貴州貴定尖山營特大橋基礎異常升降成因探討

王金淑，吳 光，趙志明，饒 鴻

(西南交通大學地球科學與環境工程學院，四川 成都 611756)

山區高速鐵路的工程問題主要是地基變形不能滿足鐵路正常運營要求而產生的安全隱患。尖山營特大橋作為新建貴陽至廣州高速鐵路線上的一個控制性工點，2008年10月開工建設，2012年8月17日完成橋梁基礎及橋墩施工，2014年12月正式通車。自2010年9月，對橋墩臺進行沉降觀測，結果顯示橋墩存在較大的異常升降。通過兩年的測量觀察發現，大橋墩體在雨季段抬升，且各橋墩抬升量存在較大差異；在少雨或無雨時，橋墩存在差異性沉降。該異常升降現象直接造成鐵路減速通過，影響了鐵路的正常運營。

巖土體的脹縮作用[1]是引起上部結構異常升降的一個主要原因。El-Garhy等[2]用有限元法模擬膨脹土中筏基基礎的動力響應，結果與現場工程測量結果基本一致，證實了膨脹土遇水的動力效應。范臻輝[3]應用樁-膨脹土相互作用的室內物理模型試驗驗證了膨脹土吸水抬升摩擦樁的現象，深化膨脹土的本構模型理論研究。Alonso等[4]研究了某高速鐵路大橋完工后橋基產生的持續異常起伏，分析發現起伏原因是樁底部一定深度處發育的硬石膏層遇水產生了水化反應，石膏晶體生長引起的橋墩起伏。此外，巖體中富存的黃鐵礦和白鐵礦的氧化反應產生硫酸鹽造成膨脹，而硫酸鹽會與巖體中的方解石和水發生化學反應產生二次膨脹[5]。Gennaro等[6]結合野外調查、伸長計監測及地基含水率監測數據分析了膨脹巖體中群樁產生58 mm起伏運動的成因，并認為在較大的上部荷載作用下，風化黏土的膨脹潛力仍可導致地基的向上運動。針對膨脹土地基中樁土相互作用，有學者[7]通過理論推導與數值模擬相結合驗證樁體在膨脹土地基的異常升降情況，與物理模型試驗結果相吻合。

工程中對于地基或橋墩的異常升降研究中以地基的差異沉降或地下水過度開采引起的地面沉降[8-10]為主，而對于基礎整體性的升降現象研究則比較少見。本文針對大橋墩(臺)的異常升降現象，分析造成此現象的可能成因。針對造成異常升降的可能成因進行逐一排查。通過現場橋墩和地下水位監測以及天然音頻大地電法勘探、鉆孔揭露等方法，獲得橋墩(臺)的起伏規律、區域地質構造以及地下水的發育情況，分析地質構造、承壓水是否是造成異常升降的主要原因；結合室內對原狀和壓實地基土體的膨脹性試驗，探究地基巖土體的膨脹特性能否造成橋墩體異常升降，綜合探究橋墩(臺)異常升降的主要成因。

1 橋址區域工程地質背景

尖山營特大橋位于黔南布衣族苗族自治州貴定縣境內，跨越兩條縣道及一條常年有水河溝。在地貌形態上橋位橫跨平緩開闊的溶蝕谷地，屬于巖溶谷地地貌。

橋址區褶皺斷裂發育，褶皺以近SN向向斜為主，斷層以NE-SW和NW-SE向2組共軛扭性斷裂以及在向斜擠壓斷裂帶中走向南北的逆沖斷裂帶為主。如圖1所示，昌明向斜是南北向川黔經向構造體系[11-12]內的一條緊密狀向斜構造。根據現場調繪，區域性虎場正斷層過橋址，斷層破碎帶及影響帶寬100～300 m。向斜軸向與線路方向的夾角約70°，延伸長度大于50 km。據區域地質資料[13-14]及地震安全性評估結論，該斷層不具活動性。

