标准贯入试验在花岗岩风化程度划分中的应用研究.pdf

福建材第7 期（总第2 6 7 期）岩土工程标准贯入试验在花岗岩风化程度划分中的应用研究庄茂盛（福建省恒宇工程勘察院有限公司，福建漳州36 30 0 0）摘要为解决花岗岩不均匀风化带来的力学性质差异巨大、风化程度划分困难的问题，以漳州市长泰一中二期工程为例，运用现场实测和统计学理论的手段，对不同风化程度的花岗岩标准贯入锤击数进行了研究，分析了其频次分布直方图和概率密度分布。结果表明，不同风化程度的花岗岩标准贯入锤击数正态分布曲线拟合较好，花岗岩风化程度与标准贯入锤击数具有明显的相关性，应用实测的锤击数可以对花岗岩风化程度的划分取得较好效果；不同风化程度花岗岩之间内摩擦角和标准贯入锤击数分布在不同的区域，标准贯入锤击数实测值能够反映花岗岩的力学属性，对2 个参数进行线性拟合和对数拟合，拟合决定系数分别为0.9 8 1 2、0.8 7 1 2，在实际工程中可以选择线性拟合的方式得到更优的内摩擦预测和风化程度划分效果。关键词标准贯入试验；花岗岩；风化程度；土体划分；概率分布0引言在岩土工程勘察中,对岩石风化程度的准确划分直接关系到地质断面图的准确性，影响着地基基础持力层的选择、岩层力学性质的判别。由于花岗岩具有不均匀风化的属性，其风化层的界面千变万化，会出现球形风化、风化槽等现象，给风化程度的划分带来困难。同一种风化程度的花岗岩由于其矿物成分风化速度的不同，会形成不同力学性质的风化物质，如碎块状强风化花岗岩和砂土状全风化花岗岩就存在明显的软硬不均现象 2-3。为了准确地划分花岗岩的风化程度和评估其力学性质，结合实际工程案例，采用现场实测和数理统计的方法，对不同风化程度的花岗岩标准贯人锤击数进行研究，分析其频次分布直方图和概率密度分布，研究成果可应用于花岗岩地质钻探地层剖面的复核及力学指标的预估。1工程概况拟建漳州市长泰一中二期工程位于长泰区武安镇，拟建建筑总面积约5 0 7 5 5.7 4 m，占地面积为1 1 9 0 6.6 3m，建设内容包括3栋教学楼、2 栋宿舍楼、2 栋办公综合楼、1栋大礼堂、2 座门卫室和1 间配电房。拟建场地在5#宿舍楼、6#办公综合楼、7#办公综合楼、8#大礼堂设置作者简介：庄茂盛（1 9 8 3一）,男，本科，工程师，从事岩土工程勘察、设计工作。1层地下室，地下室埋深约6.0 0 m，底板底标高6.2 0 m，地下室范围内现状地坪标高9.8 2 1 1.9 3m，室外整平标高为1 2.30 1 2.5 0 m，从现地面开挖最大深度约5.8 0 m，基坑开挖深度介于4 8 m,地下水水位位于基坑开挖底板以上，基坑周边1 3倍开挖深度范围内不存在建筑物及构筑物,综合判断基坑安全等级为二级。距离场地北侧10.50m为待建政通路,现为空地；场地西侧为规划用地及规划道路，现为空地；距离场地南侧1 9.5 0 m为已建政顺路；距离场地东侧1 6.5 0 m为已建祥和路；距离场地南侧约4.0 0 m分布有东西走向的地下电缆管及自来水管。场区原始地貌为洪积阶地地貌单元，原始场地为农田及鱼塘,场地已基本整平,地形较平缓。拟建场地建筑物绿建星级为1 星级，拟建物工程特征如表1 所示。2场区花岗岩基本工程特性漳州-厦门地区受到晚侏罗世以来的燕山运动影响，区域内广泛分布着厚度巨大的碱性火山岩系堆积，同时在太平洋板块向欧亚大陆板块俯冲影响下，慢源物质在构造运动和火山作用下形成侵人性的花岗岩，熔岩在冷却过程中温度梯度不均导致的冷缩节理为后期自然风化作用提供良好的基础条件。花岗岩各矿物成分的风化速度不一，极易导致不均匀风化，球形风化、风化槽、风化囊等不良地质现象时有发生。这些不均匀风化体的力学强度差异巨大，同一种风化程度的也可以进一步细分，如砂土状强风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩等。根据地质钻探揭露，场65福建材2023年表1 长泰一中二期工程建筑物结构及基础岩土工程建筑物名称地下室/层层数/层建筑高度/m结构类型最大单柱荷载/kN基础类型基础埋深/m室内整平标高/m1#3#教学楼一4#宿舍楼一5#宿舍楼16#办公综合楼17#办公综合楼18#大礼堂1A#、B#门卫室一C#配电间一纯地下室1区基岩以燕山晚期侵人的花岗岩（5）为主，按照风化程度可以分为3层，分别为全风化花岗岩、砂土岩层名称颜色矿物组成风化完全，原岩组织结构已基本破由石英、长坏，已基本风化呈土状，用镐可挖，干钻可钻进，风化裂隙、节理发育，?