赫六高速殷家特大橋工程地質(zhì)特征及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

郭抗美 滑晶晶

摘要 殷家特大橋?yàn)楹樟咚倏刂菩怨こ讨?。其工程地質(zhì)條件和邊坡穩(wěn)定性對(duì)其施工及后期使用意義重大，高邊坡的局部失穩(wěn)、垮塌會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失，引發(fā)安全事故。故前期工程場(chǎng)地建設(shè)適宜性和邊坡的穩(wěn)定性分析顯得尤為重要。在野外工程地質(zhì)調(diào)繪的基礎(chǔ)上，采用物探、鉆探、鉆孔波速測(cè)試及原位和室內(nèi)試驗(yàn)多手段勘察方法，查明橋址區(qū)工程地質(zhì)條件，在此基礎(chǔ)上對(duì)工程場(chǎng)地建設(shè)適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)。然后利用赤平極射投影法定性分析得到邊坡最不利的巖土結(jié)構(gòu)面，進(jìn)一步通過(guò)理正和Flac3D軟件對(duì)大橋兩側(cè)邊坡的穩(wěn)定性做出了定量評(píng)價(jià)，得到其穩(wěn)定性程度。本次評(píng)價(jià)可作為本工程初步設(shè)計(jì)依據(jù)并給相應(yīng)地理環(huán)境工程建設(shè)可靠性參考。

關(guān) 鍵 詞 殷家特大橋;工程地質(zhì);勘察;邊坡;赤平投影;穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

中圖分類(lèi)號(hào) U412.22 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0 引言

殷家特大橋位于貴州省赫章縣野馬川鎮(zhèn)境內(nèi)，是一座跨度為912 m，最大凈高188.99 m的特大橋，采用預(yù)應(yīng)力混凝土T梁+鋼構(gòu)形式，擬建兩處橋臺(tái)均位于山體頂部，橋墩位于山體坡麓地段，坡度較陡，約30 ° ～ 45 °。，橋梁橫跨山間U型谷地，地面高程1 419 ～ 1 616 m，最大高差197 m。工程場(chǎng)地屬于溶蝕、侵蝕低中山地貌，橋址區(qū)小里程方向有巖土質(zhì)邊坡，坡面呈梯田狀，最大高差約為200 m，巖層產(chǎn)狀為200 °∠3 °，邊坡坡面傾向105 °，坡度32 °。橋址區(qū)大里程方向，最大高差約210 m，傾向7 °，坡度41 °。

1 地質(zhì)勘察作業(yè)

1.1 物探

本次物探工作布置了1條電測(cè)深縱剖面，30塊標(biāo)本物性測(cè)試，剖面沿特大橋設(shè)計(jì)左線(xiàn)左10 m布置，剖面起點(diǎn)位設(shè)計(jì)左線(xiàn)起外延70 m，設(shè)計(jì)左線(xiàn)終點(diǎn)外延78 m。小里程方向部分物探測(cè)線(xiàn)布置見(jiàn)圖1。

采集了區(qū)內(nèi)主要巖性巖（礦）石標(biāo)本，采用面團(tuán)法測(cè)定了標(biāo)本的電阻率ρ參數(shù)，計(jì)算了不同巖性巖（礦）石的電阻率幾何平均值，本區(qū)主要巖石與圍巖之間，電阻率差異明顯。結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1中可以看出：巖（礦）石標(biāo)本中，主要巖石電阻率幾何平均值在89.6 Ω·m。即，本區(qū)主要巖石與圍巖之間，具有明顯的電阻率差異。這就為我們應(yīng)用電法揭露地質(zhì)現(xiàn)象，奠定了地球物理基礎(chǔ)。

用WDA-1B超級(jí)數(shù)字直流電法儀[1]，測(cè)出各點(diǎn)電阻率ρ值，該次工作進(jìn)行了方法有效性與工作參數(shù)選擇實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最小供電極距AB/2 =1.0 m，最大供電極距AB/2 = 46.4 m，最小測(cè)量極距MN/2 = 0.5 m，最大測(cè)量極距MN/2 = 2.5 m，保持MN =（1/10～1/30）AO m范圍內(nèi)。

