甘森林，喻洪亮，甘建軍，張雷

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沿江沖積平原區(qū)某鐵路特大橋勘察

甘森林1，喻洪亮1，甘建軍2，張雷3

（1.江西省勘察設(shè)計(jì)研究院，南昌 330099；2.南昌工程學(xué)院，南昌 330099； 3.中鐵五院第五勘察設(shè)計(jì)院有限公司，北京 102600）

沿江沖積平原區(qū)工程地質(zhì)條件較為特殊，地層具有河流相沉積的典型特征：由上至下為洪沖積的粘土、粉土、砂土及圓礫石土，下伏沉積相的全風(fēng)化、中風(fēng)化的砂巖，巖土力學(xué)性質(zhì)具軟硬交錯(cuò)特點(diǎn)。通過勘察和綜合分析，提出下臥軟弱地層、液化效應(yīng)是沖積平原區(qū)特大橋勘察的重點(diǎn)和難點(diǎn)，并以京九高速鐵路孔壟上行特大橋勘察為例，對(duì)沿江沖積平原區(qū)鐵路特大橋勘察開展工程地質(zhì)分析，總結(jié)了該類型大橋勘察工程地質(zhì)問題，提出了端承樁+T字梁結(jié)構(gòu)+抗液化措施的建議，為設(shè)計(jì)和施工提供了科學(xué)依據(jù)。

鐵路橋；沖積平原；工程地質(zhì)；勘察

深厚土層、軟弱下臥層、震動(dòng)砂土液化問題為沿江沖積平原區(qū)特大橋勘察特別要重視的工程地質(zhì)問題。近年來，軟弱下臥層在震動(dòng)或水的軟化作用下的失穩(wěn)特征及砂土液化效應(yīng)對(duì)鐵路、公路工程的影響越來越受到廣泛的關(guān)注[1]。安慶至九江鐵路孔壟聯(lián)絡(luò)線上行特大橋位于湖北省黃梅縣濯港鎮(zhèn)境內(nèi)，是京九高速鐵路重點(diǎn)特大橋之一。該橋于2015年10月通過地質(zhì)調(diào)查和采用鉆探、原位試驗(yàn)、靜力觸探等綜合勘探測試手段，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)，詳細(xì)查明了橋址范圍內(nèi)的地層分布、巖性、地下水分規(guī)律等地質(zhì)情況，發(fā)現(xiàn)橋址范圍了內(nèi)存在超過40m的深厚松軟土層和全風(fēng)化的軟弱地層，地質(zhì)條件差，對(duì)特大橋的設(shè)計(jì)和施工帶來一定的影響[3]。

圖1 特大橋典型剖面示意圖

1 特殊的工程地質(zhì)背景

1.1 工程地質(zhì)條件的特殊性

沿江沖積平原區(qū)，地形平緩，河流相地質(zhì)沉積作用復(fù)雜。研究區(qū)高程僅為10～16m。在河流地質(zhì)沉積作用和多次洪沖積－水流淤積作用下，特大橋橋址區(qū)域形成了地層界限間雜、厚度不一的交錯(cuò)層理，第一層為第四系全新統(tǒng)填土層（Q4ml），厚度0.7~3.0m；第二層為第四系全新統(tǒng)沖積層（Q4al），包括粉質(zhì)黏土（1.6~27.8m）、粉土（1.0~22.8m）、粉砂（1.1~25.4m）、中砂（2.2~3.9m）、粗砂（1.0~8.0m）、細(xì)圓礫土（0.7~16.0m）；第三層為第三系（E1），包括全風(fēng)化砂巖（0.5~12.96m）和中厚層強(qiáng)風(fēng)化砂巖。（圖1）

特大橋上部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)工程地質(zhì)條件要求高。該橋既有單線（起訖KLSDK0+865.25～KLSDK3+965.98，全長3 100.73m），也有復(fù)線（起訖KLSDK3+965.98～KLSDK4+952.185，全長986.21m）；橋墩間距最小1m，最大120m，孔跨樣式全為簡支T梁或連續(xù)梁。

研究區(qū)巖土體具層狀或硬軟相間互層結(jié)構(gòu)特征，其中沖積和洪泛相中砂土、粉土、粉土與全風(fēng)化粉砂巖這類巖土體中分布穩(wěn)定的軟弱層。這些軟弱層呈間隔式分布，厚度由數(shù)十厘米至數(shù)米，有的呈棗核形分布（85~87號(hào)鉆孔間），有的呈板狀分布（111~113號(hào)鉆孔間），還有的是透鏡體（如50~52號(hào)間），分布極不規(guī)律。（圖2）

