广东花岗岩类岩石风化土的工程地质特征52

发布时间：2016-11-26 17:00

本文关键词：广东花岗岩类岩石风化土的工程地质特征，由笔耕文化传播整理发布。

第22卷第3期桂林工学院学报Vol.22No.3；文章编号:1006-544X(2002)03-0；广东花岗岩类岩石风化土的工程地质特征；陈泳周1,黄绍派2,周东2,张定邦3；(1.广东省惠州市水电建筑工程总公司,广东惠州5；3.广东省水利水电勘察设计研究院,广东广州510；摘要:花岗岩类岩石分布广泛,种类繁多,由于花岗岩；关键词:花岗岩类岩石风化土;风化规

第22卷　第3期　　　　　　　　　　　　　桂林工学院学报　　　　　　　　　　　　Vol.22No.32002年7月　　　　　　　　JOURNALOFGUILININSTITUTEOFTECHNOLOGY　　　　　　　Jul.　2002

文章编号:1006-544X(2002)03-0263-06

广东花岗岩类岩石风化土的工程地质特征

陈泳周1,黄绍派2,周　东2,张定邦3

(1.广东省惠州市水电建筑工程总公司,广东惠州　516001;2.广西大学土木建筑工程学院,广西南宁　530004;

3.广东省水利水电勘察设计研究院,广东广州　510002)

摘　要:花岗岩类岩石分布广泛,种类繁多,由于花岗岩所在地区的地形地貌复杂,地貌类型变化大,故花岗岩地区有其特有的工程地质特性,其风化土的工程地质条件也较复杂.对花岗岩风化土的风化规律及工程地质特性的研究表明,从平面分布上大致可把广东花岗岩类风化土厚度特征与地貌形态分为3个类区,并根据风化程度和土质的不同,在垂向上自上而下分为3个带,同时通过对资料统计总结了花岗岩类风化土的物理力学性质,最后对花岗岩类风化土的工程地质条件进行分析评价.

关键词:花岗岩类岩石风化土;风化规律;物理力学性质;工程地质特征;广东中图分类号:P642.11　　　　　　　　　　　　文献标识码:A

　　广东省境内,花岗岩的分布面积占全省陆地面积40%左右,其岩石种类繁多,规模变化很大,从仅几米厚的岩墙岩脉,到面积达几千平方公里以上的大岩基均有产出.在粤北、粤西北及粤东地区,大岩基组成了海拔在1000m以上的高山峻岭,在粤中和粤西沿海地区,则多组成中、低山

矿物、成分、结构构造等方面存在着差异.燕山期前的花岗岩主要由花岗闪长岩和二长花岗岩组成,并多以中粒或中粒斑状结构为主,岩体中相带不明显,燕山期花岗岩则主要由粗粒斑状黑云母花岗岩为主,岩体中相变很明显.在岩石的化学成分中,花岗闪长岩偏中性,SiO2,K2O+

和丘陵.广东地处亚热带,在长期的外营力作用Na2O含量偏低,而Al2O3,CaO,MgO,Fe2O+下,花岗岩类岩体表面普遍覆盖着一层较厚的风FeO,TiO2等含量偏高;黑云母花岗岩为酸性花化残积土.由于花岗岩类岩石所在地区形成特有岗岩,SiO2,Na2O,K2O含量较高,Al2O3,的地形地貌,在这些地区进行工程建设,常常会Fe2O3+FeO,MgO,CaO含量较低(表1).遇到花岗岩风化土带来的一些工程地质问题,如　　这些特征也反映到风化土的风化规律,它主坝基的稳定和渗漏问题,渠道或人工边坡的稳定问题,闸基、管道、桥涵墩基和工民建地基的承载力问题,风化土作为天然建筑材料的利用问题等等.

要表现在岩石的风化速度和风化土的厚度上,以及风化土的粗颗粒含量等方面的差异.花岗岩类岩石风化土是基岩风化壳的一个部分,它的化学变化模式过程是水化※溶解※水解,水化阶段首先引起岩石矿物中的成分和结构开始变化.在花岗岩类岩石中最先发生水化作用的是黑色矿物及普通角闪石.偏中性的花岗闪长岩、二长花岗岩的黑色矿物大大超过酸性花岗岩,在同等条件下

1　花岗岩类风化土的风化规律

1.1　岩性对风化土形成的影响

[1,2]

