以厚強(qiáng)風(fēng)化層作某高架橋地基持力層可靠性的探討

王子紅 王 勇

（貴州省建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 貴州貴陽(yáng) 550081）

引言

地質(zhì)勘察工作是開(kāi)展設(shè)計(jì)施工工作的先決條件，它能夠讓設(shè)計(jì)施工人員及時(shí)了解與掌握施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件，查明施工過(guò)程中影響地質(zhì)的不良因素，對(duì)出現(xiàn)的因素，制定相應(yīng)的解決措施，以便保障建筑工程的施工過(guò)程得以順利進(jìn)行。對(duì)于某些強(qiáng)風(fēng)化層較厚的工程項(xiàng)目，為充分發(fā)揮地基潛力，考慮強(qiáng)風(fēng)化層作為基礎(chǔ)持力層的可能性，就必須通過(guò)勘察手段進(jìn)行嚴(yán)格、充分的論證。

1 工程概況

某工程項(xiàng)目屬于市區(qū)“三環(huán)十六射”骨干路網(wǎng)系統(tǒng)中的重要線路組成部分，對(duì)于實(shí)現(xiàn)中心城區(qū)、片區(qū)之間便捷聯(lián)系起到了至關(guān)重要的作用。

該道路規(guī)劃紅線寬度30～40m，采用機(jī)動(dòng)車(chē)雙向六車(chē)道規(guī)模，兩側(cè)布置人行道。全線共設(shè)置立交4座、橋梁7座（含立交主線橋）、隧道3座，人行天橋3座，掉頭匝道1座，涵洞22道（路線12道，立交10道）。

其中，擬建的1#高架橋分雙幅橋設(shè)計(jì)，全長(zhǎng)270.96m。橋梁結(jié)構(gòu)物荷載：城-A 級(jí)，設(shè)計(jì)速度，城市快速路：60km/h。主橋左右幅：（3×30）+（3×30）+（3×30）m簡(jiǎn)支變連續(xù)小箱梁。橋面起點(diǎn)高程為1106.8m，訖點(diǎn)高程為1119.8m，基礎(chǔ)埋深為2.5倍樁徑，橋梁下部結(jié)構(gòu)綜合考慮場(chǎng)區(qū)地質(zhì)情況、地方建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和施工條件等因素，擬采用人工挖孔樁基礎(chǔ)或擴(kuò)大基礎(chǔ)。

2 工程地質(zhì)條件

通過(guò)地質(zhì)地表調(diào)查以及鉆探取樣，初步了解了本項(xiàng)目的地質(zhì)構(gòu)造以及巖土工程特性，后輔以SSP山地技術(shù)進(jìn)一步驗(yàn)證了該復(fù)雜地形的工程地質(zhì)條件，得到以下勘察結(jié)果。

2.1 地質(zhì)構(gòu)造

擬建的高架橋位于地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜地帶。下伏基巖為泥盆系碳酸鹽巖和粉砂巖系；場(chǎng)區(qū)地層產(chǎn)狀為傾向 220°～240°，傾角 26°～35°。受向斜構(gòu)造及斷層影響，巖層節(jié)理較發(fā)育，泥質(zhì)等充填，巖體較破碎。主要發(fā)育的兩組節(jié)理面產(chǎn)狀為：110°∠60°，密度 2～5 條/m；250°∠35°，密度 3～6 條/m。

2.2 巖土工程特征

為了能較準(zhǔn)確的了解場(chǎng)地覆蓋層厚度及巖土工程類(lèi)別、巖溶發(fā)育位置及規(guī)模，分布和延伸情況，采用鉆探、結(jié)合高密度電法勘探和SSP山地地震勘探作為本次勘察的主要手段，并結(jié)合對(duì)鉆探孔進(jìn)行聲波測(cè)試、室內(nèi)試驗(yàn)，綜合判斷巖土的工程特性。覆蓋層與基巖工程特性如下：

素填土：雜色，上部0～6m結(jié)構(gòu)松散，中、下部為稍密至中密，由塊石（以灰?guī)r塊石為主，粒徑0.2～2m）、碎石、粘土夾少量建筑垃圾（碎磚、混凝土塊、灰渣）及生活垃圾構(gòu)成，堆填時(shí)間約10年左右，厚度大并變化大（2～24m）。力學(xué)性質(zhì)差，易垮塌。

粘土：黃褐色、灰色，土質(zhì)不均，含角礫等，濕，可塑狀。厚度：0～2m。分布局限，力學(xué)性質(zhì)差。

碎石土：黃褐色，由碎石（含量約45%）、塊石（含量約35%）、粉土等組成，塊、碎母巖為石英砂巖，巖質(zhì)極硬，結(jié)構(gòu)松散，易垮塌。厚度：0～3.5m，力學(xué)性質(zhì)較差。