密實(shí)圓礫土下方有時(shí)可見一個(gè)旋回的呈扁豆?fàn)罘植嫉娜L(fēng)化的砂巖，當(dāng)其富含泥質(zhì)砂礫時(shí)，也為一軟弱夾層。但厚度較?。?～3.6m），連續(xù)性差，在部分鉆孔深處發(fā)生尖滅。這類相式中砂巖體的厚度與古河流水深相近，厚度變化小。根據(jù)巖相學(xué)研究，河流水深（D）與砂巖體中斜層理層性系的厚度（H）之間有如下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：

lgD=0.8271 lgH+0.8901 （1）

在研究區(qū)的第四紀(jì)沉積物中，上覆蓋連續(xù)性較好的厚度較大的沖積物、粉質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)飽和粉土，這些土層一般上部結(jié)構(gòu)透水性較好，底部為密實(shí)粘土隔水層，這些隔水層在外動(dòng)荷載作用條件下，可造成液化而引起上覆蓋土層沉降，它往往是沖積平原區(qū)地層的重要下臥軟弱層。

圖2 沿江沖積平原沉積相模式

沖積河流沉積相模式中還有一些水流事件性變化造成的沉積物，如河道更改，決口扇等沉積物，它們使巖土體結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，這些沉積物有的由于形成了厚薄不均的淤泥或飽和軟粘土，如在85至88號(hào)墩之間存在厚度約0.5~3.2m的軟粘土。

1.2 巖土力學(xué)性質(zhì)的交錯(cuò)性

巖土力學(xué)性質(zhì)由上至下遞變規(guī)律多變也是沖積平原區(qū)鐵路特大橋勘察特別要注意的問題[6]。由于沖積平原地層成因受氣候、洪水等季節(jié)性變化因素的影響，各地層巖土力學(xué)性往往呈現(xiàn)上下交錯(cuò)的性質(zhì)，一般情況下，上部為第四紀(jì)沖積形成的粉質(zhì)黏土由軟塑向硬塑遞變，基本承載力逐漸增大；再往下沉積的是粉土、粉砂層，承載力由大變?。坏谌龑邮羌?xì)砂、中砂、粗砂至細(xì)圓礫土，基本承載力由110kpa逐漸遞增到600kpa；最下面一層為全風(fēng)化的砂巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、微風(fēng)化砂巖，力學(xué)性質(zhì)又迅速減弱后，又逐漸增強(qiáng)，數(shù)據(jù)變化見附表。

1.3 充沛的地下水

沖積區(qū)特大橋勘察另一個(gè)顯著特點(diǎn)是地下水含量非常充沛，主要原因是由于研究區(qū)屬于沖積扇前緣，地層由上至下分別是孔隙度比較高的粉砂、細(xì)砂、中砂、粗砂、礫砂和細(xì)圓礫土組成，富含第四系孔隙潛水；下覆全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化砂巖裂隙較多，富含基巖裂隙水；這些地層透水性隨著埋深逐漸加強(qiáng)，加之地表水埋深僅為1.70～5.10m，水位季節(jié)變幅1～2m，地表水源充足，水位穩(wěn)定，極有可能存在沿鉆孔發(fā)生涌水現(xiàn)象，影響特大橋樁基礎(chǔ)的長期穩(wěn)定性和大橋工程的安全。

孔壟聯(lián)絡(luò)線上行特大橋典型地層巖土力學(xué)表

地層編號(hào)巖土名稱巖土狀態(tài)巖土物理力學(xué)參數(shù)建議取值 γ（kN/m3）c(kPa)φ壓縮模量Ｅs(MPa)基本承載力(kPa)樁周極限摩阻力(kPa) ①12粉質(zhì)黏土軟塑18.416.65.4°3.969020 ①12粉質(zhì)黏土硬塑19.58.36.2°6.4515040 ②21粉土稍密18.312.92.8°3.1512030 ②22粉砂中密---3.6211035 ③31細(xì)砂中密----21050 ③32中砂中密----37065 ③33粗砂中密----43080 ③34細(xì)圓礫土密實(shí)----600160 ④41砂巖全風(fēng)化----20060 ④42砂巖強(qiáng)風(fēng)化----30080

2 地震與斷裂構(gòu)造

2.1 斷裂構(gòu)造

橋址區(qū)北距南北向郯廬斷裂南段嘉山-廬江斷裂末端約46km，下覆新元古代張八嶺巖群Pt3z,南跟長江約25km。因橋址區(qū)距大型斷裂構(gòu)造距離較遠(yuǎn)，且地層分布為厚度8～15m的粗砂、礫石或硬質(zhì)土層，斷裂構(gòu)造對(duì)工程的影響程度較小。

2.2 地震及地震動(dòng)參數(shù)

