基于原位测试的花岗岩力学参数分析

万燕龙 宫浩亮 甄振

摘要：风化花岗岩有着遇水软化、结构性比较强、取样较难等特性，故一般室内常规土工试验测出的变形参数和抗剪强度通常存在偏差。为了掌握风化花岗岩准确的变形参数与抗剪强度，以实际项目为例，通过旁压试验等原位试验测试场地内风化花岗岩的变形参数与抗剪强度，并与平板载荷试验进行对比。研究结果表明：当地层风化程度降低时，土体的强度指标和变形参数指标逐渐增大，这表示土体强度和抵抗变形的能力会随着土体强风化程度的降低而增大；
剑桥旁压试验和平板载荷试验所得出的土层抗剪强度指标基本一致，但剑桥旁压试验计算出土体变形模量高于平板载荷试验；
试验扰动会对岩土体参数产生较大影响，剑桥旁压试验和平板载荷试验所测出的土体变形参数和强度指标要大于室内试验所得结果；
通过剑桥旁压试验能够一次计算出较多的土体参数，且不会对土层造成较大扰动，所得结果比较准确，能够对工程设计起到很好指导作用。

关键词：风化花岗岩；
变形参数；
抗剪强度；
旁压试验；
原位试验

0   引言

近几年，在风化花岗岩地质区域开展的工程常常出现边坡失稳和桩基失效的问题[1-2]。造成此类问题发生的根本原因是在确定地层土体各项力学参数时存在偏差，导致设计并不准确[3-4]。通常以室内试验和原位试验的方式来确定土层参数，与一般室内常规试验相比，原位试验对土层的扰动较小，在不破坏土体原有应力状态和结构的情况下测试出岩土體的力学参数[5]。朱德昌等[6]对结构性风化花岗岩层进行了原位试验，并提出了一种分析方法，对风化花岗岩力学参数的确定提供了借鉴。为了掌握风化花岗岩更加准确的变形参数与抗剪强度，本文以实际项目为例，通过旁压试验等原位试验，测试了场地内风化花岗岩的变形参数与抗剪强度，并与平板载荷试验进行了对比，以为相关工程提供指导和借鉴。

1   项目概况

某项目规划海域面积为30km2，区域内有较多的海岛与暗礁，25～30m为海域水深。项目预计安装单机容量4.0MW的风机60台，风机基础选择桩基础和重力式基础，桩型为钢管桩，直径2.0m。因为海上取样困难、难以进行试验，同时风化花岗岩有较强的结构性，故在项目附近陆地找到一处和项目场地土层结构相同的场地开展原位试验。

通过地质勘查得出，试验场地地质从下往上分为碎裂体状强风化花岗岩、散体状强风化花岗岩、全风化花岗岩、花岗岩残积土以及粉细砂。在试验场地内共钻取试验孔6各，依次开展了标准贯入试验、旁压试验以及波速试验。

2   原位试验

2.1   旁压试验

选择剑桥自钻式旁压仪来开展旁压试验，此仪器具有精度高、不会对原状土层造成较大扰动、适应性强、不需对经验系数进行校对、测试范围大等优点。应用其除此之外，还能够对众多土力学参数进行推导（内摩擦角、变形模量、侧压力系数、粘聚力、地基容许承载力、水平应力等），在获取花岗岩参数方面有独特的优势。通过旁压试验和地勘报告得出土体各项参数，具体见表1。

通过剑桥旁压数据能够发现，当地层风化程度降低时，土体强度的内摩擦角和粘聚力指标逐渐增大；
当地层风化程度降低时，能够体现土体变形特性的变形模量和剪切模量也逐渐增大。除此之外，PL、P?等能体现土体承载能力的指标也逐渐增大，总体上说明土体承载能力随着其风化程度的降低而增大。

2.2   剪切波测试

通过单孔法对剪切波速进行测试。一般情况下的操作步骤为在信号接收孔或地面进行激振时，在一个垂直钻孔里，检波器以上往下或从下往上的顺序对各地层的S波进行检测，同时对每层土S波的波速进行计算，试验得出的剪切波速测试曲线见图1。

计算小应变剪切模量的公式为：

Gd=ρv2s                 （1）

式中：Gd为剪切模量，ρ为密度，vs表示剪切波波速。

结合公式（1）和剪切波速试验数据，对土层动剪切模量进行计算，得到如表2所示为具体结果。从表2中能够发现，当土层风化程度逐渐降低时，其剪切波速与动剪切模量均表现出逐渐提高的规律。

2.3   标准贯入试验

在主要土层中（风化残疾土）开展此次标准贯入试验，具体试验结果如表3所示。

对标准贯入试验数据进行分析，参考岩土勘察规范，当工程的岩土工程勘察等级小于等于乙级，且缺少无载荷试验资料时，可参考标准贯入试验数据来对花岗岩残积土的变形模量E0与承载力特征值?ak进行推算，具体公式如下：

