花岗岩风化料作为路用材料的分类特征

摘要：风化花岗岩主要是以粗粒为主，该类土作为路基填料和底基层的骨料时，应根据其不同工程性质来确定土的分类特征。本文通过对郑石高速公路K6+160～K22+580段花岗岩风化料成因、分布等工程地质性质特性的调查，结合风化料的物理、力学等试验研究，提出适合公路路基填料和半刚性基层（底基层）材料的土性分类名称及分类指标。

关键词：风化花岗岩；级配特征；击实特性；回弹模量

中图分类号：P619文献标识码： A

自然条件下形成的土，随成因条件和环境的变迁，经历着量变和质变，颗粒由粗变细，其工程性质和特点都在不断变化。在划分土类时，由于人为界限定出的名称与实际的矛盾，使得在工程应用中存在诸多问题。因此，只能是综合土的分析各种特性，抽象出共性予以区分，并根据工程需要进行分类。目前常用的工程分类法有两种，一是研究地基承载力，以塑性指数为分类指标；二是研究路基稳定性，认为颗粒组成，特别是细粒（粉粒）含量的多少，对水稳性影响巨大，因此以颗粒组成作为分类标准。本文将花岗岩风化料作为研究对象，主要从级配特征、击实特性、抗剪强度和回弹模量等试验指标来确定其工程特性，为工程施工提供试验数据和参考。

1 级配特征

现场采集的原状风化花岗岩颗粒较粗且不均匀，为分析原状土颗粒分布特征，依据《公路工程土工试验规程》（JTG E40-2007）进行了室内颗粒分析试验－筛分析。试验表明：原状土以砂、砾粒为主，细粒土(小于0.074mm)的含量介于0.83%～0.01%，巨粒土(大于60mm)的含量小于10%，粗粒土(0.074～60mm)的含量超过90%。在整体结构中，砾粒含量为60%～70%，砂粒含量为20%～30%，不均匀系数为5.5～9，曲率系数0.88 ～0.912，因此原状风化花岗岩料可定义为级配不良。原状土的筛分试验曲线如图1所示。

图1 原状土筛分试验曲线

2 击实特性

根据击实试验的重型标准，得到原状土击实试验数据。

表1击实试验统计数据表

试验点 湿密度

（g/cm3） 湿密度

（g/cm3） 干密度

（g/cm3） 干密度

（g/cm3） 平均含水量

（%） 平均含水量

（%）

分组 第一组 第二组 第一组 第二组 第一组 第二组

1 2.04 2.14 1.95 2.04 0.047 0.051

2 2.27 2.29 2.11 2.13 0.077 0.076

3 2.27 2.31 2.08 2.1 0.091 0.102

4 2.26 2.24 2.03 2.02 0.111 0.111

5 2.24 2.29 2.01 2.04 0.118 0.121

6 2.24 2.23 1.96 2 0.143 0.114

从两组击实试验结果可以得出:第一组最优含水量:7.4%，最大干密度:2.12g/cm3；第二组最优含水量:7.6%，最大干密度:2.14g/cm3；平均最优含水量:7.5%，平均最大干密度:2.13g/cm3。

风化的花岗岩砂砾类土由于其内部常含有或大或小的微裂缝，且本身没有规则的几何形状，风化程度不同，所以颗粒强度比较低，风化颗粒尤其是较大颗粒容易破碎，颗粒之间粘结性差，级配变异性较大。在原状土击实过程中，颗粒不能保持其固有的几何形状而被击碎，由于颗粒破碎吸水量不易估计，使得计算含水率与实测含水率有一定的误差。

3 抗剪强度指标

本次采用室内三轴压缩固结不排水剪切试验来测定花岗岩风化料的值和值。依据《公路工程土工试验规程》（JTG E40-2007）中有关规定，试件尺寸为：高度200mm，直径101mm的圆柱体，试验剪切应变速率为0.5mm/min。试验中选择围压分别为：100kPa，200kPa，300kPa，400kPa。试验用压力机为济南试金集团的WDW-100D微机控制电子式万能试验机，其最小量程为10kN，最大量程为100kN。得出以下结论：

固结不排水试验数据表2

围压

σ(kPa) 峰值σ1(kPa) 最大干密度 ρd(g/cm3) 最佳含水量

ω0(%) фcu(°) Ccu(kPa)

试验A 试验B 平均值 试验A 试验B 试验

A 试验

B

100 732.1 816.1 774.1 2.0 7.5 30 31 67 114.3

200 1180.6 1190.2 1185.4 2.0 7.5

300 1470.3 1517.8 1494.1 2.0 7.5

400 1739.6 1767.4 1753.5 2.0 7.5

平均值 30.5 90.7

图2 原状土三轴试验摩尔圆及强度包线图

实测花风化岗岩砂砾类土的фcu平均值为30.5°，Ccu平均值为90.7kPa。

4 回弹模量

回弹模量的测定采用的三轴压缩试验再循环加载的条件下进行的，试验的试件和三轴固结不排水剪切试验的试件相同，循环加卸载的幅值选用Pmax（Pmax为峰值荷载），其中Pmax范围为试样的弹性变形范围，此时试样不会出现体积膨胀，而在～Pmax之间时试样的体变为：由体积收缩变为体积膨胀。试验过程中的围压分别为：100kPa，200 kPa，300 kPa，400 kPa。剪切应变速率分别为0.5mm/min，1.0mm/min。循环加卸载的次数不断增加，当达到一定的程度时，剪切应变速率保持不变，直至试件被剪切破坏为止。

由于回弹模量的大小与剪切应变速率的大小有直接的关系，一般情况下，在保证剪切应变速率不超出规范规定的范围内，应尽量地取大值，故此处采用速率为1.0mm/min的回弹模量值，其对比值如下表所示。

表3回弹模量汇总表

0.5mm/min 1.0mm/min

围压（kPa） 回弹模量值（MPa) 围压（kPa） 回弹模量值（MPa)

100 17 100 18

200 22 200 25

300 30 300 32

400 33 400 36

5 小结

通过土的特性试验，得出郑石高速公路K6+160～K22+580段风化花岗岩土类为粗粒土中的级配不良的含砂砾类土，符号GSP。其分类指标归纳为：

1、原状土试验两组击实试验结果分别为:第一组最优含水量:7.4%，最大干密度:2.12 g/cm3；第二组最优含水量:7.6%，最大干密度:2.14 g/cm3；平均最优含水量:7.5%平均最大干密度:2.13 g/cm3。

2、实测花风化岗岩砂砾类土的фcu平均值为30.5°，Ccu平均值为90.7kPa。

3、回弹模量主要受剪切应变速率的大小影响，在0.5mm/min速率下，围压100～400kPa时，风化料的回弹模量为17～33MPa；在1.0mm/min速率下，围压100～400kPa时，风化料的回弹模量为18～36MPa。

参考文献：

[1] 《工程地质手册》编写委员会.工程地质手册.北京：中国建筑工业出版社，1981，23-24.

[2] 张永波，张云等.花岗岩残积土工程类型划分体系研究[J].地球学报，1997，(2):13-87.

[3] 陈洪江，崔冠英.花岗岩残积土物理力学指标的概率统计分析[J].华中科技大学学报，2001，29(5):95-97.

[4] 陈洪江，崔冠英.花岗岩残积土物理力学指标的概率分布检验[J].华中科技大学学报，2001，29(5):9-95.

[5] 孙家齐.工程地质[M].第二版.武汉:武汉理工大学出版社,2003