　　受地质构造条件、岩浆成分和围岩物质成分的控制和影响,不同时期的广东花岗岩类在岩石

收稿日期:2002-02-28;修订日期:2002-03-24

,男,,,

264桂　林　工　学　院　学　报　　　　　　　　　　　　　　　2002年

表1　酸性及偏中性花岗岩的化学成分

　　　　　　　　　Table1　Chemicalelementsofacidicandmoderategraniterock　　　　　　　　　　wB/%

岩性

SiO2

TiO2

Al2O3

Fe2O3

FeO

MnO

MgO

CaO

Na2O

K2O

P2O3

酸性花岗岩72.1～75.20.1～0.2912.1～13.60.63～1.001.31～2.00.08～0.10.21～0.500.72～1.33.05～3.684.4～5.010.02～0.07

偏中性花岗岩63.5～66.90.42～0.6213.9～15.30.76～1.702.8～4.00.07～0.120.65～2.432.4～4.42.72～2.983.32～4.720.15～0.41　　注:表1～表8资料来源于广东水利水电勘察设计研究院,1980～2001.

花岗闪长岩等偏中性岩的风化程度和风化土厚度大于酸性花岗岩,由于其石英含量较少,因此相对粘土质矿物含量较高,其风化完全程度也高于酸性花岗岩.加里东期、海西期、印支期的侵入岩多为花岗闪长岩、二长花岗岩,又遭受更长时期的剥蚀作用,因此其风化土最厚,粤西一带加里东期侵入岩全风化土厚度常超过40m.花岗岩类岩石结构的不同,也影响风化程度和风化厚度,一般情况下细粒花岗岩的风化程度和厚度小于粗粒斑状花岗岩.

　　花岗岩类岩石风化后,其石英碎裂为石英砂,长石风化为高岭土,黑云母等黑色矿物风化为含氧化铁粘土,外观呈红褐色.如果花岗岩岩体中有较大的动力变质或岩脉产生的低温热液蚀变如绢云母化、绿泥石化或石英岩化蚀变带时,由于黑色矿物蚀变为绢云母或绿泥石,并排出铁、镁离子,使蚀变带风化程度明显浅于原岩,有些花岗岩类全风化土则变为白色的高岭土矿.1.2　地貌对风化土形成的影响

　　花岗岩类风化土除受岩性约束外,还受到自然条件的影响,特别受到地貌位置的影响.根据广东各河系侵蚀河谷的基面高程大致为45～50m的特点,同时结合广东较低的几级侵蚀面的高程,从平面分布上可以大致地把广东花岗岩类风化土厚度特征与地貌形态分为3个类区:

　　(1)高程在100m以内的残丘、低山和高程在40m内的河谷阶地的风化土为正常风化土区,其特点是风化均匀,不含或含很少的球状风化体,风化土表层常有一层带坡积性质的红褐色粘性土,有时还夹有一层含铁锰质结核的呈网纹状结构的风化土.

　　(2)高程在100m以上和相对高差在100m以内的低、中山的含大量花岗岩球状风化体的风化土区,其特点是多分布在山坡,在其表面或土层中夹有大量直径几十厘米甚至达十几米的球状风化体,其厚度变化大,土层风化不均匀.坡段,相对高差大于200m以上的陡峻中、高山的风化土区,该类区基本属于侵蚀区,其风化土层很薄,河床及陡岸均为岩石露头,山谷和陡坡有岩石露头及堆积大量球状体.1.3　风化规律

　　广东地区花岗岩类风化土,根据风化程度和土质的不同,在垂向上从上而下可分为3个带:　　Ⅰ带:红褐色,或土黄色风化土.其色调较均一,花岗岩结构比较模糊,仅在斑状花岗岩风化土中可见由长石风化成的白色斑晶,该带上部往往有厚度小于1m的坡积土.在沿海一带风化土带底部常见有一层呈网纹状的风化土,网纹中间多为由Fe2O3聚集而成棕褐色铁质结核或铁质胶结的石英结核,厚度为0.5～2.0m.Ⅰ带一般为具有较大粘聚性的砾质砂质粘土,土质较均匀.总厚度一般为3～5m.

　　Ⅱ带:为浅红褐、黄褐色风化土.原岩结构明显,其石英碎裂为砂,长石风化为高岭土,黑色矿物分解为红色粘土,一般为砾质(或含砾)粉土,土质不均,土中残留有原裂隙痕迹,原裂隙为白色粘土(方解石风化)或黑色粉粒状(铁锰质)充填物,球状风化体多埋藏于该带中.Ⅱ带厚度最大,其厚度常大于15m,有些地方可达40m以上.

