沿江沖積平原區(qū)某鐵路特大橋勘察

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.江西省勘察設計研究院，南昌 330099；2.南昌工程學院，南昌 330099； 3.中鐵五院第五勘察設計院有限公司，北京 102600）

沿江沖積平原區(qū)工程地質條件較為特殊，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，下伏沉積相的全風化、中風化的砂巖，巖土力學性質具軟硬交錯特點。通過勘察和綜合分析，提出下臥軟弱地層、液化效應是沖積平原區(qū)特大橋勘察的重點和難點，并以京九高速鐵路孔壟上行特大橋勘察為例，對沿江沖積平原區(qū)鐵路特大橋勘察開展工程地質分析，總結了該類型大橋勘察工程地質問題，提出了端承樁+T字梁結構+抗液化措施的建議，為設計和施工提供了科學依據(jù)。

鐵路橋；沖積平原；工程地質；勘察

深厚土層、軟弱下臥層、震動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問題。近年來，軟弱下臥層在震動或水的軟化作用下的失穩(wěn)特征及砂土液化效應對鐵路、公路工程的影響越來越受到廣泛的關注[1]。安慶至九江鐵路孔壟聯(lián)絡線上行特大橋位于湖北省黃梅縣濯港鎮(zhèn)境內，是京九高速鐵路重點特大橋之一。該橋于2015年10月通過地質調查和采用鉆探、原位試驗、靜力觸探等綜合勘探測試手段，結合室內試驗，詳細查明了橋址范圍內的地層分布、巖性、地下水分規(guī)律等地質情況，發(fā)現(xiàn)橋址范圍了內存在超過40m的深厚松軟土層和全風化的軟弱地層，地質條件差，對特大橋的設計和施工帶來一定的影響[3]。

圖1 特大橋典型剖面示意圖

1 特殊的工程地質背景

1.1 工程地質條件的特殊性

沿江沖積平原區(qū)，地形平緩，河流相地質沉積作用復雜。研究區(qū)高程僅為10～16m。在河流地質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）、細圓礫土（0.7~16.0m）；第三層為第三系（E1），包括全風化砂巖（0.5~12.96m）和中厚層強風化砂巖。（圖1）

特大橋上部結構復雜，對工程地質條件要求高。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構特征，其中沖積和洪泛相中砂土、粉土、粉土與全風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號鉆孔間），有的呈板狀分布（111~113號鉆孔間），還有的是透鏡體（如50~52號間），分布極不規(guī)律。（圖2）

密實圓礫土下方有時可見一個旋回的呈扁豆狀分布的全風化的砂巖，當其富含泥質砂礫時，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）之間有如下經驗關系：

lgD=0.8271 lgH+0.8901 （1）

在研究區(qū)的第四紀沉積物中，上覆蓋連續(xù)性較好的厚度較大的沖積物、粉質粘土和淤泥質飽和粉土，這些土層一般上部結構透水性較好，底部為密實粘土隔水層，這些隔水層在外動荷載作用條件下，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，它們使巖土體結構復雜化，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號墩之間存在厚度約0.5~3.2m的軟粘土。

1.2 巖土力學性質的交錯性

巖土力學性質由上至下遞變規(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，各地層巖土力學性往往呈現(xiàn)上下交錯的性質，一般情況下，上部為第四紀沖積形成的粉質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，承載力由大變小；第三層是細砂、中砂、粗砂至細圓礫土，基本承載力由110kpa逐漸遞增到600kpa；最下面一層為全風化的砂巖、強風化砂巖、微風化砂巖，力學性質又迅速減弱后，又逐漸增強，數(shù)據(jù)變化見附表。

1.3 充沛的地下水

沖積區(qū)特大橋勘察另一個顯著特點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、細砂、中砂、粗砂、礫砂和細圓礫土組成，富含第四系孔隙潛水；下覆全風化和強風化砂巖裂隙較多，富含基巖裂隙水；這些地層透水性隨著埋深逐漸加強，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，影響特大橋樁基礎的長期穩(wěn)定性和大橋工程的安全。

孔壟聯(lián)絡線上行特大橋典型地層巖土力學表

地層編號巖土名稱巖土狀態(tài)巖土物理力學參數(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粉質黏土軟塑18.416.65.4°3.969020 ①12粉質黏土硬塑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細砂中密----21050 ③32中砂中密----37065 ③33粗砂中密----43080 ③34細圓礫土密實----600160 ④41砂巖全風化----20060 ④42砂巖強風化----30080

2 地震與斷裂構造

2.1 斷裂構造

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)距大型斷裂構造距離較遠，且地層分布為厚度8～15m的粗砂、礫石或硬質土層，斷裂構造對工程的影響程度較小。

