碎石土的工程特性及其對(duì)工程影響

1、碎石土的工程特性及其對(duì)工程的影響（喬延青 巖土工程 200410120）1. 引言土，由于其成分、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的千變?nèi)f化，工程特性也各不相同，為了工程的需要，選擇各種最能反映土的基本屬性又便于測(cè)定的指標(biāo)作為分類依據(jù)對(duì)土進(jìn)行分類。雖然我國(guó)各個(gè)行業(yè)部門按各自的行業(yè)特點(diǎn)建立的土的分類標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，但一般對(duì)巨粒和粗粒土則較為一致的按顆粒組成進(jìn)行分類，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50007-2002）則把土劃分為碎石土、砂土、粉土和粘性土四大類。本文以常見的碎石土為主要研究對(duì)象，分析其主要工程特性及其影響。2. 碎石土參照建設(shè)部土的分類標(biāo)準(zhǔn)（GBJ145-90）、建設(shè)部建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50007-

2、2002）、水利部土工試驗(yàn)規(guī)程（GB237-1999）、巖土工程勘察規(guī)范（GB50021-2001）等規(guī)范，碎石類土屬于無機(jī)土，粒徑d2mm的顆粒含量超過全重的50%，按其粒組質(zhì)量占土樣總質(zhì)量的50%-100%不同百分比及其它成分含量又可進(jìn)一步細(xì)化、定名，各種規(guī)范中皆有明確的列表；按棱角磨圓度：圓形、亞圓形、棱角形區(qū)別為漂石、卵石、圓礫及塊石、碎石、角礫；碎石土的成因有多種類型，其中以沖積、洪積、坡積、殘積、物理化學(xué)風(fēng)化等為主，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徑；碎石土成分復(fù)雜多樣，因母巖而異，其中又以灰?guī)r、砂巖、白云巖為常見；按其粒間填充物的主要成分可大致區(qū)分為泥卵石和砂卵

3、石；等等。碎石土按不同的指標(biāo)的眾多分類、定名方法，大多可以“望文生義”單從字面意思就可以略知其狀態(tài)或?qū)傩?，便于使用；碎石土與一般細(xì)粒組、粗粒組物理力學(xué)性質(zhì)的差異，形成了其獨(dú)特的工程性質(zhì)，本篇以卵石（碎石）為主要對(duì)象，分析它們對(duì)工程建設(shè)產(chǎn)生的影響。 3. 主要工程特性及其對(duì)工程的影響碎石土的工程特性主要表現(xiàn)在不均勻性、滲透性、抗剪強(qiáng)度、密實(shí)度、沉降變形及承載力等方面，下面就這些特性及其各自對(duì)工程建設(shè)形成的正面或負(fù)面影響分別簡(jiǎn)明闡述。3.1不均勻性由于碎石土的粒徑范圍廣、成因的多樣性等原因，使得碎石土的塊體及層厚的不均勻性極強(qiáng)，對(duì)工程建設(shè)產(chǎn)生了種種影響，主要從以下幾個(gè)方面闡述：（1）塊體大小不一。

4、由于母巖巖性的差異，沖積搬運(yùn)的距離及在搬運(yùn)過程中碰撞破裂程度不同，加上物理化學(xué)風(fēng)化環(huán)境、程度等的不同，形成的碎石土的粒徑也在大范圍內(nèi)變動(dòng)，其中不乏粒徑較大的漂（塊）石(d>200mm)，由于沖洪積作用，某些以粘性土為主的土層中含有粒徑不一的碎石土也較為常見。當(dāng)碎石土顆粒級(jí)配恰當(dāng)時(shí)，在工程中很有用途：地基處理時(shí)可作墊層，作碎石樁、CFG樁等樁的樁身材料等；顆粒均一、大小合適、磨圓度好的（鵝）卵石還用來在游園中鋪路，既美化，又有保健功能，近年來市政建設(shè)中多有使用等等。論其反面，不均勻性給工程帶來的負(fù)面影響也不可小視。首先是對(duì)工程勘察的影響。在基巖山區(qū)或含有碎石土地區(qū)的巖土工程勘察中，在揭露地