圖1 尖山營特大橋區域工程地質平面圖Fig.1 Engineering geological map near the Jianshanying Bridge

研究區上覆地層為第四紀全新統沖洪積黏土和卵石土，下伏地層主要由二疊系下統茅口組(P1m)的白云質灰巖、硅質巖以及吳家坪組(P2w)的硅質巖、炭質頁巖及泥巖偶夾煤層的復雜巖層組成。硅質巖為火山成因，并伴有生物作用[15]與海相石煤及多層火山黏土巖共生。有研究表明[16]，硅質巖具有硅堿活性，即遇水膨脹特性，說明吳家坪組地層很可能具備一定的膨脹潛勢。

2 研究方法與內容

2.1 現場調繪及鉆探

在橋址右側200 m位置處出露灰白色巖層，質軟有滑膩感，室內試驗依據《土工試驗標準》規范所得的自由膨脹率為82，具備較高的膨脹性。

吳家坪組頁巖、泥巖夾硅質巖、灰巖的組合巖層有明顯的層理構造，由于研究區構造作用強烈，次級背斜褶皺發育；硅質巖和頁巖、泥巖的強度不同，差異風化現象嚴重。虎場正斷層經過橋址區的貴陽端(圖1)，在0#橋臺附近的鉆孔巖芯揭示出斷層破碎帶的壓碎灰巖角礫，證實了斷層構造的存在。18#與19#橋墩中間(鉆孔位置如圖6所示)的KY-6號科研鉆孔，揭示出35～70 m之間被壓裂的灰巖，說明在18#橋墩位置也存在斷層。

將區域地質構造及科研鉆孔、水位觀測孔、橋墩勘探孔等資料相結合繪制出大橋沿線工程地質剖面圖(圖2)，在0#到4#橋墩(臺)區域地層主要是二疊系下統(P1m)白云質灰巖偶夾頁巖、硅質巖，同時處于虎場正斷層影響帶。5#橋墩以后上部卵石層較發育，下伏二疊系吳家坪組硅質巖、炭質頁巖及泥巖偶夾煤層的巖層組合；在18#橋墩位置處發育斷層，考慮是虎場斷層產生時的共軛扭性斷裂構造[9]。結合鉆孔資料，斷層上盤穩定灰巖層埋深較淺，考慮為上盤向上運動，部分吳家坪組地層遭到風化剝蝕。18#～22#橋臺區域主要發育地層：上部為二疊系上統長興組硅質巖、灰巖與砂質頁巖互層；下部為吳家坪組地層。根據現場調繪出露巖層的產狀，確定橋址右側為向斜核部位置。

圖2 尖山營特大橋沿線工程地質剖面圖Fig.2 Engineering geological profile along the Jianshanying Bridge

2.2 沉降和水位監測

為了切實掌握尖山營特大橋的基礎升降情況和分布特征，本研究對大橋的各個橋墩(臺)升降情況展開原位水準測量工作。觀測點分別布置在每個橋墩(臺)對應位置及兩橋墩(臺)之間，且左右對稱，工作基點與水準點共140個。以2012年10月24日作為初始監測時間，設定初始時刻各個橋墩(臺)的豎向位移為0，每隔3～7 d測試1次數據。2013年4月、5月和6月份每個橋墩(臺)的相對位移如圖3所示，正值表示相對沉降，負值表示相對抬升。從2012年10月到2013年4月所有橋墩都產生不同程度的沉降，4—5月期間，各橋墩出現了迅速異常抬升現象。5—6月基本穩定，14#～22#橋墩(臺)依然存在部分抬升現象，表明橋墩的抬升主要發生在4—5月份期間。4—6月份的凈抬升量如圖4所示，0#～4#橋墩臺的凈抬升量在5 mm內，5#～22#橋墩(臺)的凈抬升量超過15 mm，尤其16#橋墩高達28 mm。

圖3 2013年4—6月份各橋墩(臺)相對升降量(初始監測時間2012年10月24日)Fig.3 Relative heave and settlement of each pier(platform)in April,May and June in 2013 (Initial reading began in October,2012)

圖4 2013年5—6月份各橋墩(臺)相對4月份的凈抬升量Fig.4 Net growth of each pier(platform)in May and June,2013 relative to that in April,2013

