巖溶角礫巖成因及工程影響研究

張文勇,李 陽

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽市 550081)

0 引言

貴州是一個以高原、山地為主的省份。獨特的地形地貌大部分是巖溶作用造成的,少數由剝蝕作用形成。河流侵蝕切割及巖溶綜合作用形成了眾多險峻的峽谷,山川秀美的同時,也給貴州蒙上了寸步難行的陰影。近年來,國民經濟飛速發展,西部落后省份的貴州也鼓足后發趕超的勇氣,大力發展交通,大量世界級橋梁如雨后春筍般在黔貴大地上拔地而起,被冠以“世界橋梁博物館”的美名。

文章以貴州省內某一深切峽谷橋梁為例,闡述橋梁勘察設計遇特殊地質情況時的勘察手段,以及通過對該地質現象的研究分析,給橋梁順利建設提供了可靠的基礎資料,為其他同地質時期類似的工程建設提供參考。

1 工程概況

在建的貴州某高速公路特大橋全長1448.5m,上部結構為410m鋼管混凝土拱橋,橋梁橋面寬度為33m,為雙向六車道高速公路。橋位橫跨一河流,該河谷為典型的“V”形谷,底寬約40～70m。橋軸線地面高程在953.4～649.6m之間,相對高差303.8m。

場區位于揚子準臺地黔北臺隆遵義斷拱畢節北東向構造變形區。根據地質調查,橋區中部有一區域向斜經過,該向斜軸呈近南北走向,受該向斜構造的影響,局部繞曲較嚴重,軸部地表地層巖性為三疊系中統松子坎組泥巖、泥質白云巖、白云質灰巖,兩翼為茅草鋪組白云質灰巖、灰巖及巖溶角礫巖,橋區巖性組合復雜,詳見圖1。

圖1 某在建高速橋梁工程地質縱斷面圖

該特大橋小里程岸拱座基底含有大量破碎巖體,結合胡廣成等[1]對黔北松坎地區三疊系下統茅草鋪組地層巖性成因研究資料,按沉積學特征和古生物學特征將茅草鋪組從下至上劃分為5段,第4段成巖環境屬于局限臺地和潮坪沉積環境,第5段屬于蒸發潮坪環境,均為薄～中厚層白云巖沉積且含有角礫巖。

結合區域地質資料[2],輔以大量勘察手段論證研究(鉆探取芯、槽探、鉆孔電視、物探)分析表明:該部分破碎巖體為原巖破裂溶蝕后垮塌,后又經反復巖溶、壓實、膠結等作用形成。

2 巖溶角礫巖的巖性特征及成因

2.1 巖性特征

從該區域仁懷—茅臺剖面及遵義高橋坡面均可發現該角礫巖在本區茅草鋪組頂部有大量分布,其總厚度最大可達幾十米,大小混雜堆積。角礫粒徑大小不等,一般為幾毫米到幾十厘米不等,最大可達數米,無任何分選性。角礫的形狀各異,呈棱角狀至尖棱狀,主要取決于源巖構造特點,角礫多為淺紫紅色泥晶白云巖或淺褐灰色含灰白云巖。這類角礫巖的上部多為白云巖,主要是原巖破裂溶蝕后垮塌形成的。茅草鋪組第4段上部為巖溶角礫巖,第5段中部發育巖溶角礫巖[3]。

參考同期嘉陵江組地層中的某電站巖溶角礫巖的研究[4]。本橋巖溶角礫巖在向斜兩翼均有出露,巖層底面多平整規則,頂面則因坍塌程度不一而高低不平;顏色較雜,角礫毫無分選,礫級差別極為懸殊;角礫成分多與上覆巖層一致,巖石為角礫支撐,經歷多次成巖,多期、多成分膠結形成,鈣質、泥質或鈣泥質膠結,部分無膠結,半成巖或未成巖,性狀差別較大,巖溶角礫巖在近地表風化后多呈松散的碎石土(無膠結);在地下一定深度受巖溶地下水的長期浸泡、溶蝕、固結成巖作用,具有一定的強度(弱膠結或半膠結),局部深層形成石膏層透鏡體。

