強風化花崗巖識別

1、強風化花崗巖識別摘要：強風化花崗巖層往往是電力工程的目標層， 本文在對花崗巖的風化過程、 風化影響 因素、風化地層分帶特性進行分析的基礎上，歸納了強風化花崗巖的識別方法。 關鍵詞：花崗巖 強風化 識別方法1 引言在花崗巖地區(qū)修建電力工程， 強風化層往往是目標層位。 在上部土層無法滿足天然地 基條件的情況下， 強風化層具有高承載力和低壓縮性， 對于電廠的重要建筑物和特高壓輸 電線路而言， 使其成為較好的樁端持力層。 本文首先對花崗巖的風化特定進行了研究， 在 此基礎上歸納總結了花崗巖強風化層識別方法2 花崗巖風化的特點2.1 花崗巖風化過程巖石風化首先經過崩解階段 （即物理風化 ），使礦物顆粒的

2、比表面積逐步增大，加強了 與水、氧、二氧化碳和生物的接觸，經歷溶解、水化、水解、碳酸化、氧化作用及生物風 化等作用，由于不同深度風化條件的差異， 使花崗巖不同深度的風化方式與程度有所不同， 形成具有不同組分與結構特性的風化層，構成具有垂直分帶性 （即多層結構 ）的風化剖面， 但這種風化剖面是在原地風化逐漸形成的， 是一個有次序、 連續(xù)的地質建造， 在風化剖面 上一般沒有階坎式的突變和跳躍式的風化， 每層均具各自特性， 層間是逐漸過渡的， 故層 間界面一般很難準確確定 1。2.2 花崗巖風化的影響因素：（1）礦物成分與結構受地質構造條件、 巖漿成分和圍巖物質成分的控制和影響， 不同時期的不同地區(qū)

3、的花 崗巖類在巖石礦物、 成分、 結構構造等方面存在著差異。總體而言， 酸性礦物比堿性礦物 抗風化能力強，細粒結構比粗粒結構抗風化能力強。對于花崗巖而言，石英穩(wěn)定性最高， 長石類風化穩(wěn)定性由高到低的順序是： 鉀長石、多鈉的酸性斜長石、 中性斜長石、 多鈣的 基性斜長石，次之為黑云母、 角閃石等。在花崗巖類巖石中最先發(fā)生水化作用的是黑色礦 物及普通角閃石。 偏中性的花崗閃長巖、 二長花崗巖的黑色礦物大大超過酸性花崗巖， 因 此在同等條件下花崗閃長巖等偏中性巖的風化程度和風化土厚度大于酸性花崗巖， 由于其 石英含量較少，因此相對粘土質礦物含量較高，其風化完全程度也高于酸性花崗巖。（2）地形地貌花崗

4、巖類風化土除受巖性約束外， 還受到自然條件的影響， 特別受到地貌位置的影響。 下面以廣東地區(qū)為例，廣東各河系侵蝕河谷的基面高程大致為 45m50m ，同時結合 廣東較低的幾級侵蝕面的高程， 從平面分布上可以大致地把廣東花崗巖類風化土厚度特征 與地貌形態(tài)分為 3 個類區(qū)：（a）高程在100m以內的殘丘、低山和高程在40m內的河谷階地的風化土為正常風 化土區(qū)，其特點是風化均勻， 不含或含很少的球狀風化體， 風化土表層常有一層帶坡積性 質的紅褐色粘性土，有時還夾有一層含鐵錳質結核的呈網紋狀結構的風化土。（b）高程在100m以上和相對高差在100m以內的低、中山的含大量花崗巖球狀風 化體的風化土區(qū)，

5、其特點是多分布在山坡， 在其表面或土層中夾有大量直徑幾十厘米甚至 達十幾米的球狀風化體，其厚度變化大，土層風化不均勻（c）高程在100m以上的峽谷河床及兩岸陡坡段，相對高差大于 200m以上的陡峻 中、高山的風化土區(qū)， 該類區(qū)基本屬于侵蝕區(qū)， 其風化土層很薄， 河床及陡岸均為巖石露 頭，山谷和陡坡有巖石露頭及堆積大量球狀體 2。（ 3）巖體結構構造節(jié)理裂隙分布稀疏的花崗巖抗侵蝕能力強， 風化過程很難深入； 而節(jié)理裂隙密集的花 崗巖抗侵蝕能力大減， 地表水地下水沿節(jié)理裂隙活動， 特別是沿垂直節(jié)理裂隙， 水和具風 化性的化學物質可以長驅直入， 形成很厚的紅色風化殼， 這是我國東南部花崗巖地貌的一