　　Ⅲ带:浅灰白色,浅黄褐色风化土,原岩结构完整,黑云母已风化为铁锈色细片状,部分长石未完全风化,石英碎裂为砂,矿物间的结晶连结已完全破坏,但残存一定的结构力,表现出土层结构紧密,颗粒相嵌,含水量小,呈坚硬土状态.它的粘结性较差,含较多未风化完全的角砾,一般为砾土或砾质砂土.Ⅲ带属于从强风化岩过渡到风化土的过渡带,一般厚度为3～5m.　　除上述3个带外,花岗岩类岩体中还有较多夹层风化土或槽状风化带,夹层风化土多为缓倾角,从而构成层状风化,它多在离地表不深的强风化岩带中,由卸荷裂隙或原生的缓倾角裂隙密,2

化带多为由陡倾角断层破碎带或陡倾角裂隙密集带风化而成,其宽度及规模受原构造带所控制.　　这3个垂直带反映了风化土风化程度的差异,这种差异也从各带的矿物成分上的变化得到反映,表2为华南沿海第四纪地质调查研究报告中归纳汕头、惠采、番禺、新会等5个风化壳的花岗岩

K2O,Na2O的大量淋失,Al2O3,Fe2O3,TiO2的积累聚集,表现为溶解-水化的风化过程,并使它由上而下成为富铝化阶段产物※硅铝化阶段产物※碎屑化阶段产物的变化过程.

　　垂直分带在不同风化类区也有不同的表观,一般在(1)类区它的三个垂直分带清晰明显,而在

风化土的化学成分,Ⅲ带的化学成分介于Ⅱ带与(2)类区Ⅰ带常不明显或消失或由坡积层取代,但岩石之间.从表2可以看出,从原岩到Ⅱ带,主Ⅱ,Ⅲ带则最明显.由于岩性的不同垂直分带也要矿物成分基本上没有变化,此阶段风化主要表现为黑色矿物及普通角闪石水解变质、岩石结构破坏,以物理风化为主.从Ⅱ带到Ⅰ带,主要矿物成分有较大的变化,此阶段表现为风化加剧,矿物风化变质较完全,以化学风化为主.在相同的垂直分带上,不同地貌部位和取样深度,其风化土的化学成分也有较大差异,表3为中山石歧不同地貌单元花岗岩风化土Ⅰ带的化学成分.　　从表2,3可以看出,广东花岗岩类岩石经风化后,部分氧化物因溶解淋漓而降低了含量,另一些则相对地累积而增加,随风化作用的加剧,其含量变化越大.这主要是由于SiO2,MgO,

表2　花岗岩风化土各分带的化学成分

　　　　　　　　　　Table2　Chemicalelememtsofdifferentpartsofweathering_soilofgraniterock　　　　　　　wB/%

分带Ⅰ带

Ⅱ带

未风化花岗岩

SiO256.2674.7874.44

TiO20.44

0.180.13

Al2O323.76

13.3914.08

Fe2O36.99

2.691.47

MgO0.27

0.190.28

CaO0.12

0.190.36

Na2O0.09

1.163.41

K2O1.69

1.985.01

w(SiO2)/w(Al2O3)

2.37

5.385.29

有差别,花岗闪长岩类岩石Ⅰ,Ⅱ带界线较不明显,而且厚度很大,Ⅲ带厚度较小,而花岗岩则Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ带均较清晰.

2　花岗岩类风化土的物理力学性质[1,3]

　　花岗岩类岩石风化土因风化程度差异产生的垂直分带,同样可以反映在它的物理力学性质指标上.首先作为风化土分散度的颗粒组成有着明显的不同.表4列出广东300余组花岗岩类岩石风化土的颗粒组成(大部分为粗粒斑状花岗岩风化土):

表3　不同地貌单元花岗岩风化土Ⅰ带的化学成分

　　Table3　ChemicalelementsofpartⅠofweathering_soilofgraniterockindifferentphysiognomyparts　　wB/%

