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        貴州貴定尖山營特大橋基礎(chǔ)異常升降成因探討

        2019-08-14 09:16:54王金淑趙志明
        水文地質(zhì)工程地質(zhì) 2019年4期
        關(guān)鍵詞:橋址膨脹率橋墩

        王金淑,吳 光,趙志明,饒 鴻

        (西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,四川 成都 611756)

        山區(qū)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(yùn)營要求而產(chǎn)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(gè)控制性工點(diǎn),2008年10月開工建設(shè),2012年8月17日完成橋梁基礎(chǔ)及橋墩施工,2014年12月正式通車。自2010年9月,對(duì)橋墩臺(tái)進(jìn)行沉降觀測,結(jié)果顯示橋墩存在較大的異常升降。通過兩年的測量觀察發(fā)現(xiàn),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(shí),橋墩存在差異性沉降。該異常升降現(xiàn)象直接造成鐵路減速通過,影響了鐵路的正常運(yùn)營。

        巖土體的脹縮作用[1]是引起上部結(jié)構(gòu)異常升降的一個(gè)主要原因。El-Garhy等[2]用有限元法模擬膨脹土中筏基基礎(chǔ)的動(dòng)力響應(yīng),結(jié)果與現(xiàn)場工程測量結(jié)果基本一致,證實(shí)了膨脹土遇水的動(dòng)力效應(yīng)。范臻輝[3]應(yīng)用樁-膨脹土相互作用的室內(nèi)物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證了膨脹土吸水抬升摩擦樁的現(xiàn)象,深化膨脹土的本構(gòu)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(chǎn)生的持續(xù)異常起伏,分析發(fā)現(xiàn)起伏原因是樁底部一定深度處發(fā)育的硬石膏層遇水產(chǎn)生了水化反應(yīng),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(yīng)產(chǎn)生硫酸鹽造成膨脹,而硫酸鹽會(huì)與巖體中的方解石和水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生二次膨脹[5]。Gennaro等[6]結(jié)合野外調(diào)查、伸長計(jì)監(jiān)測及地基含水率監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了膨脹巖體中群樁產(chǎn)生58 mm起伏運(yùn)動(dòng)的成因,并認(rèn)為在較大的上部荷載作用下,風(fēng)化黏土的膨脹潛力仍可導(dǎo)致地基的向上運(yùn)動(dòng)。針對(duì)膨脹土地基中樁土相互作用,有學(xué)者[7]通過理論推導(dǎo)與數(shù)值模擬相結(jié)合驗(yàn)證樁體在膨脹土地基的異常升降情況,與物理模型試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

        工程中對(duì)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(duì)于基礎(chǔ)整體性的升降現(xiàn)象研究則比較少見。本文針對(duì)大橋墩(臺(tái))的異常升降現(xiàn)象,分析造成此現(xiàn)象的可能成因。針對(duì)造成異常升降的可能成因進(jìn)行逐一排查。通過現(xiàn)場橋墩和地下水位監(jiān)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(tái))的起伏規(guī)律、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造以及地下水的發(fā)育情況,分析地質(zhì)構(gòu)造、承壓水是否是造成異常升降的主要原因;結(jié)合室內(nèi)對(duì)原狀和壓實(shí)地基土體的膨脹性試驗(yàn),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(tái))異常升降的主要成因。

        1 橋址區(qū)域工程地質(zhì)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(nèi),跨越兩條縣道及一條常年有水河溝。在地貌形態(tài)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(qū)褶皺斷裂發(fā)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(jīng)向構(gòu)造體系[11-12]內(nèi)的一條緊密狀向斜構(gòu)造。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)繪,區(qū)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(jù)區(qū)域地質(zhì)資料[13-14]及地震安全性評(píng)估結(jié)論,該斷層不具活動(dòng)性。

        圖1 尖山營特大橋區(qū)域工程地質(zhì)平面圖Fig.1 Engineering geological map near the Jianshanying Bridge