2.2 巖性成因

角礫巖的發現雖然很早,但長期以來對其認識存在局限,巖溶角礫巖一直被誤認為是正常沉積的或其它成因的角礫巖,張瑞錫等[5]根據成因將三疊系碳酸鹽巖層中的溶解角礫巖劃分為巖溶角礫巖和鹽溶角礫巖。碳酸鹽巖溶解崩塌所形成的角礫巖稱之為“巖溶角礫巖”,因蒸發鹽巖溶解崩塌而成的角礫巖稱之為“鹽溶角礫巖”。

在三疊紀,黔中至黔北一帶處于巨型的楊子淺海碳酸鹽巖臺地西南端,水深數米至百余米,是地球上連續出露在地表的最長、最宏偉的三疊紀“淺海-次深海過渡帶”,且為全球保存最系統全面的三疊紀海陸變遷遺跡景觀。在該地質時期,貴州省的碳酸鹽巖臺地曾7次升出海面,每次升出海面均使臺地內部-臺地前緣內側的陸地遭受地表風化侵蝕,使之發育形成了不同類型(渣狀、板狀、角礫狀)的地表鈣質風化殼(鈣結殼/鈣結礫巖)或地表侵蝕面,臺地前緣外側成為特大高潮、風暴潮均可侵蝕的海岸帶,在此帶常有喀斯特裂隙沉積形成的喀斯特角礫巖[6],這一點與該時期揚子地臺氣候溫暖、空氣潮濕、地表水及地下水循環活躍有關,以致巖溶角礫巖在此帶常有發育。

在茅草鋪組沉積期,海平面總體呈下降趨勢,但升降依然頻繁,形成了3個較大的海侵海退旋回[7]。這套主要成分為白云質的沉積物沉積之后曾經歷過暴露剝蝕,在其上段產生多種形態的巖溶地貌和巖溶堆積角礫巖。由于近地表海水時進時退,其成巖環境反復發生變化。早期成巖環境為蒸發作用強烈的海水環境,發生準同生云化作用。其間還常處于淺埋成巖環境,發生壓實、壓溶和膠結作用。當進入大氣淡水成巖環境,早期形成選擇溶解作用,部分膠結作用、去膏化、去云化作用,晚期表生淡水成巖環境則發生大規模的巖溶作用[8],形成了較大規模的巖溶角礫巖。

綜合分析認為,茅草鋪沉積期,臺地內部-臺地前緣發育形成的地表鈣質風化殼或地表侵蝕面,在晚期表生淡水成巖環境作用下發生大規模的巖溶作用,發育形成了具有明顯的低水位期沉積特征的巖溶角礫巖,主要由低水位期重力滑塌角礫巖、鈣屑濁積巖、垮塌角礫巖經反復溶解、膠結構成,為碳酸鹽巖在地表或近地表次生作用的產物,總體多呈不規則扁透鏡狀或似層狀間斷分布。

3 工程實例分析

3.1 勘察過程及成果

文章所研究的地層出露位置位于大橋小里程岸拱座位置及其后緣,通過地質調繪及一些常規的勘察手段(圖2)分析類比,查明了拱座處分布有大量巖溶角礫巖,角礫成分為白云巖及白云質灰巖碎石,粒徑大小不一,其分選差,巖質軟硬不均。根據角礫含量及膠結成分不同,劃分為泥質膠結及鈣質膠結角礫巖。泥質膠結角礫巖由于泥質含量重,其巖質極軟,遇水易軟化崩解,承載力極低,不能作基礎持力層,施工開挖后要對其進行更詳細的分析,評估泥質膠結角礫巖的含量,以此來細化設計。

圖2 現場物探、鉆探、槽探、取樣試驗照片

由于巖溶角礫巖性質差異性大,鉆探取芯對巖石形成擾動,充填物被鉆探循環水帶出,芯樣常僅見碎塊狀白云巖(角礫),經過反復嘗試,特別針對拱座部分的鉆探采用單動雙管取芯鉆探設備,減少對巖體的擾動,以盡可能保證取得近原狀的巖土體,以達到準確判定其組成結構及成分的目的,并及時取樣密封,滿足其作為試驗樣品的相關條件。

綜合采取鉆探芯樣及槽探取塊樣,獲得了部分鈣質膠結和泥質膠結的合格樣品,送試驗檢測單位進行天然抗壓試驗,后經開挖后原槽檢驗,巖溶角礫巖的地基承載力(N63.5)在300～400kPa,其值與稍密狀的角礫土相當。巖樣試驗結果見表1。