強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖：灰黃色、淺灰，薄至中厚層狀，局部為石英砂巖或泥灰?guī)r，節(jié)理、隱裂隙、裂隙發(fā)育，巖體極破碎，巖芯呈碎塊狀、砂土狀。巖石強(qiáng)度受裂隙影響大，裂隙發(fā)育、強(qiáng)度低；巖石軟，結(jié)構(gòu)松散，力學(xué)性差。RQD值0%。巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)，厚約7m。

中風(fēng)化粉砂巖：灰黃色、深灰、灰綠色，薄～中厚層狀，粉砂巖是構(gòu)成場(chǎng)地基巖的主要主組成部分，局部為石英砂巖或泥灰?guī)r，偶夾泥質(zhì)粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖，巖芯呈砂狀、少量角礫狀、碎石狀等，RQD值0%，巖體波速試驗(yàn)平均波速為3303m/s巖體的縱波速測(cè)試最高值4728m/s作為完整巖塊的波速代表值，完整性指數(shù)0.48，巖體較破碎，巖石飽和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為15.8MPa，巖石力學(xué)強(qiáng)度較高，屬較軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)。

3 勘察方案和手段

為查明場(chǎng)地工程地質(zhì)問(wèn)題，本次勘察工作以鉆探為主，輔以SSP山地地震技術(shù)和巖石地基靜載試驗(yàn)等方法，多方面、多角度進(jìn)行了系統(tǒng)論證，同時(shí)結(jié)合周邊已建工程的施工經(jīng)驗(yàn)，綜合分析研究橋梁工程地質(zhì)條件。

3.1 地表地質(zhì)調(diào)查

通過(guò)工程地質(zhì)測(cè)繪（1：1000），了解橋址區(qū)的地形、地貌特點(diǎn)、構(gòu)造概況、地層分布及特征、巖層產(chǎn)狀、巖溶、水文地質(zhì)情況、不良地質(zhì)作用及當(dāng)?shù)亟ㄖ?jīng)驗(yàn)，為勘察施工提供指導(dǎo)依據(jù)，調(diào)查工作量0.2km2。

通過(guò)水文地質(zhì)測(cè)繪（1：1000），了解橋址區(qū)內(nèi)地下水類(lèi)型、地下水位、主要含水層和隔水層的分布，特別是巖溶區(qū)的地表水體、泉（井）點(diǎn)的分布特征，調(diào)查工作量約0.2km2。

3.2 鉆探及取樣

本次勘察鉆探土層采用無(wú)水沖擊取芯鉆進(jìn)，巖層采用清水金剛石回轉(zhuǎn)取芯鉆進(jìn)工藝進(jìn)行。結(jié)合場(chǎng)地工程環(huán)境條件、擬建工程特點(diǎn)及規(guī)范要求，左右幅0#橋臺(tái)、10#橋臺(tái)布置鉆孔28個(gè)（7個(gè)/墩），左右幅1#墩～12#橋墩布置鉆孔64個(gè)（4個(gè)/墩），共布置鉆孔92個(gè)。鉆孔深度根據(jù)設(shè)計(jì)要求以鉆至完整基巖下15.00m為準(zhǔn)，單孔深度為22.8～39.7m不等。詳勘取巖樣10件，做飽和抗壓試驗(yàn)和巖塊聲波測(cè)試。

3.3 SSP山地地震物探

SSP山地地震技術(shù)是為地形地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)和水中地震勘探而設(shè)計(jì)的。該方法支持地震散射、反射、折射、面波、CT等地震采集。SSP散射地震剖面是一種新地震數(shù)據(jù)處理技術(shù)，適用于復(fù)雜地形與地質(zhì)條件下地震勘探資料處理，研究地層、斷裂構(gòu)造、采空區(qū)、巖溶、孤石、軟弱結(jié)構(gòu)面等精細(xì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)。山地可用拖曳式檢波器串，免插，適合山區(qū)巖土條件，施工快捷。

以層狀模型為基礎(chǔ)的反射地震技術(shù)難以適應(yīng)山區(qū)等復(fù)雜的地質(zhì)地形條件，SSP技術(shù)作為反射地震的升級(jí)版，它是以非均勻地質(zhì)模型為基礎(chǔ)，以地震散射理論為指導(dǎo)，兼容處理散射波與反射波，重建地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖像與波速分布圖像。與傳統(tǒng)的反射地震技術(shù)相比其分辨率提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。傳統(tǒng)的反射地震數(shù)據(jù)處理技術(shù)最求的目標(biāo)是時(shí)域偏移圖像，主要反映地質(zhì)界面形態(tài)特征，而SSP技術(shù)的處理目標(biāo)除了地質(zhì)界面形態(tài)圖像之外，還包括地層的波速分布圖像，而后者對(duì)于工程目的來(lái)說(shuō)往往更為重要。特別是對(duì)于斷裂構(gòu)造、破碎帶、松散層、采空區(qū)、巖溶的勘查，都與低速異常有關(guān)。

