齐 信 黎清华 焦玉勇 谭 飞

(①中国地质调查局武汉地质调查中心，武汉 430205，中国)(②中国地质大学(武汉)工程学院，武汉 430074，中国)(③中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071，中国)

0 引 言

花岗岩风化壳是花岗岩在物理、化学、生物等风化营力作用下，再加上湿热、多雨、光照等气候条件下形成的工程地质特征和性质产生特殊变化的岩土体。按照岩土工程勘察规范(GB50021-2009)，将其列为“特殊性土”，具有较大的孔隙比和较低的压缩性，且具有遇水易于软化和崩解的特征(张抒等，2013；周翠英等，2019)。其粒度成分为粗粒土，工程性质却表现出明显的细粒土性质(陈追田，2008)，是工程建设中需重点关注的岩土体类型之一。因此，工程建设中正确辨识花岗岩风化程度尤其重要。但因对花岗岩风化程度的划分指标和标准不一，常常因个人的水平不一致或者不易掌握划分标准而产生较大的差异，造成后期工程建设施工方案的确定出现了较大的偏差。

开展花岗岩风化壳垂直分带标准研究十分重要，也是国内外学者研究的热点。国内外学者对花岗岩风化壳垂直分带研究颇多，分带方法各异。国内研究者一般采用“五分法”，郭欣(1997)基于花岗岩风化带的现场确定及定量划分，将八达岭地区花岗岩划分为全风化带、强风化带、弱风化带、微风化带、新鲜岩带；刘靓(2003)依据定量指标将华南沿海花岗岩风化物划分为残积土、全风化、强风化、弱风化和微风化5个分带；工程岩体分级标准也将花岗岩风化壳划分为5带(中华人民共和国国家标准编写组，1995，2014)，即残积土带(Ⅴ)、强风化带(Ⅳ)、中风化带(Ⅲ)、微风化带(Ⅱ)、新鲜岩带(Ⅰ)。国外研究者一般采用“六分法”，Irfan(1996)对花岗岩风化壳进行了系统的总结与划分，按照风化程度由强至弱依次划分为残积土带(Ⅵ)、全风化带(Ⅴ)、强风化带(Ⅳ)、中风化带(Ⅲ)、微风化带(Ⅱ)、新鲜岩带(Ⅰ)。对比2类划分方法，“五分法”是把残积土带和全风化带合二为一，不如“六分法”划分精细。笔者认为，残积土带和全风化带均是花岗岩区浅基础工程建设的重要持力地层，单独划分成带进行描述与工程地质特征研究更具有科学意义。

目前，对于“六分法”的划分和指标的选择尚无统一标准。无论是定性评价，还是定量评价，位于风化壳上部被称为“特殊性土”的部分，即残积土带(Ⅵ)、全风化带(Ⅴ)和强风化带(Ⅳ)的划分问题一直都是学者研究的难点和热点。风化壳下部的中风化带(Ⅲ)、微风化带(Ⅱ)、新鲜岩带(Ⅰ)总体划分较为简单，划分标准也较成熟，直接钻探取芯观测结构，实测岩体完整程度或依据单轴饱和抗压强度力学参数即可分带。Price(1993)系统分析裂隙等几个指标的影响，采用打分法对花岗岩风化壳进行分带，但对风化壳土体划分存在困难。吴宏伟等(1999)基于化学分析结果与岩土风化程度宏观判别的相互对比，建立了香港地区花岗岩风化岩土风化程度工程分级的化学指标体系，但受区域性气候条件等影响，风化程度的地带性导致划分标准具有区域局限性(曲永新等，2000)，且化学分析试验相对复杂，一般勘察或生产单位不具有试验条件，可操作性和推广性差。亦有学者针对干湿循环作用下花岗岩残积土强度(Rajaram et al.，1998；尚彦军等，2004；Tang et al.，2016；简文彬等，2017；陈晓坚，2019；于佳静等，2019)、花岗岩细观结构(涂新斌等，2003)、花岗岩残积土特性(李志勇等，2006；陈晓平等，2011；汤连生等，2013；夏金文等，2017；卢有谦等，2018；安然等，2020)等进行了精细、深入的研究，为对花岗岩风化壳进行系统的垂直分带划分提供了丰富的数据支持。花岗岩风化壳垂直分带划分标准有待综合集成，形成统一的、系统的、科学的划分标准。

