强风化花岗岩识别

强风化花岗岩识别

摘要：强风化花岗岩层往往是电力工程的目标层，本文在对花岗岩的风化过程、风化影响因素、风化地层分带特性进行分析的基础上，归纳了强风化花岗岩的识别方法。

关键词：花岗岩强风化识别方法

1 引言

在花岗岩地区修建电力工程，强风化层往往是目标层位。在上部土层无法满足天然地基条件的情况下，强风化层具有高承载力和低压缩性，对于电厂的重要建筑物和特高压输电线路而言，使其成为较好的桩端持力层。本文首先对花岗岩的风化特定进行了研究，在此基础上归纳总结了花岗岩强风化层识别方法

2花岗岩风化的特点

2.1 花岗岩风化过程

岩石风化首先经过崩解阶段(即物理风化)，使矿物颗粒的比表面积逐步增大，加强了与水、氧、二氧化碳和生物的接触，经历溶解、水化、水解、碳酸化、氧化作用及生物风化等作用，由于不同深度风化条件的差异，使花岗岩不同深度的风化方式与程度有所不同，形成具有不同组分与结构特性的风化层，构成具有垂直分带性(即多层结构)的风化剖面，但这种风化剖面是在原地风化逐渐形成的，是一个有次序、连续的地质建造，在风化剖面上一般没有阶坎式的突变和跳跃式的风化，每层均具各自特性，层间是逐渐过渡的，故层间界面一般很难准确确定[1]。

2.2 花岗岩风化的影响因素：

（1）矿物成分与结构

受地质构造条件、岩浆成分和围岩物质成分的控制和影响，不同时期的不同地区的花岗岩类在岩石矿物、成分、结构构造等方面存在着差异。总体而言，酸性矿物比碱性矿物抗风化能力强，细粒结构比粗粒结构抗风化能力强。对于花岗岩而言，石英稳定性最高，长石类风化稳定性由高到低的顺序是：钾长石、多钠的酸性斜长石、中性斜长石、多钙的基性斜长石，次之为黑云母、角闪石等。在花岗岩类岩石中最先发生水化作用的是黑色矿物及普通角闪石。偏中性的花岗闪长岩、二长花岗岩的黑色矿物大大超过酸性花岗岩，因此在同等条件下花岗闪长岩等偏中性岩的风化程度和风化土厚度大于酸性花岗岩，由于其

石英含量较少，因此相对粘土质矿物含量较高，其风化完全程度也高于酸性花岗岩。

（2）地形地貌

花岗岩类风化土除受岩性约束外，还受到自然条件的影响，特别受到地貌位置的影响。

下面以广东地区为例，广东各河系侵蚀河谷的基面高程大致为45m~50m，同时结合广东较低的几级侵蚀面的高程，从平面分布上可以大致地把广东花岗岩类风化土厚度特征与地貌形态分为3个类区：

（a）高程在100m以内的残丘、低山和高程在40m内的河谷阶地的风化土为正常风化土区，其特点是风化均匀，不含或含很少的球状风化体，风化土表层常有一层带坡积性质的红褐色粘性土，有时还夹有一层含铁锰质结核的呈网纹状结构的风化土。

（b）高程在100m以上和相对高差在100m以内的低、中山的含大量花岗岩球状风化体的风化土区，其特点是多分布在山坡，在其表面或土层中夹有大量直径几十厘米甚至达十几米的球状风化体，其厚度变化大，土层风化不均匀

（c）高程在100m以上的峡谷河床及两岸陡坡段，相对高差大于200m以上的陡峻中、高山的风化土区，该类区基本属于侵蚀区，其风化土层很薄，河床及陡岸均为岩石露头，山谷和陡坡有岩石露头及堆积大量球状体[2]。

（3）岩体结构构造

节理裂隙分布稀疏的花岗岩抗侵蚀能力强，风化过程很难深入；而节理裂隙密集的花岗岩抗侵蚀能力大减，地表水地下水沿节理裂隙活动，特别是沿垂直节理裂隙，水和具风化性的化学物质可以长驱直入，形成很厚的红色风化壳，这是我国东南部花岗岩地貌的一大特点。风化槽和风化囊的形成也与花岗岩的结构构造有关[3]。

（4）环境气候

环境气候是岩石风化的主要外在影响因素，总体来说北方以机械（物理）风化为主，南方以化学风化为主，这也造成两者风化产物、风化深度等多个方面的不同。比如红色风化壳是南方花岗岩特有的风化产物。

