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只看楼主倒序阅读使用道具楼主发表于: 2012-03-06

花岗岩残积土的分类及其承载力

黄志仑
（中航勘察设计研究院总师办）

                            前言
花岗岩在我国分布甚广，各地区由于气候条件、地形条件以及地质构造条件的不同，使花岗岩在各种风化营力作用下形成厚度不等的残积土。深圳特区内自广九线以西几乎全部为燕山期花岗岩分布，其所占面积为特区面积的百分之六十。深圳特区气候属亚热带型，极其适宜花岗岩的化学风化，形成了最厚达40m的花岗岩残积土地。因此，为该城市建筑物基础的主要持力层。总的看来，由于过去在花岗岩地区的建设规模较小，故对花岗岩残积土的建筑性能研究很少，资料贫乏。深圳市的花岗岩残积土具有特殊的性质，据室内土样试验资料，其孔隙比平均为1.0左右，压缩模量Es平均为5.0MPa左右。因此，过去一般把它作为高压缩性，低承载力地基土。1983年以前使用的承载力很少超过150kPa，致使建筑在花岗岩残积土天然地基上的多层建筑物，基础造价提高。10层及以上的建筑物则采用桩基，造价高昂，施工复杂、工期延长。据初步统计比较，对高层建筑物，若能将桩基改为天然地基，则每平方米建筑面积可节约投资20～40元（约占商品房价的5%～10%），工期可大为提前，并节约水泥和钢材。因此，研究花岗岩残积土的力学性质具有十分显著的经济意义。
1982年我们在深圳福田路口的中航技工贸中心的基地开展了花岗岩残积土的工程性质试验研究工作。1982年9月，我们根据初步研究试验资料，结合深圳地区的工程勘察资料及建筑经验，提出了花岗岩残积土一般地具有高的承载力及低的压缩性的认识。1984年1月，我们提出了“深圳市花岗岩残积土地区工程地质勘察规程”，主要供我院在深圳地区勘察使用，以排除勘察时无规范可循的混乱情况。1983年以后，我们还在深圳的其他地点如白沙岭、下步庙等地结合工程勘察进行研究试验，后来又进一步扩展到蛇口、西乡等地区。为了证实花岗岩残积土可以作为高层建筑的天然地基，1983年建议对上海宾馆（当时深圳第一幢建立在花岗岩残积土天然地基上的高层建筑）进行沉降观测，收集了该项沉降观测资料作了分析研究。1985年～1987年我们对深圳白沙岭地区长城大厦高18层的高层建筑群进行了沉降观测。
在这项研究工作中，我们主要收集和作了静力载荷试验资料约40份，其中可用资料较全的有28份（未附），在这28份资料中同时作有标贯试验的有16份。此外，我们还收集并作了旁压、静控等资料，但数量不多，且存在各种不同问题，经分析后，未列入本报告。在深圳地区勘察工作中使用最广的是标准贯入试验，这种试验简捷易行。因此，我们在作载荷试验的深度处作了标贯。并在取原状土试样的钻孔各深度处作了标贯试验，取得了400多套（未附）比较完整的资料，以建立地基土的物理力学性质与标贯的统计关系。
1  深圳特区的花岗岩
深圳特区的花岗岩为燕山期岩浆岩，常以岩基出现或以岩株、岩脉等形式侵入到火山岩中，多为肉红、灰红色、半自形粒状结构（中、粗粒、也有细粒），块状构造，矿物成分：石英占35%，正长石（微斜钠长石）占40%、斜长石占21%、黑云母（以及白云母等）占4%。花岗岩节理裂隙发育，破裂面倾角较陡（70°～80°），区内分布有宽度不大的挤压破碎带、断层带。花岗岩体中的岩脉以正长岩、石英岩、煌斑岩、内长岩为主。
2  花岗岩的风化剖面
深圳特区位于亚热带，具有充沛的雨量及较高的气温，加以花岗岩本身节理裂隙发育，地表岩石又长期稳定于地面水体以上，这些都给风化作用提供了有利条件，形成了厚达60m以上的花岗岩风化残留物。
观察研究发现，花岗岩矿物组成中，首先分解的是斜长石，其次是正长石和黑云母。其风化产物主要是粘土矿物，如高岭土，石英除了发生机械破碎外，相对比较稳定。因此，大致可以根据这些矿物的风化顺序来确定花岗岩的分解程度。见表1。