5、層巖性時(shí)，要穿過以灰?guī)r、白云巖為主的卵石層，一般常規(guī)的合金鉆頭可以順利的完成任務(wù)（遠(yuǎn)比穿過粉土、粉砂等土層困難），若卵石層中加雜有大于鉆頭直徑的又有一定厚度的由堅(jiān)硬巖石形成的碎石土?xí)r，如砂巖卵石，就需要用昂貴的金剛石鉆頭來處理，金錢、時(shí)間消耗往往幾倍于對(duì)付灰?guī)r卵石的；由于經(jīng)濟(jì)效益的驅(qū)使，在監(jiān)管不力時(shí)施工方極容易放棄艱苦施工，而改由經(jīng)驗(yàn)來處理，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)將大塊的漂石當(dāng)成基巖的情況，給工程勘察質(zhì)量帶來極大隱患。這種不利情況目前除了加強(qiáng)設(shè)備的先進(jìn)性之外，似乎鮮有更好的辦法來處理。其次是對(duì)施工的影響。在某大廈的基坑土釘墻支護(hù)施工中，用洛陽(yáng)鏟成錨桿孔時(shí)，以粘性土為主的殘積土層中含的卵石碎石嚴(yán)重阻礙了洛

6、陽(yáng)鏟正常成孔施工，土釘長(zhǎng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，造成基坑北側(cè)土釘墻局部失穩(wěn)滑坡，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。山東萊蕪鋼鐵集團(tuán)新建一條生產(chǎn)線，用強(qiáng)夯法對(duì)復(fù)合地基進(jìn)行處理，因局部換填碎石料顆粒級(jí)配不合理，導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案更改，幾萬立方石料全部被挖出重新?lián)Q填，提高夯擊能量，由動(dòng)力夯實(shí)改為動(dòng)力置換，追加的工程費(fèi)用及工期損失全部由施工方包賠。 （2）土層厚度不均勻。與其它土層一樣，由于形成歷史、過程的差異，造成了大多卵石層厚度的不均，在一個(gè)幾平方米的小范圍內(nèi)，土層可能就會(huì)形成很大的傾斜度，甚至局部嚴(yán)重缺失、以透鏡體在土層中出現(xiàn)的情況也屢見不鮮，這種不均勻性很容易導(dǎo)致整個(gè)地層的不均勻。在某些低山丘陵區(qū)或山前傾斜平原，尤其是上

7、部覆蓋有第四系馬蘭黃土的地區(qū)，在（古）河流階地的陡坡壁上，呈雞窩狀分布的卵石層透鏡體很常見，有時(shí)一邊是黃土，一邊是卵石，巖性在垂直面上差異可達(dá)數(shù)m。在鄭西客運(yùn)高速鐵路某段的詳勘中就遇到過同一個(gè)孔位前后移動(dòng)不到1m，結(jié)果地層層位最大相差1.5m，不得不進(jìn)行第三次補(bǔ)勘，耗費(fèi)了很大的人力物力，嚴(yán)重拖延了工期，給后繼施工人員心理造成了很大壓力。土層的不均勻，容易造成整個(gè)工程場(chǎng)地的不均勻，甚至發(fā)育成為不良地質(zhì)地段，大大增加工程的投入；小的引起局部場(chǎng)地不均勻，工程建設(shè)時(shí)要特別處理，更是習(xí)以為見。濟(jì)源某大型高層建筑工程場(chǎng)地位于王屋山山前莽河沖積平原，由于設(shè)計(jì)地面標(biāo)高以下20m處夾有不均勻的卵石層，其厚度由0

8、-3m不一（局部嚴(yán)重缺失），加上卵石塊粒徑的不均勻，勘察遇到很大困難，未能完全揭露地層巖性，最終不得已把卵石層改為砂礫層進(jìn)行資料數(shù)據(jù)處理，土層厚度嚴(yán)重不均勻，不能做樁端持力層，原本設(shè)計(jì)的采用的靜壓樁無法施工，改灌注樁，但又發(fā)生成孔困難，改由旋挖機(jī)成孔，代價(jià)極高。3.2 滲水性強(qiáng)由于填充物的性質(zhì)、顆粒級(jí)配、密度的不同，對(duì)碎石土層的滲透性影響很大，這里不詳細(xì)研究其滲透系數(shù)。當(dāng)為砂質(zhì)充填時(shí)，形成砂卵石，一般可形成紊流，甚至可以形成地下徑流，可作為良好的排水渠道，用來處理濕陷黃土地基等；當(dāng)為泥質(zhì)（粘性土）充填時(shí)，透水性就不太好，可能形成符合達(dá)西定律的層流，充填密實(shí)（或半膠結(jié)狀態(tài)）的土層甚至可以成為弱隔