        研究區(qū)上覆地層為第四紀(jì)全新統(tǒng)沖洪積黏土和卵石土,下伏地層主要由二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)的白云質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)巖以及吳家坪組(P2w)的硅質(zhì)巖、炭質(zhì)頁巖及泥巖偶夾煤層的復(fù)雜巖層組成。硅質(zhì)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(zhì)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(shì)。

        2 研究方法與內(nèi)容

        2.1 現(xiàn)場調(diào)繪及鉆探

        在橋址右側(cè)200 m位置處出露灰白色巖層,質(zhì)軟有滑膩感,室內(nèi)試驗(yàn)依據(jù)《土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)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(zhì)巖、灰?guī)r的組合巖層有明顯的層理構(gòu)造,由于研究區(qū)構(gòu)造作用強(qiáng)烈,次級(jí)背斜褶皺發(fā)育;硅質(zhì)巖和頁巖、泥巖的強(qiáng)度不同,差異風(fēng)化現(xiàn)象嚴(yán)重?;稣龜鄬咏?jīng)過橋址區(qū)的貴陽端(圖1),在0#橋臺(tái)附近的鉆孔巖芯揭示出斷層破碎帶的壓碎灰?guī)r角礫,證實(shí)了斷層構(gòu)造的存在。18#與19#橋墩中間(鉆孔位置如圖6所示)的KY-6號(hào)科研鉆孔,揭示出35~70 m之間被壓裂的灰?guī)r,說明在18#橋墩位置也存在斷層。

        將區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及科研鉆孔、水位觀測孔、橋墩勘探孔等資料相結(jié)合繪制出大橋沿線工程地質(zhì)剖面圖(圖2),在0#到4#橋墩(臺(tái))區(qū)域地層主要是二疊系下統(tǒng)(P1m)白云質(zhì)灰?guī)r偶夾頁巖、硅質(zhì)巖,同時(shí)處于虎場正斷層影響帶。5#橋墩以后上部卵石層較發(fā)育,下伏二疊系吳家坪組硅質(zhì)巖、炭質(zhì)頁巖及泥巖偶夾煤層的巖層組合;在18#橋墩位置處發(fā)育斷層,考慮是虎場斷層產(chǎn)生時(shí)的共軛扭性斷裂構(gòu)造[9]。結(jié)合鉆孔資料,斷層上盤穩(wěn)定灰?guī)r層埋深較淺,考慮為上盤向上運(yùn)動(dòng),部分吳家坪組地層遭到風(fēng)化剝蝕。18#~22#橋臺(tái)區(qū)域主要發(fā)育地層:上部為二疊系上統(tǒng)長興組硅質(zhì)巖、灰?guī)r與砂質(zhì)頁巖互層;下部為吳家坪組地層。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)繪出露巖層的產(chǎn)狀,確定橋址右側(cè)為向斜核部位置。

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

        2.2 沉降和水位監(jiān)測

        為了切實(shí)掌握尖山營特大橋的基礎(chǔ)升降情況和分布特征,本研究對(duì)大橋的各個(gè)橋墩(臺(tái))升降情況展開原位水準(zhǔn)測量工作。觀測點(diǎn)分別布置在每個(gè)橋墩(臺(tái))對(duì)應(yīng)位置及兩橋墩(臺(tái))之間,且左右對(duì)稱,工作基點(diǎn)與水準(zhǔn)點(diǎn)共140個(gè)。以2012年10月24日作為初始監(jiān)測時(shí)間,設(shè)定初始時(shí)刻各個(gè)橋墩(臺(tái))的豎向位移為0,每隔3~7 d測試1次數(shù)據(jù)。2013年4月、5月和6月份每個(gè)橋墩(臺(tái))的相對(duì)位移如圖3所示,正值表示相對(duì)沉降,負(fù)值表示相對(duì)抬升。從2012年10月到2013年4月所有橋墩都產(chǎn)生不同程度的沉降,4—5月期間,各橋墩出現(xiàn)了迅速異常抬升現(xiàn)象。5—6月基本穩(wěn)定,14#~22#橋墩(臺(tái))依然存在部分抬升現(xiàn)象,表明橋墩的抬升主要發(fā)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(tái)的凈抬升量在5 mm內(nèi),5#~22#橋墩(臺(tái))的凈抬升量超過15 mm,尤其16#橋墩高達(dá)28 mm。