梧州市位于广西东部，花岗岩分布广泛，岩性主要为中粗-中细粒黑云二长花岗岩、中细粒-粗中粒闪长花岗岩。主要矿物组合为斜长石占40%～57%、微斜纹长石占3%～15%、石英占24%～37%、黑云母占4%～15%、普通角闪石占2%～10%，副矿物主要为磁铁矿、钛铁矿、锆石等。梧州市属亚热带季风气候区，全年气候温暖，光照充足，风化强烈，花岗岩风化壳厚度较大，一般为20～50im，局部最大厚度可达75im以上(吴恒，1994)。因此，梧州市是开展花岗岩风化壳垂直分带研究的天然试验场，既具有代表性又具有普适性。同时，有关梧州市花岗岩风化壳分带及工程地质特征研究甚少，仅工程勘察钻探对其揭露并做了简单的地基承载力评价，至今对梧州市花岗岩风化壳分带及工程地质特征缺乏系统全面的划分与认识。

本文选择华南地区巨厚层花岗岩风化壳分布区的梧州市为研究区，旨在建立系统的、科学的、可操作性强的花岗岩风化壳垂直分带划分标准。重点开展了花岗岩风化壳土体粒度分析研究，首次系统建立了基于粒度分析的花岗岩风化土层分带定量评价标准。粒度分析法操作简易、方便，具有一定的可推广性，可作为花岗岩风化壳垂直分带划分的重要指标之一。同时，在野外区域调查、钻探、原位试验、室内试验、综合研究基础之上，开展了基于定性和定量复合判定指标体系研究，识别花岗岩风化程度的垂直分带差异性，构建了花岗岩风化壳垂直分带复合判断标准，并给出了花岗岩风化壳地基承载力建议值，对花岗岩分布区的重大工程建设与工程地质特征参数的选取具有一定的指导与参照意义。

1 研究方法

在梧州市幅花岗岩调查与区划的基础上，实施了8口工程地质钻探并进行了相关试验测试(图1)，采用数理统计和综合集成法，系统提出了梧州市巨厚层花岗岩风化壳垂直分带标准体系(图2)。建立花岗岩风化壳垂直分带标准体系原则，首先应能反映出风化岩体的工程地质特征的变化规律；其次要便于应用，既不能过于繁琐，也不能过于粗略；最后尽可能采用多种技术方法互为补充，使分带趋于定量化。本文按照三级指标进行系统划分，一级指标包括定性和定量指标，二级指标包括野外特征、挖掘及钻进特征、原位试验、土工试验、岩体强度试验，三级指标包括颜色、结构特征、矿物特征、挖掘特征、钻进特征、锤击特征、岩芯完整程度、标贯与动探原位试验、粒度分析、内摩擦角、黏聚力及岩体抗压强度试验。

图1 研究区花岗岩与钻孔分布图

图2 花岗岩风化壳垂直分带标准体系

2 花岗岩风化壳土体粒度分布特征及划分标准

花岗岩风化壳是在一定风化营力和特殊气候条件下产生特殊变化的土体，自上而下风化程度逐步降低，其粒度大小呈一定规律变化。按照土的颗粒大小组成，依次划分为砾粒(>2imm)、砂粒(2～0.075 mm)、粉粒(0.075～0.005 mm)、黏粒(<0.005 mm)，依据试验结果对颗粒含量百分比进行统计分析研究。

首先，对每个钻孔自上而下分层采样，采样编号依次为 T1、T2、T3、T4…Tn，分析垂直分带粒度分布特征。本次依据花岗岩分布区范围并考虑其均匀性、典型性，选取钻孔GCK01、GCK13、GCK15、GCK19为例进行分析，粒度分析结果如表1，数据揭示：①自上而下，砾粒、砂粒含量逐渐增大，粉粒、黏粒含量逐渐减小。GCK01、GCK13、GCK15、GCK19岩土体粒度均呈上述分布规律，这与自上而下风化强度逐渐降低有关，花岗岩呈现出风化的均一性。风化程度越强，粒度越小，砾粒、砂粒含量占比越小，粉粒、黏粒含量占比越大；风化程度越弱，粒度越大，砾粒、砂粒含量占比越大，粉粒、黏粒含量占比越小。②不同位置钻孔的岩土体风化程度不同，揭示了花岗岩风化存在差异性。这与钻孔分布的地形地貌、地质构造、水文条件等因素有关。如图3，钻孔GCK13和GCK15曲线斜率大于钻孔GCK01和GCK19曲线斜率，说明钻孔GCK13和GCK15风化强度大于钻孔GCK01和GCK19。由图1可知，GCK13和GCK15钻孔分布位置最近，更加说明了地貌单元相近，风化程度自然也相近。③砂粒和粉粒为花岗岩风化壳的主要物质组成部分，两者含量百分比之和高达55%～85%。比如：钻孔GCK19，砂粒和粉粒含量百分比之和为72.6%～79.1%; 钻孔GCK01，砂粒和粉粒含量百分比之和为57.4%～82.1%。

