花岗岩风化土工程特性研究

李宏文

（重庆交通大学， 重庆 400074）

0 引言

花岗岩风化土中粗颗粒含量多，裂隙发育，结构疏松，力学特性受水影响大。花岗岩风化土因其风化程度对边坡稳定性的影响各有差异，首先其岩体具有原岩的特征且未经二次堆积，其稳定性特征明显区别于均质土边坡和岩石边坡，所以对花岗岩风化土工程特性的研究就显得尤为重要。

本文从风化花岗岩的形成特点开始，对花岗岩风化带的划分进行研究；同时，结合已有的研究成果对风化花岗岩边坡上层的花岗岩风化土的工程特性进行研究。

1 风化花岗岩形成特点及风化带划分

1.1 风化花岗岩形成特点

花岗岩(Granite)是大陆地壳的组成部分，是在地表下岩浆凝结形成的火成岩，属于岩浆岩中酸性的侵入岩，其组成以石英、钾长石和酸性斜长石为主，其结构致密、质地坚硬、耐酸碱性好、抗压强度高和吸水率低。花岗岩的岩石类型有：黑云母花岗岩、二长花岗岩和花岗闪长岩。

岩石风化作用有生物风化、化学风化和物理风化，其中黑云母的风化形式较多，主要蚀变成伊利石和铁锰矿物，由黑云母风化产生的蛭石或高岭石使花岗岩的强度降低并使花岗岩的结构产生破坏。花岗岩中长石的风化主要以液相状态下的结构重组为主，在水的作用下长石及其风化物随介质溶液下渗或者流失，当溶液达到一定浓度是则生成高岭石、蒙脱石或伊利石。同时，花岗岩中长石的风化会增加地表的渗透性，同时下渗的溶液生成的高岭石，并使下层的花岗岩强度降低，造成花岗岩的结构破坏。花岗岩风化土的X衍射结果中，花岗岩风化物主要以石英、长石、高岭石、蒙脱石、伊利石及方解石组成，调查中发现华东、华南地区由于风化程度及花岗岩组成上的差异，使花岗岩的风化土中矿物含量也有所差异，在扫描电镜结果中石英表面被泥质包裹并呈圆状结构，斜长石蚀变成高岭石呈书页状和蠕虫状，钾长石蚀变成伊利石呈叶片状[2]。尚彦军等[3]发现随花岗岩风化程度的增加，风化土中长石含量减少，粘土矿物含量和微孔隙率增加；从微观角度对其化学成分的改变中，可以认为风化过程是 SiO2大量流失， Al2O3和游离铁的氧化物含量相对增加。

岩体的球状风化是因受到三维裂隙控制形成带棱角的岩石，裸露的岩石在风化作用下发生棱角破坏而形成曲面[4]；裸露的花岗岩风化岩石一般都呈现球状风化，即裸露的花岗岩棱角中角部受到三个方向的风化作用，而棱边受到两个方向的风化，面状部分受到单方向的风化作用。花岗岩岩体受断裂裂隙影响，存在多组剪性节理，其中较为破碎部分更易风化，节理较为完整部分的岩石则被保留，所以花岗岩风化土中保留了原岩的基本结构，同时风化过程中形成的粘土矿物又具有土的特性。

1.2 花岗岩风化带划分

花岗岩风化土是花岗岩在地质作用和风化作用下形成的具有特殊工程特性的土，其工程分类方法和依据都各有差异。国外对于岩石风化壳的分类研究起步较早，1976年Dearman对风化壳分带的研究中将风化壳分为Ⅵ残积土、Ⅴ全风化、Ⅳ强风化、Ⅲ弱风化、Ⅱ微风化和Ⅰ原岩。T．Y．Irfan（1996）[5]对Ruxton&Berry（1957）、Dearman（1976）、Anon（1981）、GCO（1998）关于花岗岩风化壳分带的研究成果进行了总结。