        圖3 2013年4—6月份各橋墩(臺(tái))相對(duì)升降量(初始監(jiān)測時(shí)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(tái))相對(duì)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(jiān)測數(shù)據(jù)以及對(duì)橋址區(qū)地下潛水位變化進(jìn)行監(jiān)測的數(shù)據(jù)(圖5),研究墩體的升降與地下水動(dòng)態(tài)之間的關(guān)系,正值代表較初始值沉降,負(fù)值代表高出初始監(jiān)測時(shí)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(xiàn)異常抬升,8月之后又異常沉降,升降總量基本在40 mm以內(nèi)。同時(shí),經(jīng)過監(jiān)測對(duì)比發(fā)現(xiàn),橋墩沉降變化與周邊地表、基巖標(biāo)沉降變化一致,表明橋墩沉降從深層到淺層均呈現(xiàn)一致性沉降變化,沉降變化不只是發(fā)生在地表淺層,而是從基巖面就已經(jīng)發(fā)生,即橋墩的沉降變化是屬于區(qū)域性整體性的升降。

        圖5 16#橋墩升降和橋址區(qū)水位監(jiān)測數(shù)據(jù)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(duì)橋址區(qū)地下水位為期一年半的記錄,地下水位與橋墩沉降數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn),橋墩的起伏規(guī)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(fā)的。

        圖6 水位觀測點(diǎn)及鉆孔、橋墩相對(duì)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(jiān)測研究對(duì)象是地下潛水位,而對(duì)于橋區(qū)深部地層及地下水的富存情況還需要進(jìn)一步的研究。本文采用EH-4電磁測量系統(tǒng)進(jìn)行天然音頻大地電磁法(AMT)勘探,對(duì)尖山營特大橋進(jìn)行物理勘探。依據(jù)《大地電磁測法技術(shù)規(guī)程(DZ/T0173-1997)》[17]進(jìn)行測量。如圖7左上圖所示,布設(shè)2條物探測線,即在線路左側(cè)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(diǎn)點(diǎn)距均為20 m,大地點(diǎn)磁勘探點(diǎn)共115個(gè),物探結(jié)果如圖7所示。

        圖7 天然音頻大地電磁法(AMT)物探結(jié)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(xiàn)近直立向下的走勢(shì),結(jié)合區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)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(jīng)過。根據(jù)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(qū)對(duì)應(yīng)地表第四紀(jì)覆蓋黏土、斷層角礫、頁巖、硅質(zhì)巖夾炭質(zhì)頁巖等地層巖性;中下部中阻—高阻區(qū)域?qū)?yīng)灰?guī)r偶夾硅質(zhì)巖等地層巖性。在地下900 m高程位置出現(xiàn)1個(gè)基本穩(wěn)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(duì)低阻)區(qū)為地下水賦存位置。小于900 m高程的地下層中未發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的低阻區(qū),推斷無連續(xù)承壓含水層位。另外,該區(qū)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(fā)育。地下水受降水與地表溝水補(bǔ)給,通過孔隙、巖溶裂隙徑流。結(jié)合鉆孔資料,巖體破碎軟弱,且在鉆孔取芯過程中未見持續(xù)上升水位現(xiàn)象。同時(shí),野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)的巖溶泉水,均屬于下降泉。綜上所述,研究區(qū)無承壓水富存,因此承壓水影響不到橋基礎(chǔ)的升降。

        2.4 室內(nèi)試驗(yàn)

