肖玉蘭

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)公司,上海200333)

合肥至蚌埠客運(yùn)專線窯河特大橋工程極軟巖承載力的確定與分析

肖玉蘭

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)公司,上海200333)

結(jié)合合肥—蚌埠客運(yùn)專線窯河特大橋工程中的極軟巖(泥質(zhì)砂巖),通過多種理論方法和勘察測試手段,對如何確定極軟巖地基的承載力進(jìn)行分析與探討,總結(jié)出勘察經(jīng)驗(yàn)與方法,并在今后的勘察工作中應(yīng)用。加強(qiáng)分析研究這些方法和手段,揚(yáng)長避短,使之能夠較全面地反映極軟巖的物理力學(xué)性質(zhì),能較準(zhǔn)確地確定極軟巖的地基承載力。對該巖體的工程地質(zhì)特征,尤其是承載力的確定具有重要的實(shí)際意義。

極軟巖;地基承載力;風(fēng)化;節(jié)理發(fā)育;抗壓強(qiáng)度;安徽

0 引 言

合肥至蚌埠客運(yùn)專線窯河特大橋位于安徽省鳳陽縣和淮南上窯鎮(zhèn)境內(nèi),定測設(shè)計(jì)起止里程為DK31 +377.60—DK39+904.62,橋長8 527.02m,該橋穿沈家灣,跨窯河。

窯河特大橋位于淮河沖積平原、窯河漫灘及一、二級階地,橋址處窯河河床順直,水面寬約2km,水流平穩(wěn),主流水深約8.00m。兩側(cè)堤岸蜿蜒曲折,地形平緩開闊,覆蓋全新統(tǒng)及更新統(tǒng)沖積層厚5.0m～35.0m,以黃褐色、褐黃色為主的粘土、粉質(zhì)粘土。下伏為一套白堊系上統(tǒng)張橋組的泥質(zhì)砂巖。特大橋采用樁基,基礎(chǔ)持力層為白堊系泥質(zhì)砂巖。

橋址區(qū)位于中朝準(zhǔn)地臺的南東邊部,主要構(gòu)造特征以近東西向構(gòu)造為主。構(gòu)造單元是沉陷地帶,為合肥盆地基底北緣,接受巨厚的中新生代的堆積,橋址范圍均被第四系覆蓋。

該橋在初勘、詳勘及補(bǔ)充勘察中,經(jīng)過對較多巖樣進(jìn)行測試、并對巖體作了動力觸探及標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn),獲得了較多的試驗(yàn)數(shù)據(jù),加強(qiáng)研究和分析這些數(shù)據(jù)對該巖體作為基礎(chǔ)持力層將對該橋及該巖體工程地質(zhì)特征(尤其是承載力)具有重要的實(shí)際意義。

1 極軟巖物理力學(xué)性質(zhì)

窯河特大橋工點(diǎn)中的極軟巖為白堊系上統(tǒng)張橋組的紅色泥質(zhì)砂巖,測區(qū)構(gòu)造簡單,巖層產(chǎn)狀平緩。該巖石的物理力學(xué)特性主要表現(xiàn)為極軟巖(飽和單軸抗壓強(qiáng)度小于5MPa),巖石風(fēng)化程度不均勻,有的風(fēng)化呈砂土狀,偶夾碎塊狀,局部含礫,有的風(fēng)化呈柱狀。滲透性低而水穩(wěn)性差,巖石遇水易軟化,暴露在空氣中易開裂?；剞D(zhuǎn)鉆進(jìn)時,機(jī)械破碎強(qiáng)烈,巖心破碎成粒屑狀、碎屑狀,原巖基本被破壞,難以取到完整巖心等性狀。

2 用巖石單軸抗壓強(qiáng)度確定極軟巖的承載力

本工點(diǎn)統(tǒng)計(jì)前剔除了明顯異常偏大的數(shù)值,共完成18個巖石樣品的抗壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)(表1)。

表1 巖石天然單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

經(jīng)統(tǒng)計(jì),天然單軸抗壓強(qiáng)度為0.57MPa～2.21MPa,平均為1.15MPa,屬極軟巖,因樣品浸水飽和后崩解,無法做飽和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

方法一:按原《鐵路工程地質(zhì)手冊》(交通部第一鐵路設(shè)計(jì)院編)表Ⅱ-2-54確定極軟巖容許承載力=(1/5～1/7)R(R為單軸飽和抗壓強(qiáng)度),現(xiàn)用天然單軸抗壓強(qiáng)度值代替飽和單軸抗壓強(qiáng)度值,可得泥質(zhì)砂巖的容許承載力約為200kPa。

根據(jù)多年來巖體工程勘察實(shí)踐,按上述公式來評價此處極軟巖地基承載力是不太適宜的。主要存在以下幾個方面的問題。

①工程性質(zhì)表明,極軟巖石在回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過程中,巖石機(jī)械破碎強(qiáng)烈,巖心破碎成粒屑狀、碎屑狀,原巖基本被破壞,難以取到完整巖心,因而在極軟巖石中較難采取到符合規(guī)格的巖樣進(jìn)行室內(nèi)飽和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

