和内部结构也不同，因此，两者的抗风化能力、风华产物的地质特征及其工程性质必然不同。

现有分类系统考虑因素和标准不尽合理，其理由如下：

（1）可塑性是粘性土随含水量不同时所呈现的稠度状态，一般常用液性指数来分级。

稠度状态虽对土的工程性质具有重要的影响，但作为土的工程分类的一级因素考虑是不尽合理的。

它会随外界环境变化而相应的进行改变。

从而，由此确定的地质界线依时间而随机变动，所划分的基本地质单元却成了不确定的地质体或土层。

因此，该分类方法不便于对工程地质问题和地质灾害危险性的预测评价。

（2）根据稠度分类时，类内差异显著，类间差异不大。

如同种稠度状态（5H-1）的类内工程性质差异较明显。

其平均空隙比相差较大，为0.790～1.003；内摩擦角为18.0°～23.1°；粘聚力为26.02～33.8kPa；压缩模量为3.81～4.12MPa（见表1-3[2]）。

而不同稠度的花岗岩残积土的工程性质较接近，差异不明显。

如以平均内摩擦角值为例，砾质粘性土可塑状态为22.3°，硬塑状态为22.8°；砂质粘性土可塑状态为23.1°，硬塑状态为23.4°；粘性土可塑状态和硬塑状态均为18.0°。

（3）“勘察单位”所划分的三类土中若按现行两个“国标”作为对土的工程分类的标准，每一类都可分为若干亚类。

如以《岩土工程勘察规范（GB50021_2001）》（以下简称《规范》）分类时，砂质粘性和砾质粘性土都包括了砾砂、粗砂、中砂、粉砂、粉土、粉质粘土和粘土等七个亚类土。

说明这两类土的类间并无明显的差异。

而类内存在较明显的差异，如以广州地铁三号北线花岗岩残积土为例，这两类土由粗至细，即由砾砂、粗砂至粘土，孔隙比由小到大，干密度由大到小，其中砾砂的孔隙比均值为0.73；而粘土孔隙比均值为1.04。

砾砂的干密度均值为1.56g/cm3；而粘土的干密度均值为1.32g/cm3。

（4）已有的分类所划分的三类土除冠词外都叫“粘性土”，据其试验资料看，当“砾质粘性土”中粒径d<0.075mm颗粒的含量小于30％时，土的工程性质主要受控于粗颗粒（d>0.075mm）的含量，与传统的和国标所划分的砂类土、砾类土类同。

但“勘察单位”的报告仍叫“砾质粘性土”。

与其工程性质不协调，也不符合传统的经验和习惯。

表1-3[2]广州市地铁3号线标（花岗岩残积土）主要工程性质参数统计表

类别

砾质粘性土

砂质粘性土

粘性土

5H-1

5H-2

5H-1

5H-2

5H-1

5H-2

空

隙

比

最大

0.959

1.627

1.319

1.325

1.436

1.359

最小

0.625

0.506

0.559

0.485

0.637

0.593

平均

0.790

0.809

0.920

0.832

1.003

0.877

样本数

189

699

124

压缩

模量

（MPa）

最大

6.43

7.46

6.310

21.60

8.13

10.72

最小

2.73

1.72

2.280

2.30

1.87

2.49

平均

3.92

3.75

3.811

4.24

4.12

4.49

样本数

227

711

132

粘聚

力（Kpa）

最大

45.0

55.0

48.80

72.1

47.8

58.6

最小

19.0

20.0

2.17

7.2

15.0

13.7

平均

33.8

33.1

26.02

30.2

29.7

33.3

样本数

129

385

104

内摩

擦角

（°）

最大

27.0

32.2

38.50

34.8

28.2

35.3

最小

18.1

11.9

10.60

10.1

11.2

7.8

平均

22.3

22.8

23.09

23.4

18.0

样本数

165

472

106

注：

5H-1、5H-2分别为可塑状和硬塑状花岗岩残积土。

分类原则

为了使花岗岩残积土的工程分类尽力作到科学性、实用性，需遵循以下原则：

（1）所作土的分类应遵循类间差异性显著，类内共性明显的原则。

这不仅是花岗岩残积土分类的基本原则，也是任何事物分类的基本原则。

（2）分类因素相对稳定，又是影响土的工程性质的主要因素。

分类因素在一工程使年限内因环境条件变化的影响不大，可以忽略不计。

如以反映土的属性的主要因素，即土的粒度成分和反映粒度成分及矿物成分的塑性指数为分类的因素。

这样的分类在工程地质勘察的图件中才能保持其相对确定的。

同时，粒度成分和塑性指数又是影响土的工程性质的主要指标。

因此，早已成了各种规范对土分类的依据。

分类建议[2]