        2.4.1自由膨脹率

        為了探究橋址區(qū)不同深處地層巖土體的膨脹特性,對(duì)野外16#橋墩附近進(jìn)行鉆孔取樣,鉆孔取樣點(diǎn)位置如圖6所示。選取每個(gè)鉆孔巖芯不同深度進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn),共完成了115個(gè)試驗(yàn)工作,試驗(yàn)結(jié)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(gè)鉆孔中自由膨脹率取值最大及其對(duì)應(yīng)深度統(tǒng)計(jì)如表1所示,最大值為80,位于KY-8號(hào)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(shù)據(jù)分析可知,測區(qū)巖體的自由膨脹率呈正態(tài)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(jù)現(xiàn)有關(guān)于膨脹巖膨脹程度研究[18-19],橋址區(qū)巖體屬于強(qiáng)膨脹性軟巖。

        圖9 自由膨脹率統(tǒng)計(jì)分布直方圖Fig.9 Statistical distribution histogram of free expansion rate

        2.4.2有荷載變形試驗(yàn)

        選取較完整的鉆孔巖芯,在機(jī)床上獲得直徑5.2 cm、高6.178 cm的標(biāo)準(zhǔn)試樣(圖10),在自行研制的PZY-1型膨脹儀[20]上進(jìn)行有荷載試驗(yàn)。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(shí)現(xiàn)。試樣在圍壓和軸向壓力共同作用下吸水膨脹(圖11),推動(dòng)頂部活塞運(yùn)動(dòng),活塞的上升量即試樣的軸向膨脹量,活塞運(yùn)動(dòng)由千分表示數(shù)表征。

        先對(duì)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(yīng)力為1.05 MPa,徑向圍壓0.375 MPa。其膨脹應(yīng)變隨著試樣吸水逐漸增大。10 h時(shí)出現(xiàn)1個(gè)應(yīng)變趨于穩(wěn)定的平臺(tái),這可能與膨脹土體的吸水膨脹機(jī)理有關(guān)。此后再次呈現(xiàn)增大情況,最終50 h后基本趨于穩(wěn)定,試驗(yàn)最終的膨脹應(yīng)變達(dá)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(biāo)準(zhǔn)試樣Fig.10 Standard sample of the undisturbed core

        圖11 原狀試樣的膨脹應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線Fig.11 Change in the expansion strain with time

        2.4.3平衡膨脹力試驗(yàn)

        選取擾動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)試樣,每組含水率包含至少9個(gè)干密度為1.3~1.75g/cm3的標(biāo)準(zhǔn)試樣。在常規(guī)固結(jié)儀上進(jìn)行平衡膨脹力試驗(yàn),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(duì)應(yīng)的平衡膨脹力(圖12)。膨脹力與試樣的干密度呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系,擬合函數(shù)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(shù),與初始含水率有關(guān)。

        圖12 平衡膨脹力與含水率、干密度關(guān)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(shù)列于表2中。室內(nèi)試驗(yàn)獲得原狀巖石的干密度為2.15 g/cm3,則依據(jù)現(xiàn)有試驗(yàn)規(guī)律,預(yù)測當(dāng)干密度為2.15 g/cm3時(shí),對(duì)應(yīng)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(shí)(25.1%),膨脹力預(yù)估值最小,依然可達(dá)到3.39 MPa。膨脹力預(yù)測值在3~59 MPa之間,根據(jù)設(shè)計(jì)資料,上部結(jié)構(gòu)荷載在1.38~13.5 MPa之間。巖體的膨脹力大于上部結(jié)構(gòu)的重力載荷,地基巖土體的膨脹特性能夠使上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生差異抬升現(xiàn)象。

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

        3 研究結(jié)果與分析

        根據(jù)橋墩(臺(tái))的監(jiān)測數(shù)據(jù)和水位監(jiān)測結(jié)果,對(duì)比發(fā)現(xiàn)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(guī)律,說明橋墩基礎(chǔ)的異常升降與地下潛水位變化存在直接關(guān)系。

        通過現(xiàn)有橋址區(qū)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造資料,判斷構(gòu)造作用是否影響橋墩(臺(tái))的異常升降。調(diào)查發(fā)現(xiàn)橋址區(qū)位于揚(yáng)子地臺(tái),構(gòu)造活動(dòng)較為穩(wěn)定,不符合每年多雨季抬升、無雨季節(jié)橋墩(臺(tái))沉降的規(guī)律性活動(dòng)。因此排除地質(zhì)構(gòu)造引發(fā)異常升降的這一因素。