取16#橋墩自2010年10月—2015年6月的升降監測數據以及對橋址區地下潛水位變化進行監測的數據(圖5)，研究墩體的升降與地下水動態之間的關系，正值代表較初始值沉降，負值代表高出初始監測時的位移量。由圖5可知，橋墩的升降特征存在周期性變化，每年4—7月出現異常抬升，8月之后又異常沉降，升降總量基本在40 mm以內。同時，經過監測對比發現，橋墩沉降變化與周邊地表、基巖標沉降變化一致，表明橋墩沉降從深層到淺層均呈現一致性沉降變化，沉降變化不只是發生在地表淺層，而是從基巖面就已經發生，即橋墩的沉降變化是屬于區域性整體性的升降。

圖5 16#橋墩升降和橋址區水位監測數據圖Fig.5 No.16 bridge pier elevation and water level monitoring data

水位觀測孔深為90.1 m(圖6)，通過對橋址區地下水位為期一年半的記錄，地下水位與橋墩沉降數據對比發現，橋墩的起伏規律與地下潛水位變化基本一致。從變化幅度上來看，水位變化較橋墩略提前一些，表明橋墩的起伏很可能是地下潛水位的變化誘發的。

圖6 水位觀測點及鉆孔、橋墩相對位置平面圖Fig.6 Location of the water level observation point and relative position of borehole and pier

2.3 音頻大地電磁勘探

前述水位監測研究對象是地下潛水位，而對于橋區深部地層及地下水的富存情況還需要進一步的研究。本文采用EH-4電磁測量系統進行天然音頻大地電磁法(AMT)勘探，對尖山營特大橋進行物理勘探。依據《大地電磁測法技術規程(DZ/T0173-1997)》[17]進行測量。如圖7左上圖所示，布設2條物探測線，即在線路左側5.6 m沿線方向WT-1縱測線和與線路大角度相交并沿著溝谷地形的橫測線WT-2，測點點距均為20 m，大地點磁勘探點共115個，物探結果如圖7所示。

圖7 天然音頻大地電磁法(AMT)物探結果Fig.7 Test results of AMT

在圖7右上圖中，里程(DK72)+600處測線斷面圖有明顯的高低阻分界線，在分界線附近等值線變化劇烈，呈現近直立向下的走勢，結合區域構造地質資料，推斷此處為斷層；在+1 000 m歷程位置電阻率極低，原因是此處常年有水河流經過。根據電阻率斷面和鉆孔資料綜合分析，電阻率值從地表向深部逐漸變高，上部低阻區對應地表第四紀覆蓋黏土、斷層角礫、頁巖、硅質巖夾炭質頁巖等地層巖性；中下部中阻—高阻區域對應灰巖偶夾硅質巖等地層巖性。在地下900 m高程位置出現1個基本穩定的高低阻分界線，推測為地下水的底界面，從900 m向上中阻(相對低阻)區為地下水賦存位置。小于900 m高程的地下層中未發現穩定的低阻區，推斷無連續承壓含水層位。另外，該區地處斷層褶皺共生地帶，深部地層中與潛水貫通的基巖裂隙水較發育。地下水受降水與地表溝水補給，通過孔隙、巖溶裂隙徑流。結合鉆孔資料，巖體破碎軟弱，且在鉆孔取芯過程中未見持續上升水位現象。同時，野外調查發現的巖溶泉水，均屬于下降泉。綜上所述，研究區無承壓水富存，因此承壓水影響不到橋基礎的升降。

2.4 室內試驗

2.4.1自由膨脹率

為了探究橋址區不同深處地層巖土體的膨脹特性，對野外16#橋墩附近進行鉆孔取樣，鉆孔取樣點位置如圖6所示。選取每個鉆孔巖芯不同深度進行自由膨脹率試驗，共完成了115個試驗工作，試驗結果如圖8所示，不同深度的巖土體自由膨脹率分布比較離散。

圖8 不同深度處巖體的自由膨脹率Fig.8 Free expansion rate of rock mass at different depths

每個鉆孔中自由膨脹率取值最大及其對應深度統計如表1所示，最大值為80，位于KY-8號鉆孔的41～45 m深度處。

表1 各孔最大自由膨脹率匯總表Table 1 Summary of the maximum free expansion rate of each hole

數據分析可知，測區巖體的自由膨脹率呈正態分布(圖9)，概率最大的自由膨脹率為42。工程中保守起見，根據現有關于膨脹巖膨脹程度研究[18-19]，橋址區巖體屬于強膨脹性軟巖。