表1 典型钻孔粒度分析数据

图3 部分钻孔粒度分布图(T1～Tn深度递增)

其次，在基于原位试验对8个钻孔宏观分带的基础之上，集成8个钻孔粒度分析数据的平均值(表2)，研究粒度分布特征与风化壳垂直分带的关系。数据揭示：(1)残积土带含量占比最大的为粒径小于0.005 mm的黏粒土，占比为28.83%；全风化带含量占比最大的为粒径0.05～0.01 mm的粉粒土，占比为21.48%；强风化带含量占比最大的为粒径0.5～2imm的砂粒土，占比为18.49%。因此从残积土带、全风化带到强风化带，自上而下粒度逐渐增大，黏粒含量逐渐减小，黏粒含量占比平均值分别为28.83%、19.39%、14.65%，黏粒含量反映花岗岩风化程度，因此，黏粒含量可以作为花岗岩风化壳垂直分带划分的重要指标之一。(2)0.05 mm粒径值为残积土带、全风化带、强风化带曲线交叉的分界处(图4)，该处土体含量百分比近似相等。当粒径<0.05 mm(分界点右侧曲线)时，土体含量百分比大小为：强风化带<全风化带<残积土带，当粒径>0.05 mm(分界点左侧曲线)时，土体含量百分比大小为：强风化带>全风化带>残积土带。因此，粒径0.05 mm值亦为花岗岩风化壳垂直分带划分的重要指标之一。

表2 花岗岩风化壳分带粒度分析表

图4 花岗岩风化壳垂直分带粒度分布图

因此，结合钻孔单孔数据和多孔数据综合分析，结果表明花岗岩风化壳土体同时存在风化的差异性和均一性，也表明粒度分析可以作为花岗岩风化壳土体垂直分带划分的方法之一。吴能森(2006)进行花岗岩残积土分类研究时，也提出应考虑粒度的影响。

通过8个钻孔数据分析对比验证，发现基于粒度分析的花岗岩风化壳划分结果与基于原位试验的划分结果具有很好的一致性。综上所述：粒度分析是一种简易可行的花岗岩风化壳分带标准划分方法之一。粒径>0.05 mm的土体含量占比≥60%、黏粒含量占比≥25%的风化层为残积土带；粒径>0.05 mm的土体含量占比为45%～60%、黏粒含量占比为15%～25%的风化层为全风化带；粒径>0.05 mm的土体颗粒含量占比≤45%、黏粒含量占比≤15%的风化层为强风化带。

3 花岗岩风化壳垂直分带复合判断标准及工程地质特征

在提出粒度分析法是花岗岩风化壳分带标准划分方法之一的基础之上，进一步总结并建立梧州地区花岗岩风化壳垂直分带复合判断标准。本文在系统分析前人的研究成果和划分标准后，综合集成本次研究区大量实测数据，依据花岗岩的厚度、颜色、结构特征、矿物特征、可挖掘特征、可钻进特征、锤击特征、岩芯完整程度、修正后标贯或动探击数、粒度分析、内摩擦角、黏聚力、单轴抗压强度等定性和定量指标，形成梧州市巨厚层花岗岩风化壳垂直分带复合判断标准(表3)，总体上划分为残积土带、全风化带、强风化带、中风化带、微风化带、新鲜岩带6个分带，简称“六分法”，其分带标准及工程地质特征描述如下：

表3 梧州市花岗岩风化壳垂直分带标准

(1)残积土带：在花岗岩顶部广泛分布，厚度不均，钻探揭露厚度2.00～21.50im，平均厚度10.20im。残积土呈褐黄色、黄褐色，无光泽，呈土状，含大量石英颗粒，可取原状土样，具有可塑性；矿物已全部风化成土状，肉眼难见矿物颗粒；出露剖面，镐、锹挖动较容易，钻探钻进容易，锤击不回弹，钻探岩芯土体呈柱状，岩芯较完整；标贯范围值5.43～16.58，平均值12.64；黏粒含量百分比≥25%、粒径>0.05 mm含量百分比≥60%，内摩擦角≤18°，黏聚力≥45ikPa。