        根據(jù)天然音頻大地電磁法勘探及鉆孔過程中地下水的活動(dòng)情況,判斷測區(qū)是否有承壓水,及多雨時(shí)承壓水獲得補(bǔ)給引起橋墩的抬升這一推測的正確性。結(jié)果表明,研究區(qū)內(nèi)巖性破碎,巖溶發(fā)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(fā)育,未發(fā)現(xiàn)深部穩(wěn)定承壓水層。故對(duì)于承壓水在多雨季節(jié)獲得補(bǔ)給而使得橋墩及區(qū)域地層抬升的推測并不成立。

        對(duì)橋址區(qū)地下巖土體進(jìn)行相關(guān)膨脹性試驗(yàn),判斷地基巖土體的膨脹特性是否是引發(fā)橋墩(臺(tái))升降的主要原因。結(jié)果發(fā)現(xiàn)KY-8孔的地下41~45 m深度處,自由膨脹率達(dá)80%,屬于中等—強(qiáng)膨脹土,強(qiáng)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(yīng)變。按照這一膨脹應(yīng)變來看,假設(shè)穩(wěn)定水位以上的巖層(130 m左右)均具有此膨脹應(yīng)變,且保守估計(jì)呈線性[21]變化,則抬升量將達(dá)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(shí)膨脹土的平衡膨脹性試驗(yàn)規(guī)律,預(yù)測地基巖土體的膨脹力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)膨脹力估計(jì)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(jié)構(gòu)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(tái))的升降異常問題。結(jié)合各橋墩(臺(tái))的監(jiān)測數(shù)據(jù)(圖4)和沿線地層剖面圖(圖2),對(duì)比得出,橋墩在0#~4#橋墩(臺(tái))升降作用不明顯,主要原因是下伏白云質(zhì)灰?guī)r偶夾膨脹性硅質(zhì)巖地層,同時(shí)處在斷層的影響范圍內(nèi),巖石膨脹潛勢(shì)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(fā)育;而5#~17#橋墩產(chǎn)生差異性升降現(xiàn)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(chǎn)生最大的升降量。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明18#橋墩位置升降量明顯減小,這主要由于此處斷層發(fā)育,巖土體受到擾動(dòng),膨脹變形部分釋放,地表測量表現(xiàn)為變形量較小的緣故。同理,18#之后各橋墩(臺(tái))的升降受到不同程度的影響。

        綜上分析,從膨脹巖和斷層構(gòu)造影響的角度解釋橋墩(臺(tái))的異常抬升和差異性升降問題是合理的。膨脹巖是基礎(chǔ),潛水位升高是條件,二者結(jié)合使巖土體吸水膨脹至飽和、過飽和,從而造成上部結(jié)構(gòu)的異常抬升,反之,巖土體失水收縮引發(fā)橋墩的異常沉降問題。因此,推測橋墩(臺(tái))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(jié)論與建議

        (1)橋墩基礎(chǔ)的異常升降與地下潛水位變化存在直接關(guān)系。

        (2)膨脹巖體地層分界造成5#橋墩升降量較4#劇增;發(fā)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(gòu)造解釋了橋墩墩體的差異沉降現(xiàn)象。

        (3)現(xiàn)場調(diào)繪及物探結(jié)果表明研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)穩(wěn)定,且測區(qū)內(nèi)無穩(wěn)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(nèi)關(guān)于原狀膨脹巖體和壓實(shí)擾動(dòng)土的膨脹性試驗(yàn)表明,吳家坪組地層具有較強(qiáng)的吸水膨脹特性,且存在使得上部結(jié)構(gòu)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(xué)反應(yīng)帶動(dòng)上部結(jié)構(gòu)抬升和沉降引起的。對(duì)于膨脹巖的脹縮特性引起基礎(chǔ)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(jī)理還有待深入研究。這一工程案例可為后續(xù)類似工程提供一定參考。

        致謝:感謝中國中鐵二院工程集團(tuán)有限公司提供資金及技術(shù)支持。

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