圖9 自由膨脹率統計分布直方圖Fig.9 Statistical distribution histogram of free expansion rate

2.4.2有荷載變形試驗

選取較完整的鉆孔巖芯，在機床上獲得直徑5.2 cm、高6.178 cm的標準試樣(圖10)，在自行研制的PZY-1型膨脹儀[20]上進行有荷載試驗。試樣圍壓由周圍水壓力提供，水不僅提供了圍壓，而且可允許巖體吸收；試樣軸向壓力由氣壓作用在活塞上，傳遞給試樣而實現。試樣在圍壓和軸向壓力共同作用下吸水膨脹(圖11)，推動頂部活塞運動，活塞的上升量即試樣的軸向膨脹量，活塞運動由千分表示數表征。

先對有試樣的裝置在一定軸壓下抽真空17 h之后，再施加軸壓和圍壓到一定值(圖11)，原狀巖芯試樣受到軸向壓應力為1.05 MPa，徑向圍壓0.375 MPa。其膨脹應變隨著試樣吸水逐漸增大。10 h時出現1個應變趨于穩定的平臺，這可能與膨脹土體的吸水膨脹機理有關。此后再次呈現增大情況，最終50 h后基本趨于穩定，試驗最終的膨脹應變達到0.35%。這說明原狀巖層具有膨脹性。

圖10 原狀鉆孔巖芯的標準試樣Fig.10 Standard sample of the undisturbed core

圖11 原狀試樣的膨脹應變-時間關系曲線Fig.11 Change in the expansion strain with time

2.4.3平衡膨脹力試驗

選取擾動的膨脹巖體，配置含水率分別3.14%,5.10%,13.0%,19.2%及25.1%的5組土體，分別制取φ61.8 mm、高20 mm的標準試樣，每組含水率包含至少9個干密度為1.3～1.75g/cm3的標準試樣。在常規固結儀上進行平衡膨脹力試驗，限制試樣遇水后的體積膨脹，獲得了不同含水率、不同干密度條件下對應的平衡膨脹力(圖12)。膨脹力與試樣的干密度呈指數函數關系，擬合函數如下：

Pe=a·exp(b·ρd)

(1)

式中：Pe——膨脹力；

ρd——試樣的干密度；

a，b——擬合參數，與初始含水率有關。

圖12 平衡膨脹力與含水率、干密度關系Fig.12 Relationship between the equilibrium expansion force and dry density with different moisture contents

不同初始含水率的擬合參數列于表2中。室內試驗獲得原狀巖石的干密度為2.15 g/cm3，則依據現有試驗規律，預測當干密度為2.15 g/cm3時，對應不同初始含水率的平衡膨脹力如表2所示，初始含水率最大時(25.1%)，膨脹力預估值最小，依然可達到3.39 MPa。膨脹力預測值在3～59 MPa之間，根據設計資料，上部結構荷載在1.38～13.5 MPa之間。巖體的膨脹力大于上部結構的重力載荷，地基巖土體的膨脹特性能夠使上部結構產生差異抬升現象。

表2 擬合參數及巖體膨脹力預測匯總表Table 2 Summary of the fitting parameters and the prediction of rock expansion force

3 研究結果與分析

根據橋墩(臺)的監測數據和水位監測結果，對比發現橋墩的異常升降與地下水位的變化一致。尖山營特大橋異常升降具有雨季異常抬升、旱季沉降的規律，說明橋墩基礎的異常升降與地下潛水位變化存在直接關系。

通過現有橋址區區域地質構造資料，判斷構造作用是否影響橋墩(臺)的異常升降。調查發現橋址區位于揚子地臺，構造活動較為穩定，不符合每年多雨季抬升、無雨季節橋墩(臺)沉降的規律性活動。因此排除地質構造引發異常升降的這一因素。