(2)全风化带：钻探揭露厚度1.95～17.00im，平均厚度8.32im；全风化带呈黄褐色、灰褐色，光泽暗，呈砂砾状，原岩结构破坏，难取原状土样，稍具塑性；长石已大部分风化成土状，黑云母、角闪石晶形已消失，用指甲可扣动风化物，手撵易粉碎；全风化带土体用镐、锹可挖动，钻探钻进较容易，不回弹，手捏易碎；取不出完整岩芯，呈松散砂砾状；标贯范围值10.36～24.20，平均值18.40；黏粒含量百分比15%～25%、粒径>0.05 mm含量百分比45%～60%，内摩擦角18°～25°，黏聚力30～45ikPa。

(3)强风化带：钻探揭露厚度2.60～60.60im，平均厚度24.90im；强风化带呈黄褐色、灰黑色，擦面有光泽，原岩结构基本破坏，风化明显不均匀，具有球状风化特征，岩芯呈土夹碎块状，不能取土样；除部分黑云母见黄色浸染，其他矿物基本无变异，用指甲刮不易留下痕迹；强风化层土体用镐、锹较难挖动，上部钻进容易，下部钻进困难，手掰易碎，锤击声哑，局部块状岩芯有较大回弹；难取出完整岩芯，较不完整，局部呈块状；标贯范围值30.30～75.46，平均值50.20；动探范围值8.04～30.51，平均值16.75；黏粒含量百分比≤15%、粒径>0.05 mm含量百分比≤45%，内摩擦角≥25°，黏聚力≤30ikPa，天然单轴抗压强度范围值0.061～0.271iMPa，平均值0.191 MPa。

(4)中风化带：钻探揭露厚度0.20～34.30im，平均厚度6.56im；岩石稍暗，裂面呈黄褐色，擦面光泽较亮，裂隙发育，沿裂隙风化强烈，有蚀变特征，石英脉发育，可取岩体块状样；除部分黑云母见黄色浸染，其他矿物基本无变异，用指甲刮不易留下痕迹；可干钻，较坚硬，锤击声脆，有强回弹；岩芯较完整，呈块状─短柱状；中风化花岗岩岩体干燥单轴抗压强度范围值40.1～90.0iMPa，平均值68.8MP；饱和单轴抗压强度范围值36.7～79.1iMPa，平均值62.3MP。

(5)微风化带：颜色较新鲜，擦面光泽较亮，仅在极少量的裂隙有轻微的锈黄色浸染，沿裂隙有风化蚀变现象，可取柱状岩体样；与新鲜岩石差别不大，矿物未风化；岩芯钻具，不易干钻，岩体坚硬，声音清脆，锤击时震手；岩芯完整，呈长柱状；干燥单轴抗压强度范围值69.4～141.0iMPa，平均值90.8 MPa；饱和单轴抗压强度范围值45.3～98.9iMPa，平均值75.6 MPa。

(6)新鲜岩带：钻探未揭露；新鲜花岗岩，完整，未风化。

4 花岗岩风化壳土体分带地基承载力建议值

获取花岗岩风化壳土体地基承载力数据是工程勘察和工程建设的重要工作，由于花岗岩风化壳风化强烈，很难取到残积土带(Ⅵ)、全风化带(Ⅴ)、强风化带(Ⅳ)原状土样，且风化土有钻进易受扰动、遇水易软化和崩解的特性，室内土工试验难以确定真实值。因此，开展原位试验是常用的方法。其中：动力触探和标准贯入试验操作简单、应用范围广、适用土类多。但是，规范只给出了杆长为20im范围的重型触探和杆长为21im范围的标准贯入锤击数修正系数。对于超规范杆长的修正系数，采用李会中等(2016)的研究成果进行修正，即：

(1)

式中：α为杆长修正系数；L为杆长(m)。

在目前的生产实际中主要是依赖于标准贯入试验确定地基承载力(张永波等，1997)，因为利用标准贯入试验锤击数计算承载力的公式较多，也有相关的换算表格可以查询。但是，由于花岗岩风化壳风化差异性常常导致标准贯入试验很难进行贯入操作时，圆锥动力触探试验可以弥补标准贯入原位试验的不足，但利用圆锥动力触探试验锤击数计算承载力的公式较少。因此，开展圆锥动力触探击数与标准贯入击数相关性分析，将圆锥动力触探击数折算为标准贯入击数，可以方便计算地基承载力。