国内学者依据自身的研究成果，对其划分方法也进行了更深层次的研究，其定量评价方法中较为常见的是多指标分类方法。郭欣（1997）[6]认为花岗岩风化带的划分应有宏观的地质特征描述和定量指标，其研究中将花岗岩风化带划分为：全风化、强风化、弱风化、微风化和新鲜岩基。刘靓（2003）[7]采用定量的评价指标，将华南风化花岗岩按其定量指标划分为微风化、弱风化、强风化、全风化和残积土；

2 花岗岩风化土工程特性研究

花岗岩在风化作用下出现风化变质现象，且形成较大的风化厚度，垂直分带明显，水平方向分布均匀稳定，但其风化物随风化程度的增加与母岩呈现相反的工程特性。本文将从花岗岩风化土的物理特性、力学特性和岩土特性三个方面对花岗岩风化土的工程特性进行研究。

[59]Chi-shad Liang, Burma’s Foreign Relations: Neutralism in Theory and Practice, New York: Praeger, 1990, p.64.

2.1 花岗岩风化土的物理特性

花岗岩风化土因其风化程度和矿物组成的不同，其物理性质呈现较大差异。本文对于花岗岩风化土的物理特性主要从其颗粒组成、界限含水率和压实特性等方面进行分析。

花岗岩风化土的颗粒组成中粗颗粒主要以花岗岩风化碎屑为主，细小颗粒主要以粘性土类为主，并且在天然状态下花岗岩风化土的孔隙比、透水性和颗粒粒径呈现自上而下逐渐增大的趋势，其颜色也因风化程度的增加而变深。刘胜娥等[8]发现海南花岗岩残积土的土颗粒分布表现为中间粒径0.5～0.075mm（细砂、中砂）含量相对较低，但其粗、小粒径组颗粒含量相对较高，呈现出“两头大，中间小”的特点。

花岗岩风化土的界限含水率可反映出风化土所处的状态和塑性能力。肖红兵（2016）[9]发现试样的取土地点和深度对其 Wp和 WL影响很大，但总体上表现为其上部土层的 Wp和 WL大于下部土层，IP也表现出随深度的增加而减小，所以其研究也反映出花岗岩风化土分布上的不均匀性；上部土层的风化程度大于下部土层的风化程度，且浅层风化土表现出粘性土的特点，较深处的土层表现出粉土的特性。

花岗岩风化土的压实特性与风化土的最大干密度和最佳含水率有关。当花岗岩残积土的含水量一定时细粒含量较大时其压实性能较弱，反之则较强。同时，花岗岩风化土的抗剪强度随压实度的增大而增大，但土颗粒间的引力则减小[10]。

2.2 花岗岩风化土的力学特性

花岗岩风化土的力学特性主要表现在其抗剪强度和承载能力，其风化程度和颗粒组成等因素为影响其力学特性的内在因素，而降雨、地震和施工等为影响其力学特性的外在因素。

从文献[8]中对于花岗岩残积土的 ρd-c曲线（干密度-粘聚力）、ρd-φ曲线（干密度-内摩擦角），可看出随花岗岩残积土风化程度增加其土中细颗粒的增多，土的干密度减小，花岗岩残积土的抗剪强度减低主要表现为内摩擦角φ减小。同时，其风化程度越高，细颗粒的含量越高，则土的膨胀性越高，其抗剪强度也会降低。

文献[11]在不同含水量条件下的固结排水实验中，发现花岗岩残积土的抗剪强度指标中粘聚力c的降低幅度是内摩擦角φ降低幅度的30倍，且随着土中含水量的增加使其粘聚力降低幅度加快，其原因是土中的粘土矿物与水发生作用而导致粘聚力降低，花岗岩残积土中的内摩擦角主要与土中粗颗粒的含量有关，所以土在水的作用下的软化效应十分显著；花岗岩残积土在相同压实条件下，其变形模量与含水率呈反比，且其变形模量变化率增大呈加速变化的趋势，所以花岗岩残积土在水的作用下压缩特性和强度降低且软化效应增强。

