在山区或丘陵地带的勘察中, 岩石与土层物理、力学指标差异较大, 岩层的勘查中, 风化程度是岩层工程地质分层及地基承载力评价的重要依据[1], 对于覆盖层及风化壳较薄地区, 岩石的风化程度判定尤为重要。风化带划分过于保守, 会导致基础设计方案的变化, 投资增加;划分过于冒进, 会增加工程沉降的风险, 或造成施工时设计方案的变更。在花岗岩为主地区勘察中研究风化带界线划分方法具有重要意义。
1 岩石风化带基本特征
岩石的风化是岩石在地表或接近地表的地方由于温度变化、水及水溶液的作用、大气及生物等的作用下发生的机械崩解及化学变化过程。风化作用一般受气候及降水量影响较大, 南方温度高降水量大, 全、强风化层较厚, 北方气温低, 降水量少, 风化壳相对较薄。
岩土工程勘察根据野外鉴定特征、波速比、风化系数和纵波速度将岩体分为全风化带、强风化带、中等风化带、微风化带、未风化带。由于强风化带涵盖从砂土状至块状状态, 从物理力学性质差异较大, 在勘察中大多将两种状态强风化带分层描述。这样的划分从渐变的风化程度中人为划出界线, 便于工程中结构基础的设计。但由于岩石中各种矿物含量的差异、区域变质作用的影响、花岗岩的不均匀风化的影响[2], 风化带界线在地层中的分布并不是均匀稳定的线性关系。在工程勘察中需要多种勘察方法结合综合考虑才能提高勘察的精度。
2 常用勘察手段
2.1 简易勘探及钻探
2.1.1 坑探
坑探操作简单, 适用于不含地下水且风化层较稳定的地层[3], 如山区、丘陵或丘陵缓坡等覆盖带较薄的地段, 也可以用于陡坡、冲沟等基岩埋深较浅钻机难以到达的的场地。坑探可直接观测地质情况, 揭露岩石风化带的天然状态, 分辨岩石结构及矿物风化状态, 人工挖取试验样品。通过开挖过程难易程度、岩体结构、岩石矿物颜色、破碎程度等划分风化带。坑探受场地影响小, 可实施性强, 但一般勘探深度较小, 对于深度大于2m的探坑, 需要采取支护措施, 一般挖探超过3m时, 其安全性、经济性不如钻探。
2.1.2 钻探
钻探是利用机械碎岩方式钻进地层的一种地质勘探方法, 可以直接取得地下一定深度的岩芯, 对岩芯的物理状态进行鉴定。还可在钻孔内进行各种测试, 根据原位测试数据对岩石状态进行量化分析。钻探受岩石的结构状态、裂隙发育情况、设备及钻探工艺影响, 岩芯的完整程度会有较大差别, 基于现场对岩芯的的鉴定划分风化程度, 基本依靠技术人员的经验进行判定, 仍有很大的主观影响。对于风化程度差的弱风化、块状强风化比较容易辨别, 对于结构和颗粒成分近似的全风化与砂土状强风化, 钻探过程中岩芯会被冲洗液带走或者为干烧取上来的岩芯[4], 根据结构和颗粒状态很难辨别, 技术人员个体认识间的差异对风化界线的划分影响也较大, 需要结合原位测试数据才能判定。
2.2 物理勘探
地球物理勘探, 简称物探, 是用物探仪器探测岩土的物理性质的差异, 获得场地各风化带的物理力学性质, 具有工效高成本低的优点。勘察规范中介绍岩石风化程度可依据波速比或纵波速度划分风化带。但其多解性的特点[5], 对物探进行解释时仍需钻探、原位测试的数据辅助才能提高准确性, 这就限制物探需要与钻探的数据结合进行判定, 故物探大多运用于从宏观掌握风化界线的勘察, 无法单独在勘察中使用。
2.3 原位测试
2.3.1 标准贯入试验
标准贯入试验是国际上普遍采用的一种原位测试方法, 可根据标贯击数, 判定土的力学特性。岩土工程勘察规范提出对花岗岩类岩石可采用标贯进行划分:“N≥50为强风化, 50>N≥30为全风化, N<30为残积土”。