最后將野外觀測(cè)到的原始數(shù)據(jù)利用WDAFC專(zhuān)用軟件[2]導(dǎo)出到計(jì)算機(jī)，利用地面標(biāo)高資料，將解釋深度換算到絕對(duì)標(biāo)高，再利用Golden Software Surfer 13 軟件進(jìn)行后期處理，生成彩色斷面圖，該圖直觀明了，易于地質(zhì)解釋?zhuān)斠?jiàn)圖3。

綜上根據(jù)電測(cè)深斷面圖推測(cè)第四系地層主要為碎石土或強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，下伏巖石主要為中生界三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組（T1f）泥巖、砂巖，以及第四系地層與下伏泥巖的界線(xiàn)。場(chǎng)地第四系土層（碎石土或強(qiáng)、全風(fēng)化砂質(zhì)泥巖）厚度一般0～27 m，橋位區(qū)南側(cè)厚度相對(duì)較大，橋位區(qū)中部碎石土分布較大。本次物探工作未發(fā)現(xiàn)基巖斷裂構(gòu)造，圍巖多為Ⅳ、Ⅴ類(lèi)。

1.2 鉆探

鑒于物探異常的多解性及物探方法的局限性，采用鉆探方法對(duì)物探異常進(jìn)行有效地驗(yàn)證，以確保特大橋施工安全。根據(jù)規(guī)范在橋址區(qū)工程場(chǎng)地布設(shè)9個(gè)勘探鉆孔，本次鉆探工作，在鉆孔揭露深度范圍，確定地層分為3類(lèi)：碎石土、強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖和中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖。此取一個(gè)典型鉆孔QZK37的不同巖心分布：0～5 m為碎石土，5～6.4 m為強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，6.4～75 m為中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，如圖4。

將9個(gè)鉆孔的終孔照片以及現(xiàn)場(chǎng)記錄所見(jiàn)的地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行室內(nèi)地質(zhì)觀察點(diǎn)編錄，然后將編錄好的信息輸入到理正巖土勘察軟件中，利用其自動(dòng)處理信息并出圖功能，繪制各個(gè)鉆孔柱狀圖。最后依據(jù)各個(gè)位置鉆孔的柱狀圖和物探成果確定最終的地層和地層分界線(xiàn)，畫(huà)出工程地質(zhì)縱剖面圖，如圖5。

1.3 鉆孔波速測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)工作利用WSD-2A數(shù)字聲波儀[3]進(jìn)行鉆孔原位波速測(cè)試，采用單孔法將測(cè)試探頭放置于測(cè)試孔內(nèi)，井下測(cè)試探頭為一發(fā)雙收探頭，測(cè)試點(diǎn)距1 m，每測(cè)1 m用儀器記錄來(lái)自接收換能器的振動(dòng)信號(hào)。改變測(cè)試點(diǎn)位，重復(fù)上述步驟，可得孔內(nèi)不同深度的波形記錄。利用專(zhuān)業(yè)軟件，計(jì)算出不同深度的波速值。

選取具有代表性的鉆孔QZK37的5 ～31 m段的波速測(cè)孔實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。

1.4 原位、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

本次勘察采集2組地表水試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表3。

根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTGC20-2011）附錄表K.0.3確定本場(chǎng)地環(huán)境類(lèi)別為二類(lèi)，根據(jù)附錄K.0.2確定場(chǎng)地地表水具微腐蝕性。

根據(jù)野外鑒別結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)和原位、室內(nèi)試驗(yàn)，確定各巖土層地基承載力基本容許值及其他物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表4。

2 穩(wěn)定性分析

2.1 橋臺(tái)及橋墩穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[4]

擬建兩處橋臺(tái)均位于山體頂部，坡度約30°～45°，上覆土層為稍密狀的碎石土層，下伏巖層為強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，層厚度較小，中風(fēng)化泥巖埋深穩(wěn)定，強(qiáng)度較高，地基基礎(chǔ)條件較好，工程建設(shè)誘發(fā)次生地質(zhì)災(zāi)害可能性較小，橋臺(tái)穩(wěn)定性良好。擬建橋墩均位于山體坡麓地段，坡度較陡，約30°～45°，上覆土層為稍密狀的碎石土層，下伏巖層為砂質(zhì)泥巖，地層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，巖土體工程性質(zhì)較好，樁端持力層埋深穩(wěn)定，強(qiáng)度較高，工程建設(shè)誘發(fā)次生地質(zhì)災(zāi)害可能性較小，橋墩穩(wěn)定性良好。