分带地貌单元取样深度/m

SiO2

Fe2O3+FeOAl2O3TiO2CaOMgOMnOK2O

Na2Ow(SiO2)/w(Al2O3)烧灼失重/%

40m高程侵蚀阶地

4.0

58.363.2826.10.200.310.160.020.140.2911.482.24

Ⅰ带

60m高程侵蚀阶地

1.5

71.52.4417.940.140.390.140.020.270.037.423.99

丘陵5.0

73.640.7815.160.080.280.180.044.660.164.354.86

未风化花岗岩

76.451.2312.540.050.730.240.054.752.960.566.09

表4　花岗岩风化土不同分带土的颗粒组成

　　　　　　　Table4　Thegraincompositionofweathering_soilofgraniterockindifferentparts　　　　　　　%风　化　分　带

最大值

最小值相对集中值相对集中平均值

最大值

砾(>2mm)

08～2813.653615～3424.6491215～3624.8

砂

(2～0.05mm)

1424～4735.5621218～4940762245～6051.5

粉粒

(0.05～0.005mm)

713～3522.334.510.414～2919.65578～2017.7

粘粒

(<0.005mm)

1822～3728.818.5612～171412.504～116.3

砂砾土砾质

粘土按颗粒组成定土名砾质粘土

Ⅰ带

Ⅱ带

最小值相对集中值相对集中平均值

最大值最小值相对集中值相对集中平均值

Ⅲ带

　　从表4可看出,Ⅰ带砾石和砂粒量最小,粘粒含量最大,Ⅲ带砾和砂粒含量最多,粘粒含量最少,Ⅱ带界于两者之中.它明显地反映了风化土从下至上完成的风化过程,物理风化至化学风化的演变,从而使风化土有了分带性.

　　表5列出了十几个工程400余组3个带的土样物理性质统计指标,从表5可看出,作为风化土最有代表的物理性指标、表示土微结构的孔隙比,以及反映风化土矿物淋失或积累变化的干重度都反映出三个垂直分带的差异,特别在Ⅱ带矿物淋失较多,积累最少,因而干重度最小、孔隙比最大.由于土的液限、塑限试验是用去除了大于0.5mm颗粒后的细颗粒土做的,而花岗岩类风化土中大于0.5mm的颗粒含量常占40%以上,因此花岗岩类风化土液限、塑限的试验值并不一定反映土体的天然状态,天然状态下除Ⅲ带土常处于坚硬状态外,Ⅰ,Ⅱ带多处于可塑或硬塑状态.

　　花岗岩类风化土的力学性质在不同的分带也有所差异,表6列举十几个工程400余组土样的

室内试验值,表7列举新丰江和青溪电站对风化土的野外大型土体抗剪试验成果.从表6看出Ⅱ带压缩性最大,Ⅲ带最小,但总的来说都是属于中压缩性土.风化土的抗剪强度Ⅰ带稍小,Ⅲ带最大,这也是结构力保存程度不同的反映.对比风化土不同状态下抗剪强度,可知天然状态快剪强度稍高于饱和状态快剪强度.所去除的粗颗粒的重塑土的抗剪强度比原状土的抗剪强度稍低(C值低5～14kPa,φ值低2.5°～3.5°),三轴饱和固结不排水剪的试验值比室内直剪仪的试验值低,一般φ值低4°～6°.对比表6、表7室内小型和野外大型(50cm×50cm×50cm)抗剪试验,可知野外抗剪试验的φ值比室内试验低2°～3°.表8归纳了部分野外试验成果.

3　花岗岩类风化土的工程地质条件

评价

　　(1)对水工建筑物的坝基,花岗岩类风化土的主要工程地质问题是坝基和坝肩渗漏和稳定问题.

表5　花岗岩风化土不同分带土的物理性质

Table5　Thephysicalcharacterofdifferentpartsofweathering_soilofgraniterock

风　化　分　带Ⅰ

带Ⅱ带Ⅲ带

γγd

Gs-3

/(kN·m)/(kN·m-3)

相对集中变幅值18～3315.7～19.013.5～15.32.62～2.67相对集中平均值22.817.814.52.64

相对集中变幅值15～2316.3～17.813.5～15.92.6～2.68相对集中平均值19.617.214.22.63相对集中变幅值13～2116.6～19.314.0～16.72.61～2.66相对集中平均值

17.4

17.9

15.2

2.62

/%/%/%

0.78～1.0548～5727～3517～260.825329240.62～0.9244～5424～3016～210.8547.228.518.70.65～0.8326～3216～217～110.72