2.2 地震及地震動參數(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)，工點內地震動峰值加速度為0.05g，相當于地震基本烈度Ⅵ度，地震動反應譜特征周期分區(qū)為1區(qū)，未來百年內，研究區(qū)處于相對平靜期，總體地震活動水平較弱。

2.3 砂土液化分析

沖積平原區(qū)地層廣泛分布粉土、粉質粘土、粉細砂和中砂，在地基土體受到地震和強震動作用下，砂性土層可能會產生震動壓密、下沉、地震液化，而飽和的軟弱夾層及松軟土層在震動作用下可能會流塑變形；在進行樁基施工和深基坑開挖時可能性滲透變形，從而導致橋基失效造成特大橋的破壞，因此建議根據(jù)相關規(guī)范對地基砂土進行震動流化的判別。部分鉆孔（如ZK13-20，ZK77-79，ZK92-93，ZK128-129號）的含粉砂百度超過20m，在振動作用極易發(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)對應的地震基本烈度為Ⅵ度，地震分區(qū)為第Ⅰ區(qū)。地質勘察表明第四系全新統(tǒng)沖洪積的9層密實細圓礫土因埋深在40m左右，承載力在600MPa左右，厚度也較穩(wěn)定，可作為樁基礎的持力層。勘察深度范圍內分布有可液化土層，在設計應充分考試，并注意水位變化對樁的摩擦力的影響；同時因下覆全風化第三系砂巖，承載力較弱，在設計時要進行軟弱基底驗算。

圖3 孔壟聯(lián)絡線上行特大橋88號墩地質概化剖面圖

基于上述分析，先利用鉆探和標貫對橋基穩(wěn)定性進行分析，再利用剪切波速測試法對研究區(qū)0－89墩、90－121墩兩個剖面的ZK35、ZK36、ZK65等6個孔位進行剪切波速和地震液化進行分析，發(fā)現(xiàn)剪切波速Vse均小于150m/s；在設計時要對單線和雙線剖面進行橋基穩(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摩擦力的影響，將樁穿透液化土層并深入到下部密實穩(wěn)定的圓礫土層足夠長度（3m以上），增強液化場地的防震措施。建議采用墩臺樁基和摩擦樁，以防止負摩擦力對降低樁的負摩擦力的產生。

3.2 橋梁結構建議

特大橋橋梁上部結構安全除與上部荷載大小及方法有關，且與地層巖性、各地層厚度等因素密切相關，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。結合地質情況、橋梁抗震要求和安全經濟實用、施工工期的等綜合因素，橋梁結構單線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設計建議

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

根據(jù)這些問題，擬對特大橋兩端路橋過渡段、錐體護坡基底及橋臺填土路基段建議考慮加固處理設計，如對ZK1、ZK2、ZK3、ZK170~ZK171可采用端承樁和橋臺換填土法路基；地下水埋藏淺，建議做好承臺開挖時的降水、排水設計和基坑支護措施設計，防止基坑溜坍及基槽浸泡，如ZK99、ZK100、ZK101、ZK102等施工時，施工時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、地面塌陷等孔內事故，橋梁設計時需注意加強防護措施設計，以免影響成樁質量，如在砂層厚度超過8m的ZK49~ZK53，ZK92~ZK93等鉆孔采用鋼護筒跟進法、片石粘土筑壁法、真空吸進法等進行技術處理。

4 結論與討論

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,在震動作用下易發(fā)生橋基失穩(wěn)現(xiàn)象，面臨共有的工程地質問題：

1）地層結構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構造成其巖土力學由上至下由弱到強、再由強到弱的分布特征，對工程的影響較為復雜。

2）通過綜合勘探結果表明，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。結合工程的剖面圖和柱狀圖，孔壟上行特大橋的56~88號橋墩由于粉砂厚度較大，還要特別注意防止砂土震動液化。

3）鑒于沖積平原區(qū)工程地質條件復雜、巖土力學性質交錯性的的特點，采用綜合勘察方法對橋基進行勘察效果對比分析，重點做好地基穩(wěn)定性分析及下臥軟弱層承載力計算。在此基礎上，合理設計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、水位漲跌引起負摩擦樁等，科學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行。

[1] 楊懷玉，許再良. 鐵路工程勘察鉆探技術[M]. 北京；中國鐵道出版社，2013.

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[7] 陳偉.西南某鐵路大橋綜合勘察認識，鐵道工程學報[J]. 2011.159(12):49-54.

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

江西省教育廳科學技術研究項目（GJJ151124），國家自然科學基金(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計工作

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)定性的研究和實踐工作

[P642.3]

A

1006-0995（2017）04-0655-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2017.04.029