表1   花岗岩矿物分解程度
序号分解程度样  品  描  述定  名深度/m
1 不具母岩结构，石英颗粒分布不均，颗粒呈不规则状，略有磨园，颗粒表面受到风化，呈网纹结构，含氧化铁结核。坡积土红  土 2～5
2 完全分解具似母岩结构，石英颗粒保持母岩的形状，长石及暗色矿物风化成高岭土，有时含云母碎片。残积土 15～40
3 高度分解斜长石风化剧烈，正长石暗色矿物基本完好，颗粒间连接力减弱，岩块用手易折断。NG 3. 5≥50击强风化岩 5～15
4 中度分解有的斜长石略受风化，岩石普遍改变颜色，岩块用手不能折断。中等风化岩 1～5
5 微分解岩块断口新鲜，岩块强度接近新鲜岩石，仅节理裂隙面上略有风化。微风化岩 5～10
6 未分解岩石新鲜，节理裂隙面上无风化痕迹，矿物新鲜。新鲜岩石

为了定量地区分花岗岩残积土和强风化花风岩，我们确定了以标贯值NG 3. 5为界限，即当其NG 3. 5小于50击时，定为残积土，NG 3. 5大于或等于50击时，定为强风化带。确定这个标准是根据大量的实践资料，即勘察工作中发现，花岗岩残积土的标贯值一般很少超过30击（图1），而强风化花岗岩中的标贯值则一般超过50击，分布30～50击之间的点子极少。因此，为安全计将界限定为50击。
3 花岗岩残积土
残积土这一名词到目前没有明确定义，各方面的认识也不一样。顾名思义，对残积土而言首要的是岩石经受以风化后在原地形成的残留物，同母岩相比它已完全分解为松散的土体，其大部分矿物已风化变质，其单位体积的重量已损失了40%左右，其单轴抗压强度已降低了数百至上千倍。
有些文献把表1中1带的土层也称为残积土。但据观察，这一层土不残留原岩结构，石英颗粒不再保持在母岩中的形态，呈不规则形，且略有磨园，并在土里均匀分布，这些特征说明此层的物质是经过短距离搬运，故将此层称为坡积土。坡积土的红土化作用强烈，具网纹状结构，含铁、锰质胶结物，土质坚硬，有一定的抗水稳定性，此层在深圳特区的大部分地段整平时被挖去，所以，本报告对此层不作论述，其物理力学性质及承载性能，可按花岗岩残积土考虑。本报告所论的花岗岩残积土，限于表1中所列的“完全分解带”。此带中不稳定的长石及暗色矿物几乎已完全风化。
据镜下鉴定，分解的的物质其主要矿物成分为高岭土（在极少情况下，在较大的深度处也有少量的伊利石）。原花岗岩中的石英颗粒则没有改变，其形状仍保持其在母岩中的形态。这种土一般呈现鲜红、紫红、黄色间或有白色，颜色随深度没有规律性变化。按颗粒分析资料计算，土中各种矿物的大致含量：石英占60%、高岭土占36%、云母及其他矿物占4%。
分解过程中，生成物如胶体二氧化硅、碳酸钾、碳酸钠等被水溶解带走，使得花岗岩残积土具有较高的孔隙度，而且孔隙主要集中于细粒部分。由于这种土具有较高的结构强度，土中又不含强烈亲水的粘土矿物和可溶盐，所以它没有膨胀必和湿陷性。
4 残积土的分类
花岗岩残积土的分类问题，至今没有得到很好的解决。深圳特区的勘
察单位，一般是按通过0.5㎜筛孔的土样的塑性指数绝大多数大于17，故一般都定名为粘土。但正如表2所示，在这种土中石英颗粒的含量很高，使其具有砂土的某些性质，若定名为粘土，根本不能反映其级配情况和力学特性，故很不恰当。其次，在花岗岩残积土中，除了有含粗颗粒较少的土以外，的确也还有一种土基本不含粗颗粒（如由正长岩脉、闪长岩脉等风化后形成的残积土），本身就是粘性土，上述命名方法又掩盖了这种情况。

表2  花岗岩残积土的颗粒级配
土  名砾/㎜    砂/㎜  粉粒/㎜粘粒/㎜
2（%） 2～0.5（%） 0.5～0.25（%） 0.25～0.1（%） 0.1～0.05（%） 0.05～0.01（%） 0.01～0.005（%） 0.005（%）
砾  质粘性土 22～33 9～21 1～8 1～8 1～7 5～14 13～25 9～32
砂  质粘性土 1～13 7～23 2～15 1～8 7～18 23～30 13～24
粘性土 3 18 33 13 23