28.8

19.1

9.7

/(cm·s-1)A×10-5A×10-5A×10-5

第22卷　第3期　　　　　陈泳周等:广东花岗岩类岩石风化土的工程地质特征

表6　花岗岩风化土不同分带土的力学性质

Table6　Themechanicalcharacterofdifferentpartsofweathering_soilofgraniterock

压缩性

风化分带

a1-2/MPa-1

ⅠⅡⅢ

相对集中变幅值相对集中平均值相对集中变幅值相对集中平均值相对集中变幅值相对集中平均值

0.22～0.72

0.410.31～0.60.480.14～0.44

0.32

Es/MPa8～2.74.35.8～3.23.311～4.16.5

天然快剪c/kPa25～5030////

φ/(°)22～3227////

抗　　　剪　　　强　　　度饱和快剪c/kPa20～352215～322123～4334

φ/(°)21～302627～332929～3733

去砾重塑

饱和快剪c/kPa5～158////

φ/(°)21～2522////

267

三轴饱和固

结不排水剪c/kPa//6～22122～63.5

φ/(°)//24～282526～3228

表7　花岗岩风化土原位剪切试验成果

Table7　Theoutputdataoftheorignal_location_shear_cut_

experimentationsofweathering_soilofgraniterock

数量

岩性粗粒斑状黑云母花岗岩全风化土

分

带ⅡⅢ

地点新丰江电站青溪电站青溪电站

组644

块251616

抗剪强度c/kPa313439

φ/(°)233134

坡角,比较简单和实用的公式可用马斯洛夫的稳定斜坡法(Fp法)来进行边坡稳定计算,其公式为:

∠α=arctan(tanφ+γh)

式中∠α为计算稳定坡角(°),φ为内摩擦角(°),c为凝聚力(kPa),γ为土的天然重度(kN/m3),h为坡高(m).

　　在花岗岩风化土边坡开挖中,应查清有无夹层风化土和槽状风化带,以及产状、规模等,还应研究风化土中的风化裂隙面的强度.一般情况下,这些结构面强度低于风化土的强度,其特性

Ⅲ>18>4.0

中细粒花岗闪长岩

Ⅲ

全风化土

表8　花岗岩风化土原位试验成果

Table8　Theoutputdataoftheoriginal_location_experimentationsofweathering_soilofgraniterock

试验项目标准贯入试验/击静力触探试验/MPa静载

荷试验

比例界限/MPa极限荷载/MPa

各带试验成果Ⅰ8～121.8～4.00.15～0.450.40～0.75

Ⅱ7～122.0～3.0

及产状对边坡稳定有较大影响.

　　(3)花岗岩类风化土作为填筑土料来说是理想的土料,具有较好的颗粒级配,较大的干重度,较高的抗剪强度和较小的透水性.它几乎不含可溶盐,其天然含水量比较接近最优含水量.根据一些工程的天然建筑材料调查的土料试验结果,花岗岩类风化土的最大干重度可达16kN/m3,根

　　花岗岩类风化土的透水性在水平方向和垂直方向有差异,但总的透水性不大,K=10-3～10

-4

cm/s.花岗岩类风化土坝基的渗漏通道主要

是沿裂隙面渗漏和沿裂隙渗漏引起的机械管涌.据一些竣工的土坝坝体质量检查结果,坝体填方

Ⅰ带风化完全,粘粒含量高,已无裂隙残存,土土的干重度比天然干重度大10%～15%.花岗岩体渗透性小,因此花岗岩坝基应该尽可能利用Ⅰ带风化土作为坝基.

　　(2)花岗岩类风化土的天然稳定边坡一般在30°左右.花岗岩风化土区也常有岸边塌滑现象,其规模一般较小.产生塌滑的原因,—方面是由于岸边坡度较陡,另一方面由于地表水冲刷和受到地下水的渗透压力和土体受饱和强度降低等因素,此外塌滑体中还常可发现滑动面沿一组或二组风化裂隙面下滑现象.

　　花岗岩类风化土整体上风化完全、土质均匀,风化土易于辗压,坝体有较好防渗性能和较高的抗剪强度,φ值可达25°～30°.花岗岩类风化土中的Ⅰ带、Ⅱ带,具有作为填筑土料的良好性能,Ⅲ带含砾太多,粘粉粒含量较少,渗透性偏大,不宜作为天然填筑土料.

　　(4)花岗岩类风化土的地基承载力随各种条件(如土的状态、地下水位、建筑物对地基沉降变形的敏感程度等)的不同而有较大的差异,在决定其承载力时应该根据实测资料,并以各方法进行对比,才能得出比较符合实际的数据.

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