6、大特點。風化槽和風化囊的形成也與花崗巖的結構構造有關 3。（ 4）環(huán)境氣候 環(huán)境氣候是巖石風化的主要外在影響因素，總體來說北方以機械（物理）風化為主， 南方以化學風化為主， 這也造成兩者風化產物、 風化深度等多個方面的不同。 比如紅色風 化殼是南方花崗巖特有的風化產物。2.3 地層分帶我國東南地區(qū)花崗巖風化作用一般是隨深度增加而減弱， 力學性質應隨之增強， 顏色 由淺變深，原巖結構、 構造由無法辨別過渡到清晰可辨。其典型的剖面如下圖， 其具體描 述如下：殘積土，不具原巖結構，石英顆粒分布均勻，呈網紋結構，含氧化鐵結核，一般 呈紅色；全風化花崗巖，尚見原巖結構，長石均已風化成高嶺土， 石英顆粒基

7、本保持原巖 的形態(tài)；強風化花崗巖，斜長石、云母已風化成高嶺土或粘土，正長石用手可捏成砂狀，呈半巖半土狀，殘留少量母巖巖塊，用手易折碎；弱風化花崗巖斜長石風化較深，正長石、 云母風化輕微，巖石普遍改變顏色， 巖塊用手不易折斷，錘擊聲啞。需要特別指出的是花 崗巖存在差異風化現(xiàn)象，其主要表現(xiàn)為全風化巖層中存在球狀風化以及微風化界面起伏， 這是花崗巖風化的一個特點，在實際勘察工程中。一旦遇到風化等級突變的巖塊，可根據(jù) 相鄰鉆孔的風化層厚度、頂面標高進行比較分析，綜合作出判斷。耕植土 殘積土全風化強風化弱風化 （含巖石50S-90X）圖1花崗巖的風化剖面圖3識別的手段根據(jù)花崗巖風化的特點，對強風化花崗巖

8、的識別方法歸納如下：3.1野外露頭在充分掌握區(qū)域地質資料的基礎上，通過野外踏勘查清工程所在地的花崗巖類型，如果野外有較為完整的露頭，那么對鑒別工程地下的花崗巖風化程度有很大的幫助。3.2鉆進過程鉆機鉆進過程是識別風化程度的第一手資料，不同風化程度的花崗巖在鉆進過程中有 不同的表現(xiàn)，歸納如下：殘積土，無循環(huán)泥漿易鉆進；全風化花崗巖，無循環(huán)泥漿可鉆進 0.5m以上；強風化花崗巖，鉆進過程中鉆桿輕微跳動，無循環(huán)泥漿僅可鉆進0.1m0.5m ； 弱風化花崗巖鉆進過程中鉆桿劇烈跳動，合金鉆頭鉆進較易，無循環(huán)泥漿不能鉆進。微風化花崗巖，合金鉆頭較難鉆進，一般采用金剛石鉆頭鉆進。在香港地區(qū)，開展了花崗巖地

9、區(qū)的鉆孔過程參數(shù)的解譯方法與地層特性之間響應關系方面的研究， 發(fā)現(xiàn)鉆進過程中用于 破碎巖石的能量主要來自鉆進系統(tǒng)的動能， 鉆進系統(tǒng)用于破碎巖石的能量分配與地層強度 特性有關。在風化程度較低或新鮮巖層中鉆進時，破碎巖石 98% 以上的能量來自系統(tǒng)的 動能，而軸壓力推動鉆頭位移所給出的能量不到 2% ；在土層或全風化巖層中，軸壓力所 做的功達到 22% 以上，且明顯隨風化程度的增高而增大，說明鉆進系統(tǒng)動能與軸力功可 用以表征地層的可鉆性 5。但目前該種方法還不足夠成熟，在進行大量實驗和結合地區(qū)經 驗的基礎上，該種方法可以為強風化識別消除人為主觀誤差提供一種新的方法。3.2 巖芯識別通過巖芯外觀識別

10、強風化花崗巖， 主要通過巖塊內礦物的風化程度， 除石英外， 斜長 石、云母已風化成高嶺土或粘土，正長石用手可捏成砂狀。巖芯總體呈半巖半土狀， 殘 留少量母巖巖塊。但是由于巖體的破碎性，巖芯極易發(fā)生破壞，且浸水后加劇破壞程度， 多數(shù)情況下難以觀察到碎塊狀巖芯。3.3 標準貫入試驗規(guī)范中規(guī)定可采用未經修正的標準貫入試驗擊數(shù)超過 50 擊來確定強風化，這種方法 在工程實踐中應用較多， 而且通過貫入器內巖樣和擊數(shù)對應， 可以更進一步建立對應關系， 幫助進行判斷。也有人通過動力觸探試驗和標準貫入試驗的對應關系嘗試采用動力觸探試 驗判斷強風化， 同時由于資料有限， 動力觸探錘擊數(shù)與標貫試驗錘擊數(shù)的關系方程