2.3 花岗岩风化土的岩土特性

花岗岩风化土因其成因与组成结构的不同而具有特殊性，其独特的组成和结构特点使得其岩土特性十分突出，如软化和崩解特性、不均匀性和各向异性、扰动性等。

2.3.1 不均匀性和各向异性花岗岩由不均匀分布的岩脉组成，包括二长岩脉、煌斑岩脉、石英岩脉等，其石英岩脉风化能力弱，二长、煌斑岩脉等的风化能力强，故前者在风化土中形成硬化层，后者则形成软弱夹层，由此形成的裂隙对风化花岗岩边坡的稳定性起决定性作用。同时，由于地质和气候条件的差异，花岗岩风化程度和风化阶段的不同，以及土的膨胀和临空面形成等原因，风化花岗岩边坡的风化土结构组成和次生裂隙的分布也有所差异。

张文华[12]从其1990年开始对花岗岩残积土边坡的调查中认为花岗岩残积土边坡的变形失稳不同于一般粘性土质边坡，在其45例失稳边坡中由于风化土不均匀性及各向异性的原因造成的边坡失稳案例占79%，崩岗占17%，其发生圆弧式滑动破坏的只占少数，故花岗岩残积土以原生和次生裂隙而产生的变形破坏为主。

2.3.2 软化和崩解特性

花岗岩残积土的软化特性指因含水量的增加，风化土层的抗剪强度降低、压缩性增大的特性。因花岗岩残积土中的胶结物溶于水中，使得花岗岩残积土的粘聚力发生急剧降低。张永波（1997）[13]认为风化土中的含水量影响土体颗粒间起胶结作用的游离氧化物的含量，而引起花岗岩残积土的软化和承载能力降低，其试验发现土中游离氧化物的含量从6.67%降低到5.28%，使得残积土的强度降低7%左右。

崩解指花岗岩残积土在水中呈散粒状、片状、块状和粒状等现象，并且出现掉、剥、崩、落的现象[14]。土的崩解一般都是由于土中的粘性矿物溶于水，使土颗粒间的胶结作用丧失，土体结构之间的斥力超过吸力，产生应力集中而瓦解的物理过程。一般产生崩解需以下条件：土体中的胶结物易溶于水，土中存在水的渗流通道，土颗粒间的胶结被水破坏后不可逆，临空面存在。文献[15]通过引入崩解速率指标，对其崩解的结构性机制进行分析，认为其崩解的根本原因是土的软化，并将其崩解过程分为：扰动性崩解、结构性崩解和溶解性崩解。

2.3.3 扰动性

花岗岩残积土是一种结构性很强的土，但有极强的扰动性，因其结构组成中砂砾碎屑含量较高，所以在进行试验试样切取或钻探取样时，土样极易受到扰动而破坏其结构，使得其结构强度降低。花岗岩风化土的扰动一般有：机械扰动、土样应力状态的改变、试样的结构破坏。由于试样受到扰动，室内试验所得的土的压缩模量偏低，压缩系数偏大，导致室内试验的结果不能很好的反映土的性质。

3 结论

综合分析可认为花岗岩的风化过程可概括为：第一阶段，花岗岩岩体在地质应力作用下形成裂隙，将岩体分成花岗岩岩块；第二阶段，在风化和外力作用下岩石形成微裂隙；第三阶段，花岗岩岩石发生层状剥离和分解，使得花岗岩进入更深层次的风化阶段。总体上对于花岗岩风化带的划分，按其风化程度分为六类：Ⅵ花岗岩残积土、Ⅴ全风化花岗岩、Ⅳ强风化花岗岩、Ⅲ弱风化花岗岩、Ⅱ微风化花岗岩和Ⅰ花岗岩原岩。

花岗岩风化土的颗粒组成呈现出“两头大，中间小”的特点，并表现出风化和分布的不均匀性，使其工程特性区别于一般粘性土和砂质土，其浅层风化土的界限含水率表现出粘性土的特点，较深处的土层表现出粉土或砂性土的特点。花岗岩风化土的力学强度随土中含水量和细小土颗粒的含量增大而降低，同时因其独特的组成和结构特点，使得其岩土特性表现为不均匀性和各向异性、软化和崩解特性、扰动性等。