橋區(qū)地處湖北省南部濱湖沉積平原和沿江沖積平原區(qū)，工點(diǎn)內(nèi)地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，相當(dāng)于地震基本烈度Ⅵ度，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期分區(qū)為1區(qū)，未來百年內(nèi)，研究區(qū)處于相對(duì)平靜期，總體地震活動(dòng)水平較弱。

2.3 砂土液化分析

沖積平原區(qū)地層廣泛分布粉土、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂和中砂，在地基土體受到地震和強(qiáng)震動(dòng)作用下，砂性土層可能會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)壓密、下沉、地震液化，而飽和的軟弱夾層及松軟土層在震動(dòng)作用下可能會(huì)流塑變形；在進(jìn)行樁基施工和深基坑開挖時(shí)可能性滲透變形，從而導(dǎo)致橋基失效造成特大橋的破壞，因此建議根據(jù)相關(guān)規(guī)范對(duì)地基砂土進(jìn)行震動(dòng)流化的判別。部分鉆孔（如ZK13-20，ZK77-79，ZK92-93，ZK128-129號(hào)）的含粉砂百度超過20m，在振動(dòng)作用極易發(fā)生砂土液化（圖3）。

3 勘察成果分析及建議

3.1 地基穩(wěn)定性

橋址區(qū)對(duì)應(yīng)的地震基本烈度為Ⅵ度，地震分區(qū)為第Ⅰ區(qū)。地質(zhì)勘察表明第四系全新統(tǒng)沖洪積的9層密實(shí)細(xì)圓礫土因埋深在40m左右，承載力在600MPa左右，厚度也較穩(wěn)定，可作為樁基礎(chǔ)的持力層?？辈焐疃确秶鷥?nèi)分布有可液化土層，在設(shè)計(jì)應(yīng)充分考試，并注意水位變化對(duì)樁的摩擦力的影響；同時(shí)因下覆全風(fēng)化第三系砂巖，承載力較弱，在設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行軟弱基底驗(yàn)算。

圖3 孔壟聯(lián)絡(luò)線上行特大橋88號(hào)墩地質(zhì)概化剖面圖

基于上述分析，先利用鉆探和標(biāo)貫對(duì)橋基穩(wěn)定性進(jìn)行分析，再利用剪切波速測試法對(duì)研究區(qū)0－89墩、90－121墩兩個(gè)剖面的ZK35、ZK36、ZK65等6個(gè)孔位進(jìn)行剪切波速和地震液化進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)剪切波速Vse均小于150m/s；在設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)單線和雙線剖面進(jìn)行橋基穩(wěn)定性分析，看是否發(fā)生樁基失穩(wěn)和變形破壞。特別是在飽和工況下，要充分考慮地基滲透變形和樁基負(fù)摩擦力的影響，將樁穿透液化土層并深入到下部密實(shí)穩(wěn)定的圓礫土層足夠長度（3m以上），增強(qiáng)液化場地的防震措施。建議采用墩臺(tái)樁基和摩擦樁，以防止負(fù)摩擦力對(duì)降低樁的負(fù)摩擦力的產(chǎn)生。

3.2 橋梁結(jié)構(gòu)建議

特大橋橋梁上部結(jié)構(gòu)安全除與上部荷載大小及方法有關(guān)，且與地層巖性、各地層厚度等因素密切相關(guān)，其中軟弱地層和深厚砂層滲透系數(shù)高，且場地存在砂土液化的可能性，橋梁抗震要求較高，綜合考慮因素多。結(jié)合地質(zhì)情況、橋梁抗震要求和安全經(jīng)濟(jì)實(shí)用、施工工期的等綜合因素，橋梁結(jié)構(gòu)單線KLSDK0+865.25～KLSDK3+965.98，全長3 100.73m，孔跨樣式采用（6～32m、1～24m、9～32m）簡支T梁+(72～120m）m連續(xù)梁+（59～32m、1～24m、11～32m）簡支T梁；（雙線）KLSDK3+965.98～KLSDK4+952.185，全長986.21m，孔跨樣式采用（1～32m、1～24m、21～32m、3～24m、5～32m）簡支T梁；（單線）KLSDK4+952.185～KLSDK7+116.95，全長2164.37m，孔跨樣式采用（15-32m、1～24m、2～32m、1～24m、15～32m、2～24m、7～32m、2～24m、1～32m)；橋跨中間是簡支T梁+(32+48+32)m連續(xù)梁+18～32m簡支T梁。

3.3 巖土工程問題及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)建議

結(jié)合以上分析，橋址區(qū)的巖土工程地質(zhì)問題主要有:軟弱地層的承載力過低問題、砂土液化問題、負(fù)摩擦力問題、庫岸邊坡的穩(wěn)定性問題。

