碎石土的工程地质特性分析.doc

碎石土的工程地质特性分析1. 引言土，由于其成分、结构和性质的千变万化，工程特性也各不相同，为了工程的需要，选择各种最能反映土的基本属性又便于测定的指标作为分类依据对土进行分类。虽然我国各个行业部门按各自的行业特点建立的土的分类标准不尽相同，但一般对巨粒和粗粒土则较为一致的按颗粒组成进行分类，建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）则把土划分为碎石土、砂土、粉土和粘性土四大类。本文以常见的碎石土为主要研究对象，分析其主要工程特性及其影响。2. 碎石土参照建设部土的分类标准（GBJ145-90）、建设部建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）、水利部土工试验规程（GB237-1999）、岩土工程勘察规范（GB50021-2001）等规范，碎石类土属于无机土，粒径d2mm的颗粒含量超过全重的50%，按其粒组质量占土样总质量的50%-100%不同百分比及其它成分含量又可进一步细化、定名，各种规范中皆有明确的列表；按棱角磨圆度：圆形、亚圆形、棱角形区别为漂石、卵石、圆砾及块石、碎石、角砾；碎石土的成因有多种类型，其中以冲积、洪积、坡积、残积、物理化学风化等为主，工程上有特殊用途的人工破碎方法也是碎石形成的重要途径；碎石土成分复杂多样，因母岩而异，其中又以灰岩、砂岩、白云岩为常见；按其粒间填充物的主要成分可大致区分为泥卵石和砂卵石；等等。碎石土按不同的指标的众多分类、定名方法，大多可以“望文生义”单从字面意思就可以略知其状态或属性，便于使用；碎石土与一般细粒组、粗粒组物理力学性质的差异，形成了其独特的工程性质，本篇以卵石（碎石）为主要对象，分析它们对工程建设产生的影响。 3. 主要工程特性及其对工程的影响碎石土的工程特性主要表现在不均匀性、渗透性、抗剪强度、密实度、沉降变形及承载力等方面，下面就这些特性及其各自对工程建设形成的正面或负面影响分别简明阐述。3.1不均匀性由于碎石土的粒径范围广、成因的多样性等原因，使得碎石土的块体及层厚的不均匀性极强，对工程建设产生了种种影响，主要从以下几个方面阐述：（1）块体大小不一。由于母岩岩性的差异，冲积搬运的距离及在搬运过程中碰撞破裂程度不同，加上物理化学风化环境、程度等的不同，形成的碎石土的粒径也在大范围内变动，其中不乏粒径较大的漂（块）石(d200mm)，由于冲洪积作用，某些以粘性土为主的土层中含有粒径不一的碎石土也较为常见。当碎石土颗粒级配恰当时，在工程中很有用途：地基处理时可作垫层，作碎石桩、CFG桩等桩的桩身材料等；颗粒均一、大小合适、磨圆度好的（鹅）卵石还用来在游园中铺路，既美化，又有保健功能，近年来市政建设中多有使用等等。论其反面，不均匀性给工程带来的负面影响也不可小视。首先是对工程勘察的影响。在基岩山区或含有碎石土地区的岩土工程勘察中，在揭露地层岩性时，要穿过以灰岩、白云岩为主的卵石层，一般常规的合金钻头可以顺利的完成任务（远比穿过粉土、粉砂等土层困难），若卵石层中加杂有大于钻头直径的又有一定厚度的由坚硬岩石形成的碎石土时，如砂岩卵石，就需要用昂贵的金刚石钻头来处理，金钱、时间消耗往往几倍于对付灰岩卵石的；由于经济效益的驱使，在监管不力时施工方极容易放弃艰苦施工，而改由经验来处理，有时还会出现将大块的漂石当成基岩的情况，给工程勘察质量带来极大隐患。这种不利情况目前除了加强设备的先进性之外，似乎鲜有更好的办法来处理。其次是对施工的影响。在某大厦的基坑土钉墙支护施工中，用洛阳铲成锚杆孔时，以粘性土为主的残积土层中含的卵石碎石严重阻碍了洛阳铲正常成孔施工，土钉长度达不到设计要求，造成基坑北侧土钉墙局部失稳滑坡，造成重大经济损失。山东莱芜钢铁集团新建一条生产线，用强夯法对复合地基进行处理，因局部换填碎石料颗粒级配不合理，导致设计方案更改，几万立方石料全部被挖出重新换填，提高夯击能量，由动力夯实改为动力置换，追加的工程费用及工期损失全部由施工方包赔。 （2）土层厚度不均匀。与其它土层一样，由于形成历史、过程的差异，造成了大多卵石层厚度的不均，在一个几平方米的小范围内，土层可能就会形成很大的倾斜度，甚至局部严重缺失、以透镜体在土层中出现的情况也屡见不鲜，这种不均匀性很容易导致整个地层的不均匀。在某些低山丘陵区或山前倾斜平原，尤其是上部覆盖有第四系马兰黄土的地区，在（古）河流阶地的陡坡壁上，呈鸡窝状分布的卵石层透镜体很常见，有时一边是黄土，一边是卵石，岩性在垂直面上差异可达数m。