由此可见对于本来就是多种成分多种性质的土，却简单地给它一个统一的分类和命名，必将造成混乱。这将使对土的性质的研究，地基均匀性评价以及地基土的承载性能的确定等项工作无法合理地进行。1983年以前，深圳地区花岗岩残积土的承载力一直用得很低是与此有关的。
根据深圳地区花岗岩的种类以及残积土的物理力学性质，将花岗岩残积土划分为三类，见表3。

表3  花岗岩残积土分类
命    名土中粒径大于2㎜的颗粒含量
砾质粘性土超过或等于全重的20%
砂质粘性土不超过全重的20%
粘  性  土不含粒径大于2㎜的颗粒

5  残积土的分类依据
5．1  母岩种类
残积土的性质、成分、结构以及颗粒级配同母岩的矿物成分，结构构造密切相关。在残积土的进一步分类时，要首先考虑母岩的种类。深圳地区的花岗岩大部分系中粗粒花岗岩，少数为细粒花岗岩，还有一些穿插于花岗岩之中的岩脉、如煌斑岩脉、辉绿岩脉等。它们的矿物组分唯石英的抗风化能力最强，因此在风化后形成的残积土也与母岩相应地可分为含石英粗粒多，含石英粗粒少和基本上不含石英粗粒三类。前两类中，因含有粒径大于2㎜的砾级颗粒，命名时对砾粒含量多的冠以“砾质”，对砾粒含量较少的冠以“砂质”，又由于其中含有不少粘土颗粒，最后定名为“砾质粘性土”和“砂质粘性土”；第三类土基本上不含粗颗粒，系由岩脉风化而成，名为“粘性土”。这样反映了残积土的母岩成分，又反映了残积土本身的组成成分。此外，命名还隐含残积土的产状条件。因此我们认为这样的分类定名，无论从地质学，土质学的观点看，都是比较恰当的。
5．2  残积土的物理力学性质
（1）颗粒级配
表2所列为花岗岩残积土颗粒级配的几种典型情况，粘性土单独划分为一类，在颗粒级配方面是很明显的，无须讨论。现在讨论一下砾质粘性土和砂质粘性土划分界线。图1为花岗岩残积土的标贯击数与砾粒含量关系的散点图。如图所示，采用砾级颗粒作为划分砾质粘性地和砂质粘性土时，采用砾粒含量为全重20%作为界线是较为合适的。
由图1可见，虽然这些点的分散程度较大，但还是可以看出当粒径大于2㎜的颗粒含量超过20%时，其标贯击数平均为16，含量小于20%的标贯击数平均为13，而粘性土则约为11击。现场调查表明，按照这一界线划分土类，基本上与前述按母岩分类的原则相符合，即对于粗中粒花岗岩风化后形成的残积土，其粒径大于2㎜颗粒的含量都超过了20%，对于母岩为细粒花岗岩的残积土，粒径大于2㎜颗粒的含量一般都小于20%。
（2）孔隙比
图2所示为残积土的孔隙比与其中粒径大于2㎜颗粒含量关系散点图。从图2中可以看出，不含粗颗粒的粘性土，其孔隙比相当大（平均1.3左右），砾级颗粒含量小于20%的土之孔隙比分散程度较大（平均约0.9左右），砾级含量大于20%土的孔隙比分散程度较小些（平均约0.85左右）。因此，从所划分的三种土看，它们的孔隙比也是有差别的。应当指出，残积土孔隙比的变化范围相当大，这除了测试及取土过程中的人为因素以外，主要的还是土本身固有的特点。
（3）强度
图3所示为直剪仪对土样作固结块剪的结果。从图中可以看出，土的内摩擦角大致有随粗颗粒的增高而增大的趋势。对于砾粒含量大于20%的土，磨擦角的平均值为30°左右，砾粒含量小于20%时，磨擦角平均约25°左右，不含砾粒时，约20°左右。
（4）压缩性
由于残积土的天然结构在取样时易于破坏，以及由于其中一般含有粗颗粒，在室内试验时基本上取不到完好的试样，所以室内固结试验很难得出此种土的正确压缩性的指标。
图4为深圳地区不同地点所做的载荷试验P－S曲线图。从图中可以发现，这些曲线所分布的范围基本上可分为三个区：Ⅰ区为压缩性相对较低即变形模量相对较大区，Ⅱ区为压缩性相对稍高即却变形模量相对稍小的区，Ⅲ区则为压缩性最大区。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区虽有某些得迭现象，但大致与我们所划分的三类土相对应。
（5）结论
花岗岩残积土分为砾质粘性土、砂质粘性土以及粘性土，不但与其生成的母岩相适应，而且各自具有其差异的物理力学性质。因此，这种划分是可取的。按此方法分类后，各类土的物理力学性质指标统计详见表4。
6  残积土的地基承载力
    6．1  载荷试验
确定地基承载力的最直接和目前来说最好的方法是载荷试验法。我们将图4所示深圳地区各地点载荷试验结果的有关数据列入表5。
从图4和表5可见，花岗岩残积土一般具有较高的承载力，若将载荷试验P－S曲线转折点（或比例界限）所对应的压力作为地基容许承载力，则其最小值可达300Pa。有些载荷试验的P－S曲线压力达到900kPa仍未出现转折点。
用载荷试验确定地基容许承载力的方法通常有两种，一种是应力控制，即P－S曲线的转折点所对应的荷重作为地基容许承载力：另一种可称为变形控制，是将P－S曲线上沉降值等于压板宽度的0.01～0.02倍所对应的压力作为地基容许承载力，后者多用于软土或转折不明显的P～S曲线。经验证明这两种方法都是行之有效的。但对于深圳的花岗岩残积土而言，正如图4和表5所示，若采用上述两种方法中的任一个，都不能适应于全部曲线。如果两种方法同时使用，则将得出精度不等的结果。
为了解决此问题，我们直接采用变形来确定承载力的方法。具体做法是给定一个一定面积的基础及一个容许的绝对沉降值。计算出任一变形模量时的压力值，此值即作为容许承载力。此外，还将此值与规范承载力表中反算出的变形模量相校核，适当加以调整后确定。
6．2   标准贯入试验与地基变表指标
前已述及，花岗岩残积土的变形性能一般不能用室内试验方法求得，可靠的方法是做载荷试验。但载荷试验方法繁杂、价昂、费时，不可能到处都做，因此要寻出一种较简便较精确的方法来确定土的变形性能。我们在载荷试验地点专门做了标准贯入试验，并搜集了一些有关资料（参见表5）。用统计的方法建立了以下变形模量（Eo）与标贯击数（N63·5）的关系式：
Eo=2.2N63. 5(MPa)
其中：4≤N63. 5≤30
6．3  标贯值与地基容许承载力
建立了变形模量与标贯值的关系后，就可以直接用标贯值来建立花岗岩残积土地基的容许承载力表6。