4.1 标准贯入与圆锥动力触探相关性分析

在研究工作区，选择编号为GCK8、GCK10、GCK19的钻孔，在同一钻孔同一深度内分别进行标准贯入试验和圆锥动力触探试验锤击击数对比研究，按照式(1)进行修正(表4)，开展标贯击数N和动探击数N63.5相关性拟合分析研究(图5)。试验结果揭示：圆锥动力触探试验与标准贯入试验具有良好的一致性，随着钻进试验深度的增加，圆锥动力触探试验击数与标准贯入试验击数同时增加，标准贯入击数N与圆锥动力触探击数N63.5呈多项式相关，相关系数R2为0.8542，多项式关系式即式(2)为：

图5 标贯击数N与动探击数N63.5相关性分析图

表4 标贯击数N和动探击数N63.5 实测表

(2)

式中：N63.5为修正后的重型圆锥动力触探试验锤击数；N为折算后的标准贯入试验锤击数。

4.2 花岗岩风化壳土体地基承载力建议值

由于梧州市地区风化壳比较厚，无论是重大工程建设的深基础工程，还是工民建设的浅基础工程，风化壳均是基础工程的主要持力层。开展残积土带(Ⅵ)、全风化带(Ⅴ)、强风化带(Ⅳ)分带地基承载力计算，提供花岗岩风化壳土体地基承载力建议值具有十分重要的意义。

利用标准贯入试验锤击数确定土层承载力的计算公式较多，本文梳理了相关计算公式，见表5。依据花岗岩风化壳残积土带(Ⅵ)、全风化带(Ⅴ)、强风化带(Ⅳ)分带工程地质特征描述，再结合各个计算公式的适用范围，按照工程经验类比法，花岗岩风化壳残积土带(Ⅵ)、全风化带(Ⅴ)、强风化带(Ⅳ)岩土体特征接近于粉土、黏土质砂、中粗砂特征。因此，花岗岩风化壳残积土带(Ⅵ)、全风化带(Ⅴ)、强风化带(Ⅳ)分带进行地基承载力计算，分别采用表5中(1)、(3)、(5)计算公式。花岗岩风化壳土体地基承载力建议值如表6，残积土带地基承载力建议值范围为197～422ikPa，全风化带地基承载力建议值范围为227～502ikPa，强风化带地基承载力建议值范围为392～507ikPa。

表5 标准贯入试验确定的地基承载力经验公式

表6 花岗岩风化壳分带地基承载力建议值

5 结 论

(1)粒度分析法可以作为区域花岗岩风化壳土体分带划分的标准之一。粒径>0.05 mm的土体含量占比≥60%、黏粒含量≥25%的风化层为残积土带；粒径>0.05 mm的土体含量占比为45%～60%、黏粒含量为15%～25%的风化层为全风化带；粒径>0.05 mm的土体颗粒含量占比≤45%、黏粒含量≤15%的风化层为强风化带。

(2)花岗岩风化土体的粒径总体上随着深度增加逐渐增大，砂砾和粉粒构成其主要物质组成部分，两者含量百分比之和高达55%～85%；残积土带含量最大占比为粒径小于0.005 mm的黏粒土，全风化带含量最大占比为粒径0.05～0.01 mm的粉粒土，强风化带含量最大占比为粒径0.5～2imm的砂粒土。

(3)当粒径<0.05 mm(分界点右侧曲线)时，土体含量百分比大小为强风化带<全风化带<残积土带，当粒径>0.05 mm(分界点左侧曲线)时，土体含量百分比大小为强风化带>全风化带>残积土带。因此，粒径0.05 mm值亦为花岗岩风化壳垂直分带划分的重要指标之一。综合数据分析，揭示花岗岩风化壳土体同时存在风化的差异性和均一性。

(4)标准贯入试验击数和圆锥动力触探试验击数呈多项式相关性，相关系数R2为0.8542，圆锥动力触探试验和标准贯入试验随土层深度的变化具有良好的一致性。提出花岗岩风化壳土层地基承载力特征计算公式和建议值，残积土带地基承载力建议值为197～422ikPa，全风化带地基承载力建议值为227～502ikPa，强风化带地基承载力建议值为392～507ikPa。

(5)本文在宏观分带的基础上，采用数理统计和综合集成法，进行了定性和定量分带研究，系统提出了梧州市巨厚层花岗岩风化壳垂直分带标准体系和“六分法”垂直分带标准，对花岗岩分布区的重大工程建设与工程地质特征参数的选取具有一定的指导与参照意义。