表1 巖體物理力學試驗指標統計表

勘察成果顯示:該橋小里程岸拱座處的角礫巖成因及特性與前面所述巖溶角礫巖巖性特性及成因吻合,該拱座部分的泥質膠結角礫巖屬于極軟巖(fr<5MPa)。不宜直接作基礎持力層,可選擇對地基進行處理達到設計要求后作持力層,中風化鈣質膠結角礫巖屬于軟巖,可作為基礎持力層。

3.2 施工開挖揭示結果

施工階段拱座開挖后,根據開挖基底揭露情況調查,結合兩種不同形式膠結的角礫巖分布范圍對拱座基礎的設計進行了優化,由于基底范圍內大部分為泥質膠結的角礫巖,其平面分布與拱座橫剖面呈近平行分布,主要分布于拱座豎向投影面中后部(縱向分布見圖4拱座基底以下陰影部分),設計根據結構計算,最終確定在拱座底部采用樁基礎穿透該部分泥質膠結角礫巖層。

經開挖結果分析,拱座部分的巖相組合復雜,地質情況復雜,拱座開挖揭露巖體經現場查驗,和勘察結果吻合,拱座部分角礫巖分為泥質膠結角礫巖(主要)和鈣質膠結角礫巖(次要),分選性差,軟硬不均,底面界線較明顯,底部與白云質灰巖接觸,詳見圖3。

圖3 小里程岸拱座部分工程地質斷面圖

3.3 拱座處巖土體的不利影響及處治措施

拱座底部基礎置于巖溶角礫巖上,泥質(膠結物)成分占比大,地基承載力遠小于設計要求的800kPa,在預加荷載條件下的不均勻沉降遠大于控制標準,原始巖土體對拱座及整個橋梁的建設均不利,宜采用端承樁穿透該部分軟弱結構層,將有效嵌巖端埋置在下伏中風化白云質灰巖內。

設計經結構驗算,拱座基礎采用樁基礎,樁基礎分為斜樁和豎樁兩部分,如圖4所示,豎樁采用8根3.5m樁徑的樁基,該部分樁基全部穿透軟弱結構層,樁端置于中風化白云質灰巖之上,能有效承擔拱座豎向荷載;斜樁采用4根由半圓弧+矩形組合而成的樁基,角度為45°,斜樁核心截面寬3.5m,高4m,斜樁開挖時設置導拱(超前小導管、鋼拱架、C20混凝土組成),斜樁部分嵌入較完整中風化白云質灰巖,另有一根樁基根據勘察資料及開挖顯示,其軸向角與巖層傾角接近,需對樁端及樁周一定范圍內的巖土體進行注漿處治,提高地基承載力及側摩阻力,條件允許的情況下對樁端進行擴徑,增大樁端截面面積Ap,最終使得其承載力容許值Ra滿足該斜樁的單樁荷載要求,有效支撐拱座水平向荷載。

圖4 拱座處樁基設計立面圖

4 結論

(1)研究表明,川東、黔北奧倫階地層,即嘉陵江組和茅草鋪組為上楊子臺地上同一時期沉積地層,成巖環境具有很大程度的相似性,均在頂部存在巖溶角礫巖,其巖性特征亦相似。

(2)茅草鋪組沉積晚期由于特殊的淺海相沉積環境形成的大量巖溶角礫巖,其特性為泥質、鈣質膠結,且膠結程度不一,角礫礫級極為懸殊,粒徑大小不一、分選性差,膠結物的不同和角礫粒徑的差距造成分布范圍內巖土體軟硬不均,且遇水易崩解碎裂,工程性質差。

(3)茅草鋪組頂部的巖溶角礫巖,其成因為近地表淺水動蕩環境、海水時進時退的交替環境下,云化及去云化作用,以及表生成巖環境下的選擇性溶解、去膏化、膠結、壓實、壓溶等綜合作用下形成。

(4)地質工作中遇巖溶角礫巖等特殊巖土體時,應掌握有效的方法綜合勘察,準確查明其分布范圍,總結工程經驗,應結合造價、結構穩定及耐久性等綜合因素考慮處治措施,使設計方案最終落地實施,達到理想效果。

(5)經過工程實例分析,巖溶角礫巖存在的區域由于其眾多不良特性,易伴生其他不良地質。