2.2 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

2.2.1 邊坡小里程位置

利用赤平投影軟件[5]定性分析小里程邊坡穩(wěn)定性，下伏基巖以及邊坡與巖體結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系的赤平極射投影圖[6]如圖7。

由圖7可知巖層傾向與邊坡呈逆向接觸關(guān)系，巖體整體穩(wěn)定性較好，巖層面YC和LX1組合交線(xiàn)傾向和坡面傾向一致，傾角小于坡面角，可能沿交線(xiàn)方向成楔形體滑動(dòng)，對(duì)邊坡穩(wěn)定性可能有影響;其余各結(jié)構(gòu)面組合交線(xiàn)均與坡面大角度相交，屬有利邊坡組合，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較小，整體而言，碎石結(jié)構(gòu)松散，抗沖刷能力弱，但覆蓋厚度較薄，強(qiáng)風(fēng)化泥巖厚度較大，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，碎塊間結(jié)合性良好，屬層狀結(jié)構(gòu)，在削坡階段如有過(guò)大的震動(dòng)，可能造成滑塌、掉塊等不良地質(zhì)現(xiàn)象，總體邊坡穩(wěn)定性良好。

2.2.2 邊坡大里程位置

下伏基巖，以及邊坡與巖體結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系的赤平極射投影如圖9。

由上可知巖層傾向與邊坡呈順向接觸關(guān)系，巖體整體穩(wěn)定性較差，邊坡巖性主要為碎石、強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖和中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，碎塊間結(jié)合很差，屬散體結(jié)構(gòu)，施工擾動(dòng)易產(chǎn)生掉塊和塌落，對(duì)邊坡穩(wěn)定性不利。巖層面 YC 和 LX2 組合交線(xiàn)傾向和坡面傾向一致，傾角小于坡面角，可能沿交線(xiàn)方向成楔形體滑動(dòng)，對(duì)邊坡穩(wěn)定性有一定影響;巖層面 YC 與坡面斜交，傾向相同，交角小于 40°，會(huì)產(chǎn)生淺層滑動(dòng)。整體而言，邊坡穩(wěn)定性一般，建議進(jìn)行定量分析。

利用有限差分軟件FLAC3D[7]對(duì)邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬分析并通過(guò)理正軟件的簡(jiǎn)化Bishop折線(xiàn)法計(jì)算整體安全系數(shù)[8]，在FLAC3D進(jìn)行數(shù)值計(jì)算中采用理想彈塑性模型中的摩爾-庫(kù)倫模型作為此高邊坡土體的本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算和分析。其優(yōu)點(diǎn)在于能夠比較真切地描述土體和巖石發(fā)生的剪切破壞。

由于邊坡巖層節(jié)理面和產(chǎn)狀對(duì)局部穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，根據(jù)赤平投影分析得到最不利的巖土結(jié)構(gòu)面，就此選取可能產(chǎn)生失穩(wěn)的部位建立3D模型，對(duì)邊坡巖性、巖層節(jié)理進(jìn)行數(shù)值模擬，研究土結(jié)構(gòu)在力學(xué)作用下的特性及規(guī)律，各巖土層的物理力學(xué)參數(shù)按上表4選取。最后結(jié)合理正軟件[9]采用簡(jiǎn)化Bishop折線(xiàn)形滑面穩(wěn)定分析法計(jì)算天然條件下巖土混合邊坡的滑動(dòng)系數(shù)，做相應(yīng)的輔助分析，計(jì)算成果如圖10～13。

利用有限差分軟件FLAC3D采用強(qiáng)度折減法[10]進(jìn)行穩(wěn)定性分析，由圖10所示的大里程邊坡安全系數(shù)、剪切應(yīng)變?cè)隽?、速度矢量分布圖可知，前緣的剪切應(yīng)變?cè)隽枯^大，根據(jù)巖體力學(xué)理論可知邊坡最薄弱地帶就是剪切應(yīng)變?cè)隽枯^大區(qū)域，剪切應(yīng)變?cè)隽孔畲?.141 0 × 10-1，即應(yīng)力最大，變形最大處，所以此天然邊坡的潛在滑移區(qū)域主要分布于邊坡前緣，滑移體最大垂直厚度約為0～13 m不等。