根據天然音頻大地電磁法勘探及鉆孔過程中地下水的活動情況，判斷測區是否有承壓水，及多雨時承壓水獲得補給引起橋墩的抬升這一推測的正確性。結果表明，研究區內巖性破碎，巖溶發育。地處斷層褶皺共生地帶，深部地層中與潛水貫通的基巖裂隙水較發育，未發現深部穩定承壓水層。故對于承壓水在多雨季節獲得補給而使得橋墩及區域地層抬升的推測并不成立。

對橋址區地下巖土體進行相關膨脹性試驗，判斷地基巖土體的膨脹特性是否是引發橋墩(臺)升降的主要原因。結果發現KY-8孔的地下41～45 m深度處，自由膨脹率達80%，屬于中等—強膨脹土，強膨脹性軟巖類別。

采取原狀膨脹巖土樣在1.05 MPa的軸壓作用下吸水，仍然存在0.35%的膨脹應變。按照這一膨脹應變來看，假設穩定水位以上的巖層(130 m左右)均具有此膨脹應變，且保守估計呈線性[21]變化，則抬升量將達到45.5 mm，存在造成橋墩最大38 mm抬升量的可能性。

基于不同初始含水率、干密度的壓實膨脹土的平衡膨脹性試驗規律，預測地基巖土體的膨脹力。結果發現膨脹力估計值在3～59 MPa之間，上部總荷載1.38～13.5 MPa，向上的膨脹力大于上部結構重力載荷，說明膨脹巖的吸水膨脹作用造成橋墩抬升的可能性是存在的。

從巖土體膨脹角度分析橋墩(臺)的升降異常問題。結合各橋墩(臺)的監測數據(圖4)和沿線地層剖面圖(圖2)，對比得出，橋墩在0#～4#橋墩(臺)升降作用不明顯，主要原因是下伏白云質灰巖偶夾膨脹性硅質巖地層，同時處在斷層的影響范圍內，巖石膨脹潛勢較小；5#橋墩較4#有明顯抬升，主要是從5#橋墩開始，下伏吳家坪組膨脹性巖層發育；而5#～17#橋墩產生差異性升降現象，這主要受上覆卵石層厚度不同影響，在不同的上部荷載作用下，膨脹變形量不同。卵石層越厚，作用在下伏巖體上的荷載越大，膨脹巖吸水造成的膨脹變形也越小。在16#橋墩的上部荷載最小，膨脹巖層最厚，因此產生最大的升降量。監測數據表明18#橋墩位置升降量明顯減小，這主要由于此處斷層發育，巖土體受到擾動，膨脹變形部分釋放，地表測量表現為變形量較小的緣故。同理，18#之后各橋墩(臺)的升降受到不同程度的影響。

綜上分析，從膨脹巖和斷層構造影響的角度解釋橋墩(臺)的異常抬升和差異性升降問題是合理的。膨脹巖是基礎，潛水位升高是條件，二者結合使巖土體吸水膨脹至飽和、過飽和，從而造成上部結構的異常抬升，反之，巖土體失水收縮引發橋墩的異常沉降問題。因此，推測橋墩(臺)的異常升降的主要因素考慮由地下二疊系吳家坪組、長興組地層的吸水膨脹引起。

4 結論與建議

(1)橋墩基礎的異常升降與地下潛水位變化存在直接關系。

(2)膨脹巖體地層分界造成5#橋墩升降量較4#劇增；發育的斷層使得17#橋墩升降量較16#減小。膨脹巖土體和斷層構造解釋了橋墩墩體的差異沉降現象。

(3)現場調繪及物探結果表明研究區區域構造活動穩定，且測區內無穩定承壓水層，排除了其造成橋墩異常升降的可能原因。

(4)室內關于原狀膨脹巖體和壓實擾動土的膨脹性試驗表明，吳家坪組地層具有較強的吸水膨脹特性，且存在使得上部結構抬升38 mm的可能性。

綜上所述，引起橋墩異常升降的原因是膨脹巖與地下水物理化學反應帶動上部結構抬升和沉降引起的。對于膨脹巖的脹縮特性引起基礎異常升降的定量分析及膨脹巖土地基與橋墩體的升降相互作用機理還有待深入研究。這一工程案例可為后續類似工程提供一定參考。

致謝：感謝中國中鐵二院工程集團有限公司提供資金及技術支持。