11、及承載 力的確定尚須進一步深入研究 6。3.4 物理勘探應用于巖石風化劃分的常見的物理勘探方法有： 波速測試、 高密度電阻率法， 現(xiàn)分別 闡述如下。(a)波速測試在相關規(guī)范上規(guī)定了波速比 KV 劃分風化巖石風化程度，而波速比 KV 為風化巖石與 新鮮巖石壓縮波波速之比， 并且已有工程采用該方法取得了成果 7，但該方法對對巖樣要 求高，就花崗巖強風化而言， 強風化完整巖樣難以取得。 亦有工程在鉆孔內進行波速測試， 直接量測巖體波速、波速比。在文獻 8 中對三個工程的波速測試結果進行分析并認為： 聲波在巖體中的傳播， 除受巖體風化程度影響外， 結構面的發(fā)育程度及其性狀更起控制作 用，以波速指標劃分

12、巖體風化程度時， 應分別統(tǒng)計各工程巖體中的小值平均波速值、 大值 平均波速值、波速變化幅度， 小值代表結構面波速，大值代表結構體波速，波速變化幅度 反應該巖體均一性。文獻 9 采用波速、波速比進行巖體風化程度劃分得到較好結果，認 為對于全風化微風化巖石， 巖體的波速主要由風化程度決定， 按巖體縱波與橫波的波速 比劃分的風化帶與鉆孔揭露的風化帶基本一致， 因此利用巖體縱波與橫波的波速比劃分風 化度是可行的。作者認為采用波速進行花崗巖風化程度劃分一方面需要與鉆孔劃分風化的 數(shù)據(jù)進行對比分析， 進而采用合理的波速數(shù)值； 另一方面需要搜集當?shù)匾延锌睖y經驗， 如 福建省就給出花崗巖風化層的波速劃分標準

13、10 。(b )高密度電阻率法 高密度電阻率法近年來也被用到巖石風化程度的劃分， 相比其他方法高密度電法具有 節(jié)約、速度快、結果直觀的有點，但是該方法具有影響因素多、 解譯復雜的特點。 文獻11 中采用高密度電法， 結合鉆探成果對存在風化巖的區(qū)域進行了劃分， 分出了風化程度基本 相同、基巖完整性較好和風化變化程度較大的三個部分， 對后續(xù)的勘探點布置起到了指導 作用；我院吳志偉在核電選址階段， 將高密度電法和聯(lián)合剖面法結合起來， 在劃分巖石風 化界面進行有益的嘗試，為核電廠選址勘察提供直觀的地層分布特征 12。3.4 化學識別 尚彥軍等人通過對香港地區(qū)花崗巖樣品微觀特征的觀察研究和礦物成分、 微

14、孔隙率以 及綜合顯微巖石指標 (Ip) 進行了描述和定量分析，發(fā)現(xiàn)其中一些指標有一定相關性。這些 化學指標和微觀特征相關的統(tǒng)計值在一定程度上可定量表征花崗巖的風化程度，即:隨風化作用進行，堿、堿土金屬組分逐漸淋失，脫硅、富鋁鐵化作用逐漸加強；相應地，先是 鈉長石風化成高嶺石， 其次為云母和鉀長石的風化。 粘土礦物所占體積百分比隨風化程度 增高而變大，至殘積土 級)時已達50%左右;lp指標值下降，微孔隙率增高。文章綜合 出各個風化級別的指標變化范圍及平均值供花崗巖分布區(qū)花崗巖風化野外調查和研究工 作參考 13。4 結論 花崗巖風化過程受多種因素影響， 花崗巖風化作用隨深度增加而減弱， 在確立了

15、花崗 巖典型風化剖面的基礎上， 將多種識別手段歸納總結， 文章對花崗巖地區(qū)強風化層識別具 有指導作用。參考文獻：1 曹伯勛地貌學及第四紀地質學M 北京：地質出版社.2 陳泳周 ,黃紹派,周東,張定邦 . 廣東花崗巖類巖石風化土的工程地質特征 J. 桂林工學 院學報,2002,03:263-268.3 吳能森，趙塵，侯偉生.花崗巖殘積土的成因、分布及工程特性研究J.平頂山工學院學報,2004,04:1-4.4 陳明曉.廣東沿海地區(qū)花崗巖風化剖面及其差異風化現(xiàn)象的特征分析J.廣東公路交通,2003,01:59-63.譚卓英，岳中琦,蔡美峰.風化花崗巖地層旋轉鉆進中的能量分析J.巖石力學與工程學報,2007,03:478-483.6 藍瓊,吳飛,蒙勝武.重型動力觸探試驗在廣東花崗巖地區(qū)的應用J.人民珠 江,2002,04:19-21.7 季秀萬.波速測試技術在青島海灣大橋基巖風化評價中的應用J.工程建 設,2011,438 潘祖弼.風化巖體中的波速特征J.水利發(fā)點,1988.10:39-419 邵長云，鐘