2.3地层分带

我国东南地区花岗岩风化作用一般是随深度增加而减弱，力学性质应随之增强，颜色由浅变深，原岩结构、构造由无法辨别过渡到清晰可辨。其典型的剖面如下图，其具体描述如下：残积土，不具原岩结构，石英颗粒分布均匀，呈网纹结构，含氧化铁结核，一般呈红色；全风化花岗岩，尚见原岩结构，长石均已风化成高岭土，石英颗粒基本保持原岩的形态；强风化花岗岩，斜长石、云母已风化成高岭土或粘土，正长石用手可捏成砂状，

呈半岩半土状，残留少量母岩岩块，用手易折碎；弱风化花岗岩斜长石风化较深，正长石、云母风化轻微，岩石普遍改变颜色，岩块用手不易折断，锤击声哑。需要特别指出的是花岗岩存在差异风化现象，其主要表现为全风化岩层中存在球状风化以及微风化界面起伏，这是花岗岩风化的一个特点，在实际勘察工程中。一旦遇到风化等级突变的岩块，可根据相邻钻孔的风化层厚度、顶面标高进行比较分析，综合作出判断[4]。

图1 花岗岩的风化剖面图

3 识别的手段

根据花岗岩风化的特点，对强风化花岗岩的识别方法归纳如下：

3.1 野外露头

在充分掌握区域地质资料的基础上，通过野外踏勘查清工程所在地的花岗岩类型，如果野外有较为完整的露头，那么对鉴别工程地下的花岗岩风化程度有很大的帮助。

3.2 钻进过程

钻机钻进过程是识别风化程度的第一手资料，不同风化程度的花岗岩在钻进过程中有不同的表现，归纳如下：残积土，无循环泥浆易钻进；全风化花岗岩，无循环泥浆可钻进0.5m以上；强风化花岗岩，钻进过程中钻杆轻微跳动，无循环泥浆仅可钻进0.1m~0.5m；弱风化花岗岩钻进过程中钻杆剧烈跳动，合金钻头钻进较易，无循环泥浆不能钻进。微风化花岗岩，合金钻头较难钻进，一般采用金刚石钻头钻进。在香港地区，开展了花岗岩地

区的钻孔过程参数的解译方法与地层特性之间响应关系方面的研究，发现钻进过程中用于破碎岩石的能量主要来自钻进系统的动能，钻进系统用于破碎岩石的能量分配与地层强度特性有关。在风化程度较低或新鲜岩层中钻进时，破碎岩石98%以上的能量来自系统的动能，而轴压力推动钻头位移所给出的能量不到2%；在土层或全风化岩层中，轴压力所做的功达到22%以上，且明显随风化程度的增高而增大，说明钻进系统动能与轴力功可用以表征地层的可钻性[5]。但目前该种方法还不足够成熟，在进行大量实验和结合地区经验的基础上，该种方法可以为强风化识别消除人为主观误差提供一种新的方法。

3.2 岩芯识别

通过岩芯外观识别强风化花岗岩，主要通过岩块内矿物的风化程度，除石英外，斜长石、云母已风化成高岭土或粘土，正长石用手可捏成砂状。岩芯总体呈半岩半土状，残留少量母岩岩块。但是由于岩体的破碎性，岩芯极易发生破坏，且浸水后加剧破坏程度，多数情况下难以观察到碎块状岩芯。

3.3 标准贯入试验

规范中规定可采用未经修正的标准贯入试验击数超过50击来确定强风化，这种方法在工程实践中应用较多，而且通过贯入器内岩样和击数对应，可以更进一步建立对应关系，帮助进行判断。也有人通过动力触探试验和标准贯入试验的对应关系尝试采用动力触探试验判断强风化，同时由于资料有限，动力触探锤击数与标贯试验锤击数的关系方程及承载力的确定尚须进一步深入研究[6]。

3.4 物理勘探

应用于岩石风化划分的常见的物理勘探方法有：波速测试、高密度电阻率法，现分别阐述如下。

（a）波速测试

在相关规范上规定了波速比K V划分风化岩石风化程度，而波速比K V为风化岩石与新鲜岩石压缩波波速之比，并且已有工程采用该方法取得了成果[7]，但该方法对对岩样要求高，就花岗岩强风化而言，强风化完整岩样难以取得。亦有工程在钻孔内进行波速测试，直接量测岩体波速、波速比。在文献[8]中对三个工程的波速测试结果进行分析并认为：声波在岩体中的传播，除受岩体风化程度影响外，结构面的发育程度及其性状更起控制作用，以波速指标划分岩体风化程度时，应分别统计各工程岩体中的小值平均波速值、大值平均波速值、波速变化幅度，小值代表结构面波速，大值代表结构体波速，波速变化幅度反应该岩体均一性。文献[9]采用波速、波速比进行岩体风化程度划分得到较好结果，认