根據(jù)這些問題，擬對(duì)特大橋兩端路橋過渡段、錐體護(hù)坡基底及橋臺(tái)填土路基段建議考慮加固處理設(shè)計(jì)，如對(duì)ZK1、ZK2、ZK3、ZK170~ZK171可采用端承樁和橋臺(tái)換填土法路基；地下水埋藏淺，建議做好承臺(tái)開挖時(shí)的降水、排水設(shè)計(jì)和基坑支護(hù)措施設(shè)計(jì)，防止基坑溜坍及基槽浸泡，如ZK99、ZK100、ZK101、ZK102等施工時(shí)，施工時(shí)要大面積的圍堰清淤，或者下套管防止涌水塌坑現(xiàn)象的入情入理；沖積平原砂層厚度大，橋梁樁基施工期間易發(fā)生縮頸、跨孔、地面塌陷等孔內(nèi)事故，橋梁設(shè)計(jì)時(shí)需注意加強(qiáng)防護(hù)措施設(shè)計(jì)，以免影響成樁質(zhì)量，如在砂層厚度超過8m的ZK49~ZK53，ZK92~ZK93等鉆孔采用鋼護(hù)筒跟進(jìn)法、片石粘土筑壁法、真空吸進(jìn)法等進(jìn)行技術(shù)處理。

4 結(jié)論與討論

孔壟特大橋與長江中下游的黃石長江大橋、南京長江二橋、銅陵大格一樣，屬于沿江沖積平原區(qū)深厚沖積層上的特大橋,在震動(dòng)作用下易發(fā)生橋基失穩(wěn)現(xiàn)象，面臨共有的工程地質(zhì)問題：

1）地層結(jié)構(gòu)具有沖積平原的典型河流沉積相特征。在U型河谷兩岸，地層由上至下存在交錯(cuò)的層理，上部地層多由第四系堆積土、粘土、砂土到圓礫，下覆軟弱的河流相全風(fēng)化沉積砂巖。間雜地層呈透境體或尖滅分布。這種特殊的沉積相結(jié)構(gòu)造成其巖土力學(xué)由上至下由弱到強(qiáng)、再由強(qiáng)到弱的分布特征，對(duì)工程的影響較為復(fù)雜。

2）通過綜合勘探結(jié)果表明，沖積平原區(qū)特大橋地基水位埋藏較淺，巖土滲透系數(shù)較大，涌水量較大，在勘查施工時(shí)要注意排水措施，防止發(fā)生涌砂、塌孔現(xiàn)象。在河谷邊緣還要注意防止基底滑坡，橋基要注意不均勻沉降。結(jié)合工程的剖面圖和柱狀圖，孔壟上行特大橋的56~88號(hào)橋墩由于粉砂厚度較大，還要特別注意防止砂土震動(dòng)液化。

3）鑒于沖積平原區(qū)工程地質(zhì)條件復(fù)雜、巖土力學(xué)性質(zhì)交錯(cuò)性的的特點(diǎn)，采用綜合勘察方法對(duì)橋基進(jìn)行勘察效果對(duì)比分析，重點(diǎn)做好地基穩(wěn)定性分析及下臥軟弱層承載力計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，合理設(shè)計(jì)端承樁的長度和樁徑、橋梁的類型和跨距、砂土的液化地基灌漿或換填擠密、水位漲跌引起負(fù)摩擦樁等，科學(xué)處理其可能面臨的巖土工程問題，保障特大橋的安全施工運(yùn)行。

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Geological Investigation of A Railway Bridges over the Yangtze River Alluvial Plain

GAN Sen-lin1YU Hong-liang1GAN Jian-jun1ZHANG Lei3

(1-Survey and Design Institute of Jiangxi Province, Nanchang 330099; 2-Nanchang Institute of Engineering, Nanchang 330099; 3-Five-Department Fifth China Railway Survey and Design Institute Co., Ltd, Beijing 102600)

Sediments on the Yangtze River alluvial plain is fluvial deposits consisting of diluvium- alluvium such as clay, silt soil, sandy soil and round gravel soil and underlying weathered sandstone whose rock and soil mechanics is characterized by soft hard alternation. The investigation indicates that the underlying weak rock bed and liquefied effect are the key of the railway bridge construction. Accordingly, in combination with experiences of the Konglong bridge, a suggestion on the end bearing pile, T beam structure and liquefaction resistance measures is put forward which provides scientific basis for design and construction.

railway bridge; alluvial plain; engineering geology; investigation

2017-06-15

江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（GJJ151124），國家自然科學(xué)基金(41272297)資助

甘森林（1990- ），男，江西永新縣人，工程師，從事巖土工程勘察及設(shè)計(jì)工作

甘建軍(1975- )，男，江西永新縣人，博士，主要從事巖土工程和邊坡穩(wěn)定性的研究和實(shí)踐工作

[P642.3]

A

1006-0995（2017）04-0655-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2017.04.029