SSP山地地震技術(shù)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果體現(xiàn)在波速分布圖像和地質(zhì)界面偏移圖像中。前者主要反應(yīng)地質(zhì)介質(zhì)的力學(xué)性狀的分布，即彈性模量高低、密實(shí)性、完整性等介質(zhì)的力學(xué)性狀；后者主要反應(yīng)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的形態(tài)特征，包括界面空間展布、產(chǎn)狀及界面兩側(cè)波阻抗的變化的特征。在地質(zhì)工程研究中兩者都十分重要。地層的劃分、構(gòu)造變性特征的分析主要依靠地質(zhì)界面圖像提供的信息，介質(zhì)的力學(xué)強(qiáng)度、破碎程度、穩(wěn)定性等評(píng)價(jià)主要依靠波速圖的信息。特別是對(duì)于采空區(qū)的勘查、工程地質(zhì)病害診斷、邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)等項(xiàng)目中，勘查的目標(biāo)是尋找低速異常的位置，波速圖像更為有效。

綜上所述，SSP技術(shù)具有分辨率高、圖像直觀、可靠性好的特點(diǎn)，適合復(fù)雜地質(zhì)地形條件下的精細(xì)地質(zhì)勘查。

4 巖石地基荷載試驗(yàn)

據(jù)工程地質(zhì)條件勘察結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)剖面，試驗(yàn)場(chǎng)地上覆土層為素填土、黏土、碎石土、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖、中風(fēng)化粉砂巖。由于強(qiáng)風(fēng)化層較厚，為充分發(fā)揮地基潛力，考慮強(qiáng)風(fēng)化層作為基礎(chǔ)持力層的可能性，基于此對(duì)場(chǎng)地強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化巖石進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)原位靜載荷試驗(yàn)。

4.1 靜載試驗(yàn)方法

（1）試驗(yàn)選用直徑為30cm的圓形剛性承壓板進(jìn)行試驗(yàn)。

（2）測(cè)量系統(tǒng)的初始穩(wěn)定讀數(shù)觀測(cè)：加壓前，每隔10min讀數(shù)一次，連續(xù)3次不變時(shí)開(kāi)始試驗(yàn)。

（3）加載方式：采用分級(jí)維持荷載、沉降相對(duì)穩(wěn)定法單循環(huán)加載，荷載逐級(jí)遞增直至破壞。

（4）荷載分級(jí)：按預(yù)估設(shè)計(jì)荷載的1/12，逐級(jí)遞增，至壓力無(wú)法繼續(xù)向上施加時(shí)終止加載。

（5）沉降量測(cè)讀：加載后按每間隔10min測(cè)讀一次沉降量。

（6）穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)連續(xù)三次讀數(shù)之差均不大于0.01mm時(shí)，則認(rèn)為已趨穩(wěn)定，可加下一級(jí)荷載。

（7）終止加載條件：當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)即可終止加載：①在某一級(jí)荷載下，24h內(nèi)沉降速率有增大的趨勢(shì)。②壓力加不上或勉強(qiáng)加上而不能保持穩(wěn)定。③若限于加載能力，荷載也應(yīng)加到不少于設(shè)計(jì)要求的兩倍。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在強(qiáng)風(fēng)化基巖和中風(fēng)化基巖各選取三個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，分別為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)。

（1）強(qiáng)風(fēng)化基巖

有機(jī)溶劑的相對(duì)分子質(zhì)量、揮發(fā)度、組分種類(lèi)、操作溫度、氣體進(jìn)口濃度以及氣速都會(huì)對(duì)活性炭的吸附容量產(chǎn)生影響。

1號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)加載至5000kPa后，由于本級(jí)荷載的沉降量大于前級(jí)荷載沉降量的5倍試驗(yàn)終止。取終止加載的前一級(jí)荷載為極限荷載，即極限荷載為4643kPa，比例荷載為4643kPa。取極限荷載的1/3為該試驗(yàn)點(diǎn)承載力特征值。即1548kPa。

2號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)加載至4715kPa后，限于加載能力而終止試驗(yàn)。取前一級(jí)荷載為極限荷載，即極限荷載≥4715kPa，比例荷載≥4715kPa。取極限荷載的1/3為該試驗(yàn)點(diǎn)承載力特征值。即≥1572kPa。

3號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)加載至4950kPa，由于本級(jí)荷載的沉降量大于前級(jí)荷載沉降量的5倍試驗(yàn)終止。取終止加載的前一級(jí)荷載為極限荷載，即極限荷載為4500kPa，比例荷載為4500kPa，取極限荷載的1/3為該試驗(yàn)點(diǎn)承載力特征值。即1500kPa。