标贯在岩石风化带的量化分析上地方经验较丰富, 标准贯入探头的刃脚较薄, 易受风化岩中块状岩石的影响而损坏, 故一般适用于砂砾状以上的风化带, 如果风化层中含有大粒径的未完全风化石英颗粒或岩脉时, 粗颗粒易影响标贯数值, 导致标贯值离散性大, 而当风化壳上部覆盖层较厚, 钻探长度的增加也会带来较大误差, 在测试结果上表现出风化壳层位缺失的假象。
2.3.2. 重型动力触探
重型动力触探落锤重量与落距与标贯相同, 探头为圆锥形, 根据《铁路工程地质原位测试规程》 (TB10041-2003) , 对应冲洪积成因的砂类土、碎石类土可查表获得基本承载力建议值[6]。强风化花岗岩地层不同于碎石类土地层, 强风化岩的粗颗粒及块状岩石结构完全破坏, 无法直接根据动探击数给出强风化花岗岩地层的承载力。用于风化带的划分上缺乏判定依据, 大多结合标贯试验, 对于标贯试验无法穿透地层进行验证。但圆锥动力触探试验具有可贯入连续, 设备简单, 易操作得特点, 一般可结合地方经验或实际勘察经验对风化带进行初步识别。在没有地方经验时, 可在勘察时与标贯进行对比, 得出经验关系, 方便砂土状以上的风化带的定性划分。
3. 勘察方法的使用中以及遇到的问题
勘察方法的选用应分析地形地貌, 依据工点类型、基础形式选用。通过收集场地范围地质资料, 根据场地的地形、地貌划分出地质单元, 结合工程设置开展野外调绘[7], 调查临近工程开挖断面或岩石出露, 初步判断工程场地风化带空间分布特征, 指导勘察手段、勘察方法的选用。根据野外的成果, 分析工点类型、拟采用的基础形式的特综合考虑点, 采用合理的勘察方法。工点类型对地质条件的需求不同, 勘察时岩石风化程度精度要求有所区别
3.1 各类工程的勘探方法
3.1.1 房建建筑、桥涵、挡墙工程
房建建筑、桥涵、挡墙等构筑物需要稳定的地基承担基础传递的荷载, 勘察应重点查明基岩的风化程度及分带情况, 提供设计、施工所需的岩土参数。花岗岩全风化-强风化带承载力高, 适合作为较多结构物浅基础的地基。风化带界线深度决定了基础形式选择和埋深设计, 勘察时准确的划分全风化、强风化的界线尤为重要。花岗岩风化带勘察时应采用取芯钻探, 根据所取得的岩芯进行对风化带进行划分, 对于人工鉴定存在困难的砂土状全风化、强风化, 以标贯作为量化的主要指标, 结合场地调查结果综合判定风化界线。对于各风化带的物理力学指标通过钻探取样进行试验获得。土状至砂土夹块状的全风化强风化带承载力可根据地方经验设计, 或采用平板载荷试验测得。
3.1.2 路堑、边坡, 基坑工程
路堑、边坡, 基坑工程需要查清软弱结构面, 提出岩土施工工程等级、支护参数。路堑、边坡工程应通过现场调查, 掌握场地风化带的及基本厚度, 以及差异风化情况, 得出场地风化带的宏观分布状况, 结合钻探岩芯状态可判定查清软弱面、结构面的空间分布, 可通过钻探岩芯的风化程度、结构特征钻进难易程度分析岩土施工工程等级。
3.1.3 隧道及地下洞室
隧道及地下洞室需要查明地层岩性、风化程度, 确定岩体质量等级, 岩石的风化状态主要影响围岩等级以及施工开挖难易程度。隧道、地下洞室洞身在块状强风化或弱风化带中时, 岩石风化界线一般较稳定, 采用物探结合钻探成果判断洞身以上风化带界线, 可减少钻探的投入, 节省成本, 降低勘察周期。对进出口或浅埋段, 可用钻探方式查明风化界线。