E0=1.167N"-1.053        （2）

?ak=11.97N"-87.37         （3）

式中：N"代表标准贯入试验的锤击次数。

通过表3能够发现，14.6击为花岗岩残积土经过修正后的标准贯击数均值。变形模量E0与承载力特征值?ak计算如下：

E0=1.167×14.6-1.053=15.99MPa        （4）

?ak=11.97×14.6-87.37=262.13kPa       （5）

3   分析风化花岗岩岩土参数取值

3.1   对比平板载荷试验推算结果

在实验场地先后开展全风化花岗岩和花岗岩残积土的平板载荷试验，具体的试验结果如图2所示。

根据平板载荷试验数据并参考岩土勘察规范来计算其变形模量E0，计算公式如下所示：

（6）

式中：μ代表泊松比；
承压板的边长或直径表示为d；
刚性承压板的形状系数表示为I0，方形和圆形的值分别为0.886和0.785；
s、p分别为压力沉降曲线中的沉降和線性段压力。

通过相关规范，能够得出地基承载力特征值和土体抗剪强度间的关系，具体形式如下所示：

?a=Mbγb+Mdγmb+Mcc             （7）

参考当地经验并结合旁压试验数据对内摩擦角φ进行假定，再对粘聚力进行计算。通过地基承载力确定标准和式（6）、式（7）对平板载荷试验参数进行确定，具体见表4。

通过对表1和表4进行对比，发现剑桥旁压试验和平板载荷试验所得出的土层抗剪强度指标基本一致，不过前者计算出的土体变形模量要高于后者。

3.2   对比室内试验结果

对土体进行室内常规土工试验，得到其抗剪强度指标和变形参数，具体见表5。从表5中能够看出，试验扰动对岩土体参数有较大的影响，土样从原来环境中取出时，破坏了土体的原有结构，导致室内试验测出的土体变形参数和强度指标，要小于剑桥旁压试验和平板载荷试验所得出的结果。

3.3   风化花岗岩岩土参数取值研究

综合分析平板载荷试验结果、场地钻探结果、标贯结果以及旁压试验结果之后，并参考工程地质手册、岩土工程勘察规范等规范，同时考虑到原位测试不会对土层造成较大的扰动，故提出各土层的力学指标应以旁压试验等原位测试的计算结果为准。场地内各土层力学指标和设计提议值如表6所示。地基承载力特征值如表7所示。

4   结束语

本文通过剑桥旁压等试验对岩土开展了原位试验，并与平板试验、室内试验进行了对比，结合相关国家规范后整理后得出各岩土层力学参数取值的指标，可以得到以下结论：

当地层风化程度降低时，土体强度的内摩擦角和粘聚力指标逐渐增大，这表示土体强度随着土体强风化程度的降低而增大。当地层风化程度降低时，能体现土体变形特性的变形模量和剪切模量也逐渐增大，这表示土体抵抗变形的能力会随着土体强风化程度的降低而增大。除此之外，PL、P?等能体现土体承载能力的指标也逐渐增大，总体上说明土体承载能力随着其风化程度的降低而增大。剑桥旁压试验和平板载荷试验所得出的土层抗剪强度指标基本一致，不过前者计算出的土体变形模量要高于后者。试验扰动对岩土体参数有较大影响，土样从原来环境中取出时，破坏了土体的原有结构，导致室内试验测出的土体变形参数和强度指标，要小于剑桥旁压试验和平板载荷试验所得出的结果。

通过剑桥旁压试验能够一次计算出较多的土体参数，且不会对土层造成较大的扰动，所得结果比较准确，能够很好的对工程设计起到很好的指导作用。

参考文献

[1] 陈饿，吴传云，韩中会.干密度和饱和度对花岗岩残积土抗剪强度的影响[J].铁道勘察，2018，44（6）：75-78.

[2] 刘翔宇，杨光华，杨球玉，等.旁压试验在深厚强风化花岗岩层中的应用[J].工程勘察，2016，44（7）：31-36.

[3] 朱斌，刘非，郭金玉.某露天矿区全风化花岗岩原位试验研究[J].中国矿山工程，2012，41（2）：1-3+7.

[4] 白晓宇，张明义，朱磊，等.强风化花岗岩中嵌岩短桩承载特征原位试验与有限元分析[J]中南大学学报（自然科学版），2017，48（2）：512-524.

[5] 徐晓斌，奏晶晶，高飞.某核电站强风化花岗岩原位直剪试验研究[J].工程勘察，2009，37（12）：40-43.

[6] 朱德昌.花岗岩残积土的试验及测试研究[J].福建建筑，1999（2）：42-44.

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