（2）中風(fēng)化基巖

4號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)加載至6550kPa后，由于本級(jí)荷載的沉降量大于前級(jí)荷載沉降量的5倍試驗(yàn)終止。取終止加載的前一級(jí)荷載為極限荷載，即極限荷載為5600kPa，比例荷載為1870kPa。取極限荷載的1/3為該試驗(yàn)點(diǎn)承載力特征值。即1867kPa。

5號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)加載至6000kPa后，限于加載能力而終止試驗(yàn)。取前一級(jí)荷載為極限荷載，即極限荷載≥5550kPa，比例荷載≥1900kPa。取極限荷載的1/3為該試驗(yàn)點(diǎn)承載力特征值。即≥1850kPa。

6號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)加載至7000kPa，由于本級(jí)荷載的沉降量大于前級(jí)荷載沉降量的5倍試驗(yàn)終止。取終止加載的前一級(jí)荷載為極限荷載，即極限荷載為5700kPa，比例荷載為2000kPa，取極限荷載的1/3為該試驗(yàn)點(diǎn)承載力特征值。即1900kPa。

經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，各測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)，強(qiáng)風(fēng)化巖石地基承載力特征值為1500～1572kPa，變形模量為65.4～89.0MPa。中風(fēng)化巖石地基承載力特征值取1850～1900kPa。

表1 某1#高架橋巖石地基載荷試驗(yàn)成果表

強(qiáng)風(fēng)化巖石地基承載力特征值取1500kPa，變形模量為65.4～89.0MPa；中風(fēng)化巖石地基承載力特征值取1850kPa。由于強(qiáng)風(fēng)化與中風(fēng)化承載力特征值差異不大，且強(qiáng)風(fēng)化層承載能力及變形要求均滿足大橋設(shè)計(jì)要求，建議采用強(qiáng)風(fēng)化層作為橋基持力層。

試驗(yàn)結(jié)果是在特定的層位及其原有的狀態(tài)、結(jié)構(gòu)條件下做出的，若條件相同，可采用本次試驗(yàn)所提的承載力特征值。若條件不同，應(yīng)由勘察、設(shè)計(jì)人員結(jié)合巖層的風(fēng)化程度及其它地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征。綜合評(píng)價(jià)地基承載力特征值。

5 小結(jié)

（1）基于鉆探、孔內(nèi)聲波測(cè)試、室內(nèi)試驗(yàn)、高密度電法物探、地表地質(zhì)調(diào)查、SSP山地地震物探等多方法、多手段分別從點(diǎn)、線、面探明了橫向及縱向的地質(zhì)構(gòu)成及空間分布，尤其是采用SSP山地地震技術(shù)從面上查清了強(qiáng)風(fēng)化層厚度，為選擇強(qiáng)風(fēng)化層作為地基持力層提供了有力支撐。

（2）SSP山地地震技術(shù)具有分辨率高、圖像直觀、可靠性好的特點(diǎn)，適合復(fù)雜地質(zhì)地形條件下的精細(xì)地質(zhì)勘查。

（3）通過(guò)綜合手段勘察特別是原位載荷試驗(yàn)結(jié)果，強(qiáng)風(fēng)化巖石地基承載力特征值取1500kPa（比同類(lèi)地層工程經(jīng)驗(yàn)值800kPa大大提高），變形模量為65.4～89.0MPa，承載能力及變形要求均滿足大橋設(shè)計(jì)要求，且厚度大，可作大橋基礎(chǔ)持力層。

（4）中風(fēng)化與強(qiáng)風(fēng)化相比承載力提高不大，且經(jīng)高密度電法、特別是省內(nèi)率先采用的SSP山地地震技術(shù)物探發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)風(fēng)化層普遍厚7m，其強(qiáng)度和變形均滿足大橋基礎(chǔ)對(duì)持力層的要求。如采用中風(fēng)化層作地基持力層，基礎(chǔ)斷面并沒(méi)有有效減少，且基礎(chǔ)深度均普遍增加了7m。比選后遂決定科學(xué)、大膽地采用強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖（局部泥灰?guī)r或石英砂巖）為橋基持力層，與常規(guī)采用的下伏中風(fēng)化巖層作持力層相比大大地節(jié)省了基礎(chǔ)造價(jià)和工期。

[1]《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021-2001）（2009年版）[S].2009.

[2]《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007-2011）[S].2011.

[3]屈智炯.土的塑性力學(xué)[M].科學(xué)出版社，2011.

[4]李廣信，主編.高等土力學(xué)[M].清華大學(xué)出版社，2004.

[5]閻 瑞.探究巖土工程勘察的常見(jiàn)問(wèn)題及解決策略[J].建筑知識(shí).2017（15）.

[6]閻世信，等編著.山地地球物理勘探技術(shù)[M].石油工業(yè)出版社，2000.