②即使采到了大量的巖樣,其代表性很差,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性很大,且本次采取的極軟巖樣品幾乎不能做飽和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),即使用極軟巖用天然單軸抗壓強(qiáng)度值代替飽和單軸抗壓強(qiáng)度值,根據(jù)此結(jié)果來確定極軟巖的地基承載力明顯偏低,過于保守。

上述情況是由于極軟巖自身所固有的物理力學(xué)特征,從鉆探—取樣—制樣—試驗(yàn)諸環(huán)節(jié)過程中,其固有的物理力學(xué)性質(zhì)已經(jīng)受到人工環(huán)境下各種因素的影響,且這種影響又極易造成巖石力學(xué)強(qiáng)度的損失。

回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過程中,極軟巖石由于受到回轉(zhuǎn)用水的浸泡已經(jīng)處于近似飽和狀態(tài),這也是此處即使用天然單軸抗壓強(qiáng)度值代替飽和單軸抗壓強(qiáng)度值計(jì)算,其結(jié)果也是偏低的根本原因。從這個角度上分析,按公式(1/5～1/7)R來確定極軟巖石地基承載力有其局限性,且確定的地基承載力普遍偏低。

方法二:按國標(biāo)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2002)規(guī)定,通過室內(nèi)天然單軸抗壓強(qiáng)度求巖石地基承載力:

式(1)中,fa為巖石地基承載力設(shè)計(jì)值(kPa);frk為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(kPa);ψr為折減系數(shù)(完整巖可取0.5,較完整巖可取0.2～0.5,較破碎巖體可取0.1～0.2);frm為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值(kPa);ψ為統(tǒng)計(jì)修正系數(shù);n為式樣個數(shù);δ為變異系數(shù)。

因白堊系上統(tǒng)張橋組的泥質(zhì)砂巖是厚層狀,受構(gòu)造運(yùn)動較少,巖體節(jié)理不發(fā)育,屬較完整巖,ψr可取0.4～0.5,同樣,極軟巖用天然單軸抗壓強(qiáng)度值代替飽和單軸抗壓強(qiáng)度值,計(jì)算結(jié)果為fa= 384kPa～480kPa,根據(jù)此試驗(yàn)結(jié)果來確定極軟巖的地基承載力比較準(zhǔn)確。這是因?yàn)楣揭呀?jīng)考慮了從鉆探—取樣—制樣—試驗(yàn)諸環(huán)節(jié)過程受到人工環(huán)境下各種因素的影響,折減系數(shù)取值合理。因此,確定的地基承載力比較切合實(shí)際。

方法三:參照國標(biāo)《工程巖土分級標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50218—1994),依據(jù)公式BQ(基本質(zhì)量指標(biāo))=90 +3Rc+250Kv(Rc為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度,Kv為巖體完整性系數(shù))。

先求出巖體基本質(zhì)量指標(biāo),完整巖體Kv>0.75 >0.04Rc+0.4=0.44,取Kv=0.44,則BQ=90+3 ×0.96+250×0.44=202.88<250。

判定巖體基本質(zhì)量為Ⅴ級,對應(yīng)承載力小于500kPa,結(jié)論與實(shí)際較吻合。

3 根據(jù)查表確定極軟巖的承載力

根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D 63—2007)表3.3.3-1,確定巖石地基承載力基本容許值fao,根據(jù)《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 1002.5—2005)表4.1.2-1,確定巖石地基的基本承載力σ0,這兩個規(guī)范都是根據(jù)巖石類別、節(jié)理發(fā)育程度來查表確定巖石地基承載力。

現(xiàn)場鑒定與研究判定此層泥質(zhì)砂巖為節(jié)理不發(fā)育的極軟巖,根據(jù)《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 1002.5—2005)表4.1.2-1查得基本承載力為400kPa～500kPa。

然而,巖石節(jié)理發(fā)育程度的判定人為因素較大,這要求有豐富工程經(jīng)驗(yàn)的人員才可能判定出比較準(zhǔn)確的結(jié)果,且因采取的巖心畢竟有限,再者,巖石節(jié)理發(fā)育程度也不均勻,這就給準(zhǔn)確判定巖石節(jié)理發(fā)育程度帶來一些偶然因素,從而確定巖石地基承載力的確定也會受到一定程度的影響。

4 用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)及圓錐動力觸探確定極軟巖地基承載力

此工點(diǎn)的70多個鉆探孔中,在基礎(chǔ)持力層(泥質(zhì)砂巖)中進(jìn)行了大量的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和動力觸探試驗(yàn),獲得了170個標(biāo)貫數(shù)據(jù),試驗(yàn)擊數(shù)波動值為8擊～65擊。平均為35擊,獲得83個重型動探數(shù)據(jù),動探擊數(shù)波動值為6.7擊～17.3擊。平均為12擊。