表6 花岗岩残积土地基的承载力qk (kPa)
土的名称 N63.5
4－10 10－15 15－20 20－30
砾质粘性土（100）～250 250～300 300～350 350～（400）
砂质粘性土（80）～200 200～250 250～300 300～（350）
粘性土 150～200 200～240 240～270
注：括号中的值仅供内插用。

由于标贯击数随深度有增加的趋势，且表6中所列容许承载力比载荷试验所得值偏低较多，故当基础宽度或深度增加时，其设计容许承载力可以按TJ7－74规范的规定增高，但MB及MD值建议按表7采用。
花岗岩残积圭中标贯击数随深度变化的散点图见图5、6、7。
6．4 土的物理性质和地基容许承载力
要建立地基承载力与土的物理性质的关系，只要建立标贯值与土的物理性质的关系就可以了。在建立土的物理性质与其承载力的关系时，没有采用液性指数这一指标。实际上由于花岗岩残积土具有相当高的结构强度，扰动土样的稠度已不大能代表其天然状态，故细粒部分的液性指数的意义也不大。
我们用土的孔隙比（e）、天然含水量（W）以及细粒部分的液限含水量（WL）同标准贯入击数（N63. 5）建立统计关系。从分析结果来看，回归效果都不很好，有些结果甚至比实际情况相矛盾，我们认为这是由于在取土和加工土样时容易破坏土的结构，故所求得的孔隙比值误差甚大（可达0.1～0.2），而土的孔隙比本身变化的范围并不太大，因而掩盖了孔隙比的正常影响。其次是由于土的结构强度高，孔隙比对其强度的影响并不显著（回归分析表8）。关于土的物理性质与标贯的关系，请参看图8～13。
参考上述相关分析式，结合深圳地区的勘察实践和建筑经验，我们按土的天然含水量和孔隙比列出了花岗岩残积土的容许承载力表9。

孔隙比砾质粘性土天然含水量/% 砾质粘性土天然含水量/% 粘性土天然含水量/%
≤10 20 30 40 ≤10 20 30 40 ≤30 40 50 60
0.6 450 400 (350) 400 350 300 (250)
0.8 400 350 300 350 300 250 (200) 300
1.0 350 300 250 (200) 300 250 200 (150) 250 200
1.1 300 250 200 150 250 200 150 (100) 200 160 (140)
1.4 160 140 120 (100)
表9 花岗岩残积土容许承载力（R）（kPa）
注：括号中的值仅供内插用