又由速度矢量分布圖可以看出邊坡綠色區(qū)域的速度矢量箭頭長(zhǎng)且水平，說(shuō)明此區(qū)域的節(jié)點(diǎn)位移較強(qiáng)烈，高程于1 480～1 564 m之間，整個(gè)天藍(lán)色帶狀以上區(qū)域土體為最危險(xiǎn)滑移體，

且圖12的Z向位移分布圖可看出此部分累計(jì)位移偏大，即滑移面產(chǎn)生于圖中邊坡中下邊緣的彩色區(qū)域。又知得到的整體安全系數(shù)為1.57 > 1.20，在天然條件下邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)計(jì)算完成后的圖11塑性區(qū)[11]分布知，當(dāng)前塑性區(qū)已經(jīng)于邊坡中部邊緣基本完全貫通，但厚度很小。又由勘察成果可知此部分為碎石土和強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，如果降水量達(dá)到一定程度，很容易發(fā)生失穩(wěn)，造成泥石流地質(zhì)災(zāi)害。

由圖13所示的采用極限平衡法的理正軟件計(jì)算出段滑動(dòng)安全系數(shù)為1.364>1.20，和數(shù)值法得出的整體安全系數(shù)相差不大，且從中可看出其淺層滑動(dòng)面和Flac3D計(jì)算結(jié)果圖顯示的剪切帶范圍基本一致，所以整體分析結(jié)果相對(duì)可靠[12]。

3 結(jié)論和建議

1）本次勘察，根據(jù)物探成果結(jié)合鉆孔揭露深度范圍內(nèi)，地層結(jié)構(gòu)自上而下為：①碎石土（Q4dl+pl），②強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖（T1f），③中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖（T1f）。

2）橋址區(qū)屬于侵蝕、剝蝕低中山地貌，橋址區(qū)不良地質(zhì)作用較發(fā)育，附近未見(jiàn)有活動(dòng)斷裂通過(guò)，場(chǎng)地基本穩(wěn)定，較適宜進(jìn)行本工程建設(shè)。

3）根據(jù)鉆孔波速測(cè)試成果分析，得到各巖土層彈性波速度值變化范圍。由鉆孔波速測(cè)試的剪切波速Vs，覆蓋層較厚，一般大于5 m，建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)。由巖體縱波速度Vs，得到個(gè)地層巖石完整性系數(shù)。場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為 6 度，場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度為 0.05g，場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度反應(yīng)譜特征周期值為 0.40 s。橋梁抗震設(shè)防類(lèi)別為 A 類(lèi)。

4）根據(jù)場(chǎng)地地層分布特點(diǎn)和巖土物理力學(xué)性質(zhì)，建議殷家特大橋采用機(jī)械成孔灌注樁基礎(chǔ)，以中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖作為樁端持力層，樁基設(shè)計(jì)參數(shù)可按表4選取。

5）根據(jù)赤平投影圖分析，可知小里程方向高邊坡巖體整體穩(wěn)定性較好。大里程方向巖體整體穩(wěn)定性較差。

6）由極限平衡法和數(shù)值分析法分析，可知邊坡安全系數(shù)為1.4左右，剪切應(yīng)變?cè)隽孔畲?.141 0 × 10-1，此天然邊坡的潛在滑移區(qū)域主要分布于邊坡中前緣，碎塊間結(jié)合性很差，在削坡階段如有過(guò)大的震動(dòng)，容易造成滑塌、掉塊等不良地質(zhì)現(xiàn)象。后期施工中邊坡底部區(qū)域容易失穩(wěn)。開(kāi)挖前應(yīng)在上部進(jìn)行卸荷及防護(hù)然后分級(jí)開(kāi)挖并采取加護(hù)措施，建議采用框架梁+錨桿（索）加護(hù)方案，并建議對(duì)此高邊坡穩(wěn)定性開(kāi)展專(zhuān)題研究。

綜上所述殷家特大橋工程地質(zhì)條件較復(fù)雜，建設(shè)難度相對(duì)較大，但場(chǎng)地條件適宜本工程的施工。大里程高邊坡穩(wěn)定性較好，小里程高邊坡穩(wěn)定性較差，罕遇地震和暴雨情況下，易發(fā)生崩塌、泥石流等不良地質(zhì)災(zāi)害，應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)措施，展開(kāi)專(zhuān)題研究。

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