考虑到《规范》，是在总结我国几十年来工程勘察经验和参考国外有关规范的基础上编制的，虽对土的工程分类不尽完善，但自发布实施以来，已被我国大多数生产、科研和院校广为应用。

为统一科学语言，便于科技交流，建议采用《规范》中的因素和标志作为花岗岩残积土工程分类的依据。

《规范》对一般土分类时，首先在划分土的形成时代和成因类型的基础上，依据土的粒度成分和塑性指数进行土质类型划分，共分为碎石土、砂土、粉土和粘性土四类，前两类据颗粒级配再细分，其中砂土分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂；后两类再按塑性指数细分为粉土、粉质粘土和粘土。

据广州花岗岩残积土的试验资料，未发现碎石土，只有砂土、粉土和粘性土三类。

应用该《规范》对广州花岗岩残积土分类时需注意以下几点：

（1）首先按母岩的岩性不同，分为花岗岩残积土和混合花岗岩残积土两大类，每大类按粒度成分和塑性指数分为砂土、粉土和粘性土三类。

每类土再按图1分亚类。

（2）一般条件下，岩土工程勘察时，可将砂土的各亚类、粉土、粉质粘土和粘土作为分层的基本单元。

（3）必要时对每一亚类还可按图1的分类体系进一步细分。

例如：

砂土亚类中塑性指数IP>10者，可分为各种粘质砂土，如粘质粗砂土、粘质中砂土等。

粉土和粘性土中粒径d>2mm颗粒含小于d=2～0.075mm颗粒含量时，可分为含砂粉土、含砂粉质粘土和含砂粘土；当粒径d>2mm颗粒含量大于d=2～0.075mm颗粒含量时，可分为含砾粉土、含砾粉质粘土和含砾粘土。

这样细分提供各单元土层的工程性质参数时具有重要作用。

（4）在初勘阶段，或某类土的厚度小，且呈透镜状局部分布，若以土的类型作为分层制图单元时，工程勘察可酌情考虑将工程性质相近的相邻亚类的土层归并，以减少勘探测试工作量。

按图1中所划分的亚类中，广州花岗岩残积土中分布最多的是粉质粘土，其次为粉砂土，再次为中砂土、粉土、砾砂土、粘土，粗砂土和细砂土少见。

除保留具过渡性特征的粉土外，砂土中可分为中粗砂土、粉细砂土；粉质粘土和粘土可归并为粘性土。

1.3花岗岩残积土的物理力学性质

对广州地铁6-3标黄陂站、香山路站至黄陂站区间、香山路站三个取样点残积土物理力学性质进行分析。

1.3.1花岗岩残积土的物质组成

土中的固体颗粒是土三相组成中的主体，固体颗粒的大小、形状、矿物成分及其组成情况是决定土物理力学性质的重要因素。

因而有必要首先对广州地区花岗岩残积土的物质组成进行一定的了解。

粒度成分

土的粒度成分是指土中各种大小土粒的相对含量。

自然界中，组成土体骨架的土粒，大小悬殊、性质各异。

不同粒度的土粒在土中所起的作用不同。

土粒的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质也相应的变化。

粒径大于0.075mm的部分采用筛分法，粒径小于0.075mm的部分采用加分散剂后采用净水沉降法，得到的粒度成分分析结果见表1-4。

从而决定了花岗岩残积土的组构由粗粒（砾粒、粗砂及部分中砂）构成土骨架，粗粒之间主要由游离氧化物包裹及填充实现联结或来自原岩矿物晶粒间的残存联结，而由于填充粗粒骨架的中细砂及粉砂的含量少，因此孔隙比较大。