3.2 与地形地貌有关的勘察
在温度、降水、地质成因相同的岩石, 风化带厚度与地形、地貌有较大关系, 总体而言由地势高处向低处厚度增大。山区、丘陵高岗高地风化层较薄或缺失;山前斜坡、丘前缓坡或丘间平原风化层较厚;丘间平原、河流阶地等地带覆盖层下部分风化层缺失。不同的地貌应依据覆盖层特点选择合理的勘察手段和方法。
3.2.1 山区
山区地势高, 地形起伏大, 受地表水的冲刷、剥蚀作用的影响大, 地势高处风化层一般较薄或缺失, 基岩大部分裸露, 仅覆盖较薄的砂土状全-强风化层, 通过调查了解场地受构造、区域变质作用影响的差异风化情况, 配合探槽、探坑把握区域全风化层厚度。采用钻探查明强风化层界线, 对介于砂土状、块状风化带之间的强风化带可通过钻探岩芯状态来确定, 对于岩芯采取率低的钻孔, 可结合重型动力触探对风化带界线进行划分, 对于隧道路堑挖方的大范围段落勘察时可采用钻探辅助物探的方法查明。
3.2.2 山前斜坡、丘前缓坡
山前斜坡、丘前缓坡风化层受剥蚀影响较小, 风化层较为稳定, 一般可见岩石出露的地点较少, 可调查地方取土或工程开挖地段作为观测点, 地表水冲刷形成的沟谷也是较好的观测点。山前、或丘陵前地形起伏変缓地段是河流或泥石流冲积物堆积的地点, 冲洪积物中的砂砾与角砾大多是河流上游块状风化岩或碎屑, 矿物成分、颜色上与周围岩石矿物成分相近, 极易与基岩混淆, 应注意河流冲洪积形成的地层与风化带的判别。冲洪积层沉积物不均匀, 块石夹杂砂砾、黏性土, 块石风化程度有所差异。勘察时应以取芯钻探为主, 仔细对比岩芯, 对于夹杂物少的碎石, 可采用动力触探进行验证, 一般粒径较小的碎石土, 动弹可连续贯入, 对于动弹无法贯入的碎石土, 可从岩芯中观察上下地层接触变化关系确定。
3.2.3 丘间平原、河流阶地
丘间平原、河流阶地大多地表覆盖冲洪积地层, 覆盖层、岩石风化带厚度随地势变化规律较明显, 高处冲洪积层较薄风化带剥蚀差, 从全风化-强风化均有分布, 砂土状风化带受剥蚀影响局部变薄, 低处覆盖层较厚, 但风化带易受河流冲蚀砂土状风化带缺失, 仅保留块状以上风化带。应注意砂土层与砂土状风化层的判别, 勘察中不仅仅依靠原位测试定性, 应观察岩芯砂砾中的夹杂物确定, 基岩没有经过搬运, 往往残存原岩中的结构以及易被水流带走的, 对于暗色矿物和云母含量较少的岩石, 则需要分析上下地层的接触关系来确定。
3.3 不均匀风化
3.3.1 受区域构造影响
当岩石受段裂、或运动的影响, 在构造、段裂带附近的岩体节理裂隙发育, 受构造的扭转、挤压岩石矿物结构破坏, 较完整岩石更易风化, 风化带往往延构造破坏地带发育、厚度增大, 出现基岩风化陡坎。在勘察时应加强对风化带的识别, 在风化带变化较大处增加勘探点。可采用物探查明风化带变化的, 在变化较大处使用钻探进行验证, 指导挖探的解译。韧性剪切带中破裂面并不明显, 变形特征更为复杂, 在低温高剪切应变下, 韧性剪切带内可产生较多小型构造, 产生变质矿物, 这些都会降低岩石的抗风化能力, 故在人性剪切带内的岩石风化程度差异大, 表现为在较强风化带中夹杂类似球状风化的弱风化带, 在勘察资料中为风化带次序出现颠倒, 但风化带变化规律不如段裂构造附近岩石明显, 容易产生误判。在勘察中应采用取芯钻探结合标贯, 依据岩芯状态和标贯数值判断风化程度。对于块状风化产物可用动力触探代替标贯, 可获得定性判断。