在郑西客运高速铁路某段的详勘中就遇到过同一个孔位前后移动不到1m，结果地层层位最大相差1.5m，不得不进行第三次补勘，耗费了很大的人力物力，严重拖延了工期，给后继施工人员心理造成了很大压力。土层的不均匀，容易造成整个工程场地的不均匀，甚至发育成为不良地质地段，大大增加工程的投入；小的引起局部场地不均匀，工程建设时要特别处理，更是习以为见。济源某大型高层建筑工程场地位于王屋山山前莽河冲积平原，由于设计地面标高以下20m处夹有不均匀的卵石层，其厚度由0-3m不一（局部严重缺失），加上卵石块粒径的不均匀，勘察遇到很大困难，未能完全揭露地层岩性，最终不得已把卵石层改为砂砾层进行资料数据处理，土层厚度严重不均匀，不能做桩端持力层，原本设计的采用的静压桩无法施工，改灌注桩，但又发生成孔困难，改由旋挖机成孔，代价极高。3.2 渗水性强由于填充物的性质、颗粒级配、密度的不同，对碎石土层的渗透性影响很大，这里不详细研究其渗透系数。当为砂质充填时，形成砂卵石，一般可形成紊流，甚至可以形成地下径流，可作为良好的排水渠道，用来处理湿陷黄土地基等；当为泥质（粘性土）充填时，透水性就不太好，可能形成符合达西定律的层流，充填密实（或半胶结状态）的土层甚至可以成为弱隔水层。由于碎石土层具有易坍塌性，在钻探成孔过程中几乎必须使用泥浆护壁钻进，卵石个体本身的坚硬性使得充填在碎石土孔隙之间的充填物很容易因扰动破碎，而被泥浆及循环水冲走，无法摸清楚充填物的岩性，泥质充填和砂质充填很容易混淆，再加上护壁泥浆容易封死含水层，一般的工程项目不会花钱打专门的水文钻，所以其渗透性及其含水状况一般难以查清。济南某银行大楼建成后不久地下室就受到地下水浸湿，深受其苦。纠其原因就是在大楼基坑施工处于旱季，把基础底面以上的一层砂卵石层潜水层无意中堵死，雨季来临，沿倾斜的卵石层流下的地下水被封存，水位越涨越高，造成严重隐患，最后不得不忍痛斥资采取绕道导流排水措施。3.3抗剪强度高由于碎石土的特殊性，在对所有的土层考查中，对碎石土层的考查可算是最模糊的，与一般粗粒土及细粒土形成的土相比，测定各种物理力学指标较困难，经常以连续（重型）动力触探试验来考查其力学指标或推测地层岩性。由于对其取原状样较难，往往只取一定量的扰动样对其作颗粒分析定名。用一般的钻探工具（110口径钻具）在地下取出的样品只有卵石，没有充填物，其廉价的筛分试验意义也不大；当必须取样做试验测定其指标（如抗剪）时，由于碎石土的个体体积较大，一般的设备无法使用，需要特殊的直剪切仪或大型三轴仪，或作昂贵的现场试验；对具体做法可见各种相关规范及文献12。虽然有种种不利条件，碎石土与砂土、粉土、粉质粘土相比很高的抗剪强度弥补了以上缺点，这种性质在工程建设中得到了充分的运用。3.4高压实性及低压缩变形性由于碎石土本身的组成特征，使得它可以达到很高的密实性（或最大干密度）。天然形成的碎石土由于不同粒径的充填物充分沉积填充后，在漫长的地质年代中受到上部覆盖层的压力或构造地应力等因素的作用，可以达到很高的密实度。一般地质年代愈久形成的卵石层，密实度及承载力也越大；第四纪晚更新世及更晚形成的碎石土层上述指标一般较低，但相对与粗粒组及细粒组的土层，密实性及承载力还是很高的；有一定厚度的密实性土层，受附加应力作用时产生的沉降变形较小，是高层及重型建筑或对变形沉降有特殊要求的建筑物的优良地基。与动力触探击数、密实度状态对照的碎石土的承载力及单桩极限摩阻力、桩端极限承载力可见有关规范表格，但实际取值时往往有极强的经验性。碎石在人为控制下选择恰当的颗粒级配或添加其它材料，可用作软土换填，处理黄土、不均匀地基处理，作筏板垫层，与其它粒组材料混合，可以建土石坝、碾压混凝土坝，等等，以上各种专业著作论述的都很详细，不再啰嗦。4 结束语碎石土作为一类常见的土，具有众多工程特性，其影响也是多方面的，本文从碎石土的基本定义出发，避轻就重，着重介绍了碎石类土中的卵石（碎石）土的不均匀性，扼要的阐述几种主要的性质，以个别工程实例，侧重介绍了这些性质在工程建设中的负面影响。参考文献 1 岩土工程勘察规范（GB50021-2001） 3 建设部土的分类标准（GBJ145-90） 4 水利部土工试验规程（GB237-1999）北京：中国水利水电出版社，1999 5 建设部建筑地基基础设计规范（GB50007-2002） 6 卢廷浩主编土力学南京：河海大学出版社，2002.1 7 陆兆臻主编工程地质学北京：中国水利水电出版社，2001.10第二版 8 石林坷/孙文怀/郝小红 岩土工程原位测试郑州：郑州大学出版社，