考虑到上述物理性质与标贯击数关系并不密切，所以，当表6与表8有矛盾时，优先采用表6。研究相关分析式还可以看出，由于孔隙比的变化范围不大，实际影响土的承载力的还是土的天然含水量。
7 工程实例
（1）上海宾馆
1983年底，我们接受了深圳上海宾馆的地基勘察任务，从深圳区成立以后，到上海宾馆地基勘察时，深圳地区已兴建了十八层以上的高层建筑63栋，八层以上高层建筑100栋以上。这些建筑物几乎全部采用桩基。当然迪些建物中有少分布在上部复盖有软弱土层的地区，采用桩基是合理的；但也有不少是建立在花岗岩残积土地区，采用桩基是否合理，就是本次上海宾馆地基勘察面临的主要问题。上海宾馆座落在深南大道福田路口，建筑面积共为11500㎡，十三层，最高处43.15m。布置除前后裙房外，主楼平面形状由一个40×8.5m矩形加一个半径R×15.7m的半园形组成，体型及结构均很复杂。
地基土为花岗岩残积土，按分类为主要砾质粘性土。1983年10月勘察时结合科研工作，作了5个载荷试验，P—S曲线的比例介限压力最小为400kPa，作标贯试验45次，击数为10～35击，变形模量为17.32～51.25MPa，说明地基土具有高承载力、低压缩性，完全可以作为高层建筑的天然地基。根据室内土分析资料，土的孔隙比为1.16～0.68，压缩模量6.0MPa，则属高压缩性，不宜作为高层建筑物的天然地基。后根据现场测试资料，决定采用天然地基。但上海宾馆为当时第一幢拟采用天然地基的高层建筑物，为了稳当可靠，地基承载力采用了250kPa，并采用钢筋混凝土条基。
该工程设计时共设沉降观测点22个（实作17个），沉降观测少数从1984年4月21日开始，大部分从7月5日（第6层）开始，到1984年10月5日主体工程完毕时为止的各观测点沉降量数据如表10。
沉降观测资料虽欠完备，但从所记录的数值可以推断总沉降量还是很小，证明了这种土层的承载力的潜力较大，还可以作为更高层建筑物的天然地基。
1985年以后，在此区内在此经验的基础上利用天然地基相继建成了层次更高的高层建筑物。
（2）长城大厦1号楼
深圳市长城厦1号楼由A、B、C、D四个半径为180m弧形单元组合成S形，总建筑面积50000㎡，全长254m，是我国最长的楼宇。该楼主体18层，高52m，电梯间为20层，框剪结构。地基的主要持力层主要由花岗岩残咱们中的砾质粘性土组成。勘察时作了载荷试验，荷载加至600kPa未出现比例介限，变形模量为29.3～37.1MPa，地基本的标贯击数为10～12击。室内常规土工试验，孔隙比大（0.9～1.1）。压缩模量低（为4.0～6.0MPa）。据标贯击数按前述表6查得承载力为250～270kPa。
1号楼原设计按深圳市量般作法采用挖孔桩基，后来，吸取了上海宾馆使用天然堪的经验改用天然地基，基础为筏基，基底深度4.5m。
该楼1986年建成，交付使用后1987年5月29日沉降观测结果，最大沉降28.36㎜，最小17.78㎜，建筑物纵向相对弯曲最大3.6/10000，最小0.9/10000，最大垂直偏差20㎜，完全满足设计和使用要求。采用天然地基与原拟采用挖孔桩基相比可节省投资90万元。如果将同类型的建筑物1、2、3号楼计算在一起，则总计可节省投资173.49万元。
目前，在同一地区采用这一经验，对19层的同类型楼宇采用了天然地基，主体工程已完成，沉降观测结果说明符合设计要求。
白少岭西区规划有25栋高层建筑群，均匀花岗岩残积土，拟在以后兴建时参照已成功的经验，推广使用天然地基。
8 结语
我国在花岗岩残积土地区的建筑规模越来越大。正确地利用花岗岩残积土的承载力是当前一个十分重要的问题。本文从实际调查出发，对花岗岩残积土进行分类，并根据载荷试验提出了花岗岩残积土的变形模量计算式和承载力表。自1982年以来，我们利用这些研究成果，在花岗岩残积土地区作了一些实际工作，证明是可行的。当然花岗岩残积土的变形性质和承载力问题仍是一个非常复杂的问题，需要进行大量的研究和实践才能得以完全解决。