9、水層。由于碎石土層具有易坍塌性，在鉆探成孔過程中幾乎必須使用泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)，卵石個(gè)體本身的堅(jiān)硬性使得充填在碎石土孔隙之間的充填物很容易因擾動(dòng)破碎，而被泥漿及循環(huán)水沖走，無法摸清楚充填物的巖性，泥質(zhì)充填和砂質(zhì)充填很容易混淆，再加上護(hù)壁泥漿容易封死含水層，一般的工程項(xiàng)目不會(huì)花錢打?qū)ｉT的水文鉆，所以其滲透性及其含水狀況一般難以查清。濟(jì)南某銀行大樓建成后不久地下室就受到地下水浸濕，深受其苦。糾其原因就是在大樓基坑施工處于旱季，把基礎(chǔ)底面以上的一層砂卵石層潛水層無意中堵死，雨季來臨，沿傾斜的卵石層流下的地下水被封存，水位越漲越高，造成嚴(yán)重隱患，最后不得不忍痛斥資采取繞道導(dǎo)流排水措施。3.3抗剪強(qiáng)度高由于碎

10、石土的特殊性，在對(duì)所有的土層考查中，對(duì)碎石土層的考查可算是最模糊的，與一般粗粒土及細(xì)粒土形成的土相比，測(cè)定各種物理力學(xué)指標(biāo)較困難，經(jīng)常以連續(xù)（重型）動(dòng)力觸探試驗(yàn)來考查其力學(xué)指標(biāo)或推測(cè)地層巖性。由于對(duì)其取原狀樣較難，往往只取一定量的擾動(dòng)樣對(duì)其作顆粒分析定名。用一般的鉆探工具（110口徑鉆具）在地下取出的樣品只有卵石，沒有充填物，其廉價(jià)的篩分試驗(yàn)意義也不大；當(dāng)必須取樣做試驗(yàn)測(cè)定其指標(biāo)（如抗剪）時(shí)，由于碎石土的個(gè)體體積較大，一般的設(shè)備無法使用，需要特殊的直剪切儀或大型三軸儀，或作昂貴的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；對(duì)具體做法可見各種相關(guān)規(guī)范及文獻(xiàn)12。雖然有種種不利條件，碎石土與砂土、粉土、粉質(zhì)粘土相比很高的抗剪強(qiáng)度彌

11、補(bǔ)了以上缺點(diǎn)，這種性質(zhì)在工程建設(shè)中得到了充分的運(yùn)用。3.4高壓實(shí)性及低壓縮變形性由于碎石土本身的組成特征，使得它可以達(dá)到很高的密實(shí)性（或最大干密度）。天然形成的碎石土由于不同粒徑的充填物充分沉積填充后，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代中受到上部覆蓋層的壓力或構(gòu)造地應(yīng)力等因素的作用，可以達(dá)到很高的密實(shí)度。一般地質(zhì)年代愈久形成的卵石層，密實(shí)度及承載力也越大；第四紀(jì)晚更新世及更晚形成的碎石土層上述指標(biāo)一般較低，但相對(duì)與粗粒組及細(xì)粒組的土層，密實(shí)性及承載力還是很高的；有一定厚度的密實(shí)性土層，受附加應(yīng)力作用時(shí)產(chǎn)生的沉降變形較小，是高層及重型建筑或?qū)ψ冃纬两涤刑厥庖蟮慕ㄖ锏膬?yōu)良地基。與動(dòng)力觸探擊數(shù)、密實(shí)度狀態(tài)對(duì)照的碎

12、石土的承載力及單樁極限摩阻力、樁端極限承載力可見有關(guān)規(guī)范表格，但實(shí)際取值時(shí)往往有極強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)性。碎石在人為控制下選擇恰當(dāng)?shù)念w粒級(jí)配或添加其它材料，可用作軟土換填，處理黃土、不均勻地基處理，作筏板墊層，與其它粒組材料混合，可以建土石壩、碾壓混凝土壩，等等，以上各種專業(yè)著作論述的都很詳細(xì)，不再啰嗦。4 結(jié)束語(yǔ)碎石土作為一類常見的土，具有眾多工程特性，其影響也是多方面的，本文從碎石土的基本定義出發(fā)，避輕就重，著重介紹了碎石類土中的卵石（碎石）土的不均勻性，扼要的闡述幾種主要的性質(zhì)，以個(gè)別工程實(shí)例，側(cè)重介紹了這些性質(zhì)在工程建設(shè)中的負(fù)面影響。參考文獻(xiàn) 1 巖土工程勘察規(guī)范（GB50021-2001） 3 建設(shè)部土的分類標(biāo)準(zhǔn)（GBJ145-90） 4 水利部土工試驗(yàn)規(guī)程（GB237-1999）北京：中國(guó)水利水電出版社，1999 5 建設(shè)部建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50007-2002） 6 盧廷浩主編土力學(xué)南京：河海大學(xué)出版社，2002.1 7 陸兆臻主編工程地質(zhì)學(xué)北京：中國(guó)水利水電出版社，2001.10第二版 8 石林坷/孫文懷/郝小紅 巖土工程原位測(cè)試鄭州：鄭州大學(xué)出版