全风化褐黄、石及云母散体状结构，总体自上而下风化减花岗岩浅黄色等矿物组弱，与下伏层呈渐变关系，不存在成软弱夹层、洞穴等，在该层揭露有孤石及硬夹层风化强烈，节理、裂隙发育，原岩结构已大部分破坏，长石大部分已风化呈砂土状，似斑状结构，其组织结由石英、长砂土状构大部分丧失，矿物间联结力微弱，石及云母强风化花褐黄色等矿物组岗岩弱，坚硬程度为极软岩，完整程度为成极破碎，岩体基本质量等级为V级，RQD值约为0,不存在软弱夹层、破碎带、洞穴等，在该层揭露有孤石饱和,组织结构已大部分破坏,岩石碎块状主要成分风化强烈，风化裂隙很发育，岩芯呈褐黄、碎块状，中细粒结构,碎裂状构造，强风化花为长石、石灰白色岩石为较软岩，岩体极破碎，岩体基岗岩英颗粒等本质量等级为V级,RQD值约为0,不存在软弱夹层、洞穴、临空面等3不不同风化程度花岗岩标准贯入击数概率分布对场区的全风化花岗岩、砂土状强风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩进行现场标准贯入试验，获得各风化层的标准贯入试验锤击数样本容量均 30岩土名称全风化花岗岩砂土状强风化花岗岩碎块状强风化花岗岩为了实现良好的统计分析效果，确定合理的统计区间显得尤为重要，统计区间的确定方法如式（1）和式(2)所示。K=1+3.3lgn=(Nma x-Nmi n )/K66666112一中粗粒结构，散体状构造，岩性较软表3不同风化程度花岗岩标准贯入实测锤击数统计最大值Nmx/击最小值Nmm/击平均值Nave/击标准差变异系数480.0967526856(1)（2）24.024.024.024.017.714.05.49.76.0表2 花岗岩基本工程特性工程特性分布范围层顶埋深/m厚度/m层顶标高/m分布于整个15.3020.201.209.20场地在JK2、CK 1 5钻孔未揭露至该层，其16.8026.803.109.80-15.81-6.18余钻孔均有揭露仅在ZK3、ZK5、Z K 2 6、ZK30ZK7625.3034.903.104.50-23.91-14.48钻孔有揭露至该层个。为了避免人为因数和设备因数产生的异常数据，采用3法则对异常数据进行预处理,即在-3，+3之外的数据进行剔除（为平均值，为标准差）,数据预处理后得概率密度曲线。各层花岗岩的标准贯人锤击数统计如表3所示。标准值N/击样本数量/个3438.45762式中：K为统计区间数量；n为标准贯入锤击数样本容量；Nmax为标准贯入锤击数最大值；Nmin为标准贯人锤击数最小值。经拟合分析可以得到全风化花岗岩、砂土状强风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩标准贯框架框架框架框架框架框架框架框架框架40004000400040003000300080010002000状强风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩，其基本工程特性如表2 所示。-9.18-4.043.4383.50.064.00.07桩基础桩基础桩基础桩基础桩基础桩基础桩基础桩基础桩基础2.002.006.506.506.506.502.002.006.5056.660.512.7012.7012.7012.7012.7012.7012.5012.706.70209217221 66福建材岩土工程第7 期(总第2 6 7 期)人锤击数频次分布和概率密度分布（如图1 图3所示）。0.140.120.100.080.060.040.020.00283134374043464952标准贯人锤击数N/击图1全风化花岗岩标准贯入锤击数概率分布0.127700.1060500.0840X0.06300.04200.02100.0004650图2砂土状强风化花岗岩标准贯入锤击数概率分布0.147700.12600.10500.08400.06300.04200.02100.0004650图3碎块状强风化花岗岩标准贯入锤击数概率分布从图1 图3中可以看出，全风化花岗岩标准贯人锤击数频次直方图主要分布在36 4 2 击，频次为1 6 3，频次占样本总容量的7 8%，正态分布曲线拟合较好；砂土状强风化花岗岩锤击数频次直方图主要分布在5462击，频次为1 9 5，频次占样本总容量的9 0%，正态分布曲线拟合较好；碎块状强风化花岗岩锤击数频次直方图分布较为集中，分布在5 8 6 6 击，频次占样本总容量的8 6%，正态分布曲线拟合较好。