3.3.2 球状风化
球状风化是花岗岩地区常见的一种差异风化现象, 宏观上主要受区域构造条件、水文条件, 气候、地形等的影响。微观上主要受岩性特征 (岩石结构、构造、矿物成分及含量、矿物抗风化能力大小等) 因素的影响[7]。球状风化发育的地区, 在既有边坡或山区、丘陵等坡地地表出露。由于球状风化未风化的球体与周围岩体风化差异较大, 隐蔽性强, 当基础处于未风化球体上时, 易造成桩基失稳, 浅基础沉降不均等工程危害。球状风化的勘察应以调绘为基础, 通过野外调查预判可能发育区域, 发育情况、赋存特征、风化球最大直径, 指导物探方法和钻探深度的选择, 通过物探查明宏观风化界面, 钻探进行验证并指导物探的解译。钻探可查明具体球状风化的大小和分布情况。
3.3.3 矿物成分
花岗岩岩体风化程度与组成岩石的矿物成分有关, 不同矿物成分抗风化能力不同, 含铁镁类矿物的橄榄石、角闪石最易风化, 长石次之易受物理风化后受化学风化分解, 石英矿物最为稳定, 故花岗岩中石英含量越高, 越不易风化, 岩体风化带越薄, 反之角闪石、长石含量越高, 风化带越厚。这种风化层厚度的变化往往是规律的, 通过钻探和原位测试就可查明, 但风化界线的确定需要标贯结合钻探岩芯综合确定。在相同标贯击数情况下, 石英, 长石颗粒含量高的, 风化界线应向上考虑, 对于角闪石, 云母含量较高的岩石, 界线应略靠下。
4. 结论
1、分析了常用的勘察手段的优缺点, 坑探、钻探是揭露风化界线的最直观方法, 以标贯作为花岗岩风化界线的定量指标具有规范依据, 勘察时考虑差异风化对试验值的影响, 在标贯值的基础上综合考虑风化界线的判定。
2、不同的工点对勘察成果有不同的需求, 工程勘察时应注重对勘察手段的综合运用。
3、勘察中注意地貌的变化对风化带厚度的影响, 地势低洼处的冲洪积层易与风化带混淆, 勘察中应使用多种方法综合判定。
4、受构造、韧性剪切、球状风化等原因影响的不均匀风化是影响风化带厚度的最主要因素, 风化界线判定是时应综合考虑。
摘要：介绍我国岩石风化带特征以及风化带划分方法。分析风化带的勘察中常用方法和手段优缺点, 物探可作为定性勘探方法宏观掌握风化带厚度, 坑探、钻探直接揭露岩石状态, 是最简单实用的勘察手段, 标贯、动探作为定量手段可降级人为因素的影响, 但应与钻探、物探综合使用。在调绘的基础上对不同的工点勘察使用合理的勘察方法可提高准确性和经济性。勘察中应注重根据不同的地形地貌以及风化带分布特征选用相应的勘察方法, 对不均匀风化的风化界线综合各种勘探方法进行判定。
关键词：花岗岩,风化,勘察,地貌,不均匀风化
参考文献
[1] 王晓峰, 韩宏韬.岩石风化程度的定量分类[J].工程地质学报2011 (19) 11-13
[2] 李景山.桂北山区花岗岩差异风化特征及勘察方法研究[J].铁道工程学报2014 (10) 32-36
[3] 铁道部第一勘察设计院.铁路工程地质手册[M].北京:中国铁道出版社, 2015.
[4] 周孟超.探究铁路工程地质与钻探的结合[J].铁道勘察, 2008 (6) 64-67
[5] 刘士毅, 田黔宁等.解决物探异常解释多解性的一次尝试[J].物探与化探, 2010 (12) 691-696
[6] 铁道第四勘察设计院.TB10018-2003铁路工程地质原位测试规程[S].北京:中国铁道出版社, 2003.
[7] 夏邦栋.普通地质学[M].北京:地质出版社, 1995