表1-4广州地铁6-3标花岗岩残积土粒度成分分析表

样

品

编

号

粒组百分含量（%）

20～5mm

5～2mm

2～0.5mm

0.5～0.25mm

0.25～0.75mm

0.075～0.05mm

0.05～0.01mm

0.01～0.005mm

＜0.005mm

砂砾组

粉粒组

粘粒组

MF2Z3-HX-26-T3

2.7

22.6

13.4

3.9

53.7

1.2

1.0

1.5

MF2Z3-HX-26-T6

6.2

19.0

18.1

12.0

40.0

2.1

1.5

1.1

MF2Z3-HX-40-T6

25.1

11.0

5.6

51.4

2.5

1.0

3.4

MF2Z3-HP-72-T6

27.9

21.6

18.6

27.2

2.2

1.2

1.3

MF2Z3-HP-03-T7

20.7

16.6

12.5

45.0

2.8

0.8

1.6

MF2Z3-XSL-22-T6

25.6

26.1

14.1

4.9

25.6

1.1

1.3

MF2Z3-XSL-31-T6

3.2

35.3

11.9

5.8

39.4

1.0

0.9

2.5

注：

HX表示香山路站至黄陂站区间，XSL表示香山路站，HP表示黄陂站。

经分析认为，花岗岩残积土的粒度分布特征主要基于下面两方面原因：

一方面，粗砂以上（＞0.5mm）颗粒的矿物成分是石英，物理化学性质很稳定，不容易风化成中细砂及粉砂，而0.5mm以下颗粒，尤其是0.25～0.075mm颗粒，主要是长石风化的产物，物理化学性质的稳定性较差，且因粒度较小，比表面积较大，活动性较高，比较容易继续风化成粉粒和粘粒；另一方面，花岗岩地貌多为丘陵和坡地，地表和地下的动水力作用较大，因此粒度小且无粘性的中细粉砂容易因水的动力侵蚀而流失。