综上表明，不同风化程度的花岗岩的标准贯入锤击数具有明显的相关性,对同种风化程度但力学性质不同的花岗岩也能取得较好的区分，应用实测的锤击数可以对花岗岩风化程度的划分取得较好效果。为了验证正态分布的拟合效果，主要运用统计理论中的偏度和峰度2 个指标进行假设检验。偏度和峰770度的计算方法分别如式（3）式（5)所示 5-8。60n5081=(n-1)(n-2)40302010054586266标准贯人锤击数N/击545862标准贯入锤击数N/击X-）3i=1Sn(n+1)(x-x)3(n-1)282=(n-1)(n-2)(n-3)l12(x-x)mS=n-1i=1式中：8 为样本的偏度；8 2 为样本的峰度；n为样本容量;x;为随机样本；x为样本平均值；s为样本的标准差。由此得到全风化花岗岩、砂土状强风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩标准贯入锤击数正态分布检验如表4 所示。表4 不同风化程度花岗岩标准贯入锤击数的正态分布检验岩土名称峰样本样本拒绝域临拒绝域临正态检验峰度g2偏度g,界值|uil界值|u2I检验结果全风化正态70746670（3）(4)S(n-2)(n-3)i=1,2,n-0.051 3.1511.799花岗岩砂土状强风化花-0.0 4 33.39 4岗岩碎块状强风化花0.0 2 93.432岗岩47不同风化程度花岗岩标准贯入锤击数与力学指标的拟合关系为了研究标准贯入锤击数实测值与不同风化程度花岗岩力学性质的关系，为花岗岩风化程度的划分及74力学性质的评估提供依据，以室内固结快剪试验内摩擦角为指标,进行标准贯入锤击数N与内摩擦角之间的拟合，结果如图4 所示。45=26.459ln N 76.17640R2=0.8712P=0.5344N35R2=0.9812302520151030图4不同风化程度花岗岩标准贯入锤击数实测值与内摩擦的关系67(5)1.803接收分布正态1.7230.6321.9301.275.80全风化花岗岩砂土状强风化花岗岩口8碎块状强风化花岗岩4050标准贯人锤击数实测值N/击接收分布正态接收分布6070福建材岩土工程2023年从图4 中可以看出，不同风化程度花岗岩之间内摩擦角和标准贯人锤击数分布在不同的区域，标准贯人锤击数实测值能够反映花岗岩的力学属性，对2 个参数进行线性拟合和对数拟合，拟合决定系数分别为0.9812、0.8 7 1 2，拟合关系如式（6）式（7）所示。在实际工程中可以选择线性拟合的方式得到更优的内摩擦预测和风化程度划分效果。=0.5344N=26.459ln N-76.176式中：N为标准贯人试验锤击数实测值;为内摩擦角。5结论以漳州市长泰一中二期工程为研究背景，运用现场实测和统计学理论的手段，对不同风化程度的花岗岩标准贯入锤击数进行了研究，分析了其频次分布直方图和概率密度分布,并将内摩擦角与力学指标进行了拟合，得到以下几个结论：（1）不同风化程度的花岗岩标准贯入锤击数正态分布曲线拟合较好，全风化花岗岩标准贯人锤击数频次直方图主要分布在36 4 2 击，砂土状强风化花岗岩锤击数频次直方图主要分布在5 4 6 2 击，碎块状强风化花岗岩锤击数分布在5 8 6 6 击，正态分布曲线拟合较好。表明花岗岩的风化程度与标准贯入锤击数具有明显的相关性，应用实测的锤击数可以对花岗岩风化+（上接第5 7 页）竖向上位于开挖深度的1/2 处，地表竖向最大沉降值为5.59mm，坑底隆起最大值为1 1.8 3mm。（2）环撑在基坑的角部处拉力较大，最大拉伸值出现在两环撑之间的角部部位，为9 0 5 7.7 kN;环撑截面剪力最大值出现在两环撑之间的直撑连接部位，最大值为8 4 2.0 kN；弯矩较大值出现在两环撑之间的直撑连接部位，最大值为2 34 4.4 kNm。不同工况下2 个环撑的结构内力近似对称,受力较均衡。（3）施工过程中,环撑的轴力迅速增加,最为明显；剪力总体上呈现小幅度增长趋势；弯矩在第1 次土程度的划分取得较好效果。（2）不同风化程度花岗岩之间内摩擦角和标准贯人锤击数分布在不同的区域，标准贯入锤击数实测值能够反映花岗岩的力学属性,对2 个参数进行线性拟合和对数拟合，拟合决定系数分别为0.9 8 1 2、0.8 7 1 2,在实际工程中可以选择线性拟合的方式得到更优的内摩擦预测和风化程度划分效果。(6)参考文献(7)1陈法波,李志云,杨光华,等.福建平潭风化花岗岩原位测试及岩土参数取值研究.水利水电技术,2 0 2 0,5 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