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)評價地基承載力依據(jù)是《工程地質(zhì)手冊》第三版第三篇巖土測試第二章第五節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的成果應(yīng)用參考砂土標(biāo)貫擊數(shù)與承載力關(guān)系及參考表3-2-37,可綜合求得此層泥質(zhì)砂巖承載力為340kPa～500kPa。

動力觸探試驗(yàn)評價地基承載力根據(jù)是《工程地質(zhì)手冊》第三版第三篇巖土測試第二章第四節(jié)的動探試驗(yàn)的成果應(yīng)用中用重型動探擊數(shù)N63.5確定地基土承載力,比照碎石土、砂土動探擊數(shù)與承載力關(guān)系表3-2-19、廣東省建筑設(shè)計(jì)院資料(表3-2-20)及鐵道部第二勘測設(shè)計(jì)院的研究成果(表3-2-22),可綜合判定此層泥質(zhì)砂巖承載力為400kPa～470kPa。

確定巖石地基承載力的最直接而有效的方法是巖體荷載試驗(yàn),若由于巖體埋藏較深,做荷載試驗(yàn)比較困難時,用動力觸探和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的原位測試手段來確定極軟巖的地基承載力就顯得尤為重要。

這兩種原位測試手段最大的優(yōu)點(diǎn)就是減少了對鉆探施工過程中各種不利因素的影響,使實(shí)測的錘擊數(shù)能較真實(shí)地反映極軟巖石在自然狀態(tài)下的物理力學(xué)強(qiáng)度,而且根據(jù)動探和標(biāo)貫的實(shí)測錘擊數(shù)能較準(zhǔn)確地對極軟巖石進(jìn)行“強(qiáng)風(fēng)化”、“弱風(fēng)化”的力學(xué)分層。

5 結(jié) 語

表2列出了通過各種測試手段所獲資料確定的巖石承載力。

表2 各種測試手段確定的巖石承載力表

本工點(diǎn)通過巖石的抗壓試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、重型動力觸探及野外鑒別等多種綜合勘察手段,經(jīng)仔細(xì)分析、比對后確定樁基持力層泥質(zhì)砂巖的基本承載力為450kPa。本工點(diǎn)(新建鐵路合肥—蚌埠客運(yùn)專線窯河特大橋)基礎(chǔ)施工已完畢,經(jīng)施工驗(yàn)槽檢驗(yàn),所提的承載力切合實(shí)際。

這種極軟巖——白堊系的紅色泥質(zhì)砂巖在我國分布較廣范,新建鐵路合肥—蚌埠客運(yùn)專線其他工點(diǎn)也普遍分布,在寧啟鐵路南京—南通段復(fù)線電氣化改造工程的勘察工作中發(fā)現(xiàn)也有大面積的白堊系浦口組的紅色泥質(zhì)砂巖。

筆者認(rèn)為,只有把多種測試手段結(jié)合起來,分析研究各種測試手段的優(yōu)缺點(diǎn),揚(yáng)長避短,才能較全面地反映極軟巖的物理力學(xué)性質(zhì),使之能較準(zhǔn)確地確定極軟巖的地基承載力。因此,筆者就極軟巖承載力的確定與分析提出一些思路,對此類極軟巖承載力的確定具有實(shí)際意義,但由于極軟巖具有特殊的工程特征及復(fù)雜的風(fēng)化特性,在工程應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體情況具體對待。

[1] GB 50007—2002,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] TB 10012—2007,鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

[3] TB 1002.5—2005,鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] JTJ 064—1998,公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

[5] JTGD63—2007,公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6] 《工程地質(zhì)手冊》編委會.工程地質(zhì)手冊[M].3版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004.

Determination and analysis of soft rock bearing capacity of Yaohe Bridge along railway dedicated passenger line from Hefei to Bengbu

X IAO Yu-lan
(China Railway ShanghaiDesign Institute Group,Shanghai 200333,China)

In terms of the soft rock(muddy sandstone)encounterd during the engineering construction of Yaohe Bridge along railway dedicated passenger line from Hefei to Bengbu,through several theoretic methods and exploration manners,the author discussed and analyzed the determination of foundation bearing capacity for the soft rock,summarized the experience andmethods,reflected the physical and mechanic characters of the soft rock.The above determination was of practical significance to decide the engineering geological properties of the rock mass.

Soft rock;Foundation bearing capacity;Weathering;Joint development;Compressive resistance;Anhui

book=2,ebook=238

TU45

A

1674-3636(2010)02-0196-04

10.3969/j.issn.1674-3636.2010.02.196

2010-01-12;

2010-03-29;編輯:侯鵬飛

肖玉蘭(1974—),女,工程師,水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè),現(xiàn)主要從事巖土工程勘察工作.