由此得到了限制粒径（d30）和有效粒径（d10、d60）。

并由此计算出相应的不均匀系数与曲率系数，计算成果见表1-5。

查阅广州地铁6-3标的花岗岩残积土其不均匀系数明显偏小，易发生流砂现象[5]；而曲率系数相对较小。

颗粒分析的结果表明，花岗岩残积土是物理风化和化学风化的共同产物。

花岗岩残积土虽然是化学风化阶段的产物，但其粒组成分特点反映了物理风化的连续性和不彻底性。

表1-5粒度分析成果参数表

取样点

样本编号

有效粒径

限制粒径

不均匀系数

曲率系数

d10

d60

d30

MF2Z3-HX-26-T3

0.060

0.231

0.065

3.85

0.30

MF2Z3-HX-40-T6

0.061

0.087

0.066

1.43

0.82

MF2Z3-HP-72-T6

0.063

0.336

0.073

5.33

0.25

MF2Z3-HP-03-T7

0.062

0.217

0.067

3.50

0.33

XSL

MF2Z3-XSL-22-T6

0.064

0.936

0.078

14.62

0.10

MF2Z3-XSL-31-T6

0.062

0.463

0.068

7.47

0.16

注：

HX表示香山路站至黄陂站区间，XSL表示香山路站，HP表示黄陂站。

矿物成分

土中的固体颗粒是由矿物构成的，土中矿物的性质差别较大，所以由不同矿物组成的土的性质也不相同。

土中的矿物成分是影响土体工程地质性质的主要因素，对矿物成分的研究是了解土工程地质性质的基本途径。

花岗岩残积土次生矿物主要为高岭石和伊利石，未见亲水性特别强的蒙脱石，原生矿物主要为石英，其次为长石。

根据广州地铁6-3标岩土勘察报告，三个取样点的母岩岩性基本一致。

由此可知，土的矿物成分一方面受母岩岩性的影响，另一方面主要受风化程度控制。

1.3.2花岗岩残积土的水理性质

自由膨胀率分析

自由膨胀率是以人工制备的松散的干燥的试样，以纯水中膨胀稳定后的体积增量与原体积之比。

试验结果见表1-6所示。

从试验成果表中可以看出，试样普遍膨胀率较低，不属于膨胀土。

表1-6自由膨胀率试验结果

取样点

试样编号

土名

自由膨胀率%

香山路站

MF2Z3-XSL-31-T5

砂质粘性土

10.0

香山路站至黄陂站区间

MF2Z3-HX-88-T3

粉土粘土

40.0

MF2Z3-HX-80-T7

砂质粘性土

22.5

黄陂站

MF2Z3-HP-06-T10

粘性土

12.5

MF2Z3-HP-47-T5

粘性土

15.0

注：

HX表示香山路站至黄陂站区间，XSL表示香山路站，HP表示黄陂站。

渗透试验分析

试样品的渗透系数取自广州地铁6-3标岩土勘察报告。

见表1-7。

结果表明所有式样具有弱、微透水性。

表1-7花岗岩残积土渗透系数表

取样点

样品编号

渗透系数K20（cm/s）

土名

香山路站至黄陂站区间

MF2Z3-HX-02-T5

7.5×10-4

粉砂

MF2Z3-HX-39-T5

9.2×10-6

粘土

黄陂站

MF2Z3-HP-05-T6

5.86×10-5

粘土

MF2Z3-HP-39-T6

6.49×10-6

砂质粘性土

MF2Z3-HP-40-T5

1.24×10-6

粘性土

MF2Z3-HP-83-T5

2.83×10-5

砂质粘性土

注：

HX表示香山路站至黄陂站区间，XSL表示香山路站，HP表示黄陂站。

1.3.3花岗岩残积土的物理力学性质

为了进一步了解取样区花岗岩残积土的物理力学性质，通过对三个取样点（黄陂站、香山路站至黄陂站区间、香山路站）的勘察报告，得到其物理力学性质指标，结果见表1-8。

表1-8取样区花岗岩残积土物理力学性质

试样编号

含

水

量

湿

密

度

干

密

度

空

隙

比

孔隙度

塑性指数

液性指数

压缩系数

压缩模量

直剪

粘聚力

内摩擦角

a0.1-0.2

Es1-2

g/cm3

MPa-1

（MPa）

（KPa）

（°）

MF2Z3-HX-80-T7

35.2

1.73

1.28

0.960

52.6

15.0

0.72

0.59

3.58

22.2

16.4

MF2Z3-HX-10-T5

29.0

1.79

1.39

0.798

49.0

14.5

0.33

0.40

4.85

24.4

13.6

MF2Z3-XSL-22-T6

31.1

1.72

1.31

0.813

51.6

12.2

0.02

0.33

6.19

34.7

18.3

MF2Z3-XSL-31-T5

33.6

1.76

1.32

0.936

51.4

13.7

0.37

0.42

4.93

31.9

23.4

MF2Z3-HP-64-T4

35.5

1.77

1.31

0.777

51.4

16.3

0.31

0.69

2.97

17.35

12.79

MF2Z2-HP-23-T7

17.0

1.92

1.64

0.53

39.7

10.7

0.3465

0.30

5.24

30.30

17.70

注：

HX表示香山路站至黄陂站区间，XSL表示香山路站，HP表示黄陂站。

由表1-8不能充分反映广州地铁6-3标附近花岗岩残积土的物理力学性质（取样过少）。

可由下表1-9反映。

表1-9广州地铁6-3标黄陂站花岗岩残积土物理力学性质指标统计

指标

样本数

分布区间

平均值

标准差

变异系数

含水量（%）

13.0～40.4

26.0

6.01

0.23

湿重度（g/cm3）

1.69～2.04

1.85

0.07

0.04

空隙比

0.54～1.32

0.798

0.133

0.167

塑性指数IP

10.2～21.3

13.5

2.17

0.16

液性指数IL

-0.2～0.76

0.2

0.14

0.75

压缩系数（MPa-1）

0.18～0.7

0.35

0.09

0.25

粘聚力（Kpa）

12.4～39.1

23.0

5.65

0.25

内摩擦角

12.8～36.6

21.8

6.30

0.29

由上表1-9可知，花岗岩残残积土的平均空隙比比较大，属于中密实土；平均含水量不大，土体稠度状态多处于坚硬至可塑状态，具有高压缩性，但抗剪强度较高，对一般土而言，大空隙比与高压缩性是正常的因果关系，大高压缩性与高抗剪一般不同时具备。

1.4广州地区花岗岩残积土的地质特征及工程地质特征

花岗岩混合花岗岩残积土是物质组成、地质结构、土的类型及工程性质各异的复杂地质体，是花岗岩在各种外营力作用下，其物质组成和结构发生剧烈变化的风化壳表层。

目前对残积土的概念和底界的划分尚未统一，这里所研究的对象是根据广州地铁各勘察单位以标贯击数N＜30次时作为划分花岗岩残积土底界的地质体。

花岗岩残积土的工程地质特征包括相互区别又相互紧密联系的两个方面：

一为

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