合肥至蚌埠客运专线窑河特大桥工程极软岩承载力的确定与分析

肖玉兰

(中铁上海设计院集团公司,上海200333)

合肥至蚌埠客运专线窑河特大桥工程极软岩承载力的确定与分析

肖玉兰

(中铁上海设计院集团公司,上海200333)

结合合肥—蚌埠客运专线窑河特大桥工程中的极软岩(泥质砂岩),通过多种理论方法和勘察测试手段,对如何确定极软岩地基的承载力进行分析与探讨,总结出勘察经验与方法,并在今后的勘察工作中应用。加强分析研究这些方法和手段,扬长避短,使之能够较全面地反映极软岩的物理力学性质,能较准确地确定极软岩的地基承载力。对该岩体的工程地质特征,尤其是承载力的确定具有重要的实际意义。

极软岩;地基承载力;风化;节理发育;抗压强度;安徽

0 引 言

合肥至蚌埠客运专线窑河特大桥位于安徽省凤阳县和淮南上窑镇境内,定测设计起止里程为DK31 +377.60—DK39+904.62,桥长8 527.02m,该桥穿沈家湾,跨窑河。

窑河特大桥位于淮河冲积平原、窑河漫滩及一、二级阶地,桥址处窑河河床顺直,水面宽约2km,水流平稳,主流水深约8.00m。两侧堤岸蜿蜒曲折,地形平缓开阔,覆盖全新统及更新统冲积层厚5.0m～35.0m,以黄褐色、褐黄色为主的粘土、粉质粘土。下伏为一套白垩系上统张桥组的泥质砂岩。特大桥采用桩基,基础持力层为白垩系泥质砂岩。

桥址区位于中朝准地台的南东边部,主要构造特征以近东西向构造为主。构造单元是沉陷地带,为合肥盆地基底北缘,接受巨厚的中新生代的堆积,桥址范围均被第四系覆盖。

该桥在初勘、详勘及补充勘察中,经过对较多岩样进行测试、并对岩体作了动力触探及标准贯入试验,获得了较多的试验数据,加强研究和分析这些数据对该岩体作为基础持力层将对该桥及该岩体工程地质特征(尤其是承载力)具有重要的实际意义。

1 极软岩物理力学性质

窑河特大桥工点中的极软岩为白垩系上统张桥组的红色泥质砂岩,测区构造简单,岩层产状平缓。该岩石的物理力学特性主要表现为极软岩(饱和单轴抗压强度小于5MPa),岩石风化程度不均匀,有的风化呈砂土状,偶夹碎块状,局部含砾,有的风化呈柱状。渗透性低而水稳性差,岩石遇水易软化,暴露在空气中易开裂。回转钻进时,机械破碎强烈,岩心破碎成粒屑状、碎屑状,原岩基本被破坏,难以取到完整岩心等性状。

2 用岩石单轴抗压强度确定极软岩的承载力

本工点统计前剔除了明显异常偏大的数值,共完成18个岩石样品的抗压试验数据的统计(表1)。

表1 岩石天然单轴抗压强度试验统计表

经统计,天然单轴抗压强度为0.57MPa～2.21MPa,平均为1.15MPa,属极软岩,因样品浸水饱和后崩解,无法做饱和单轴抗压强度试验。

方法一:按原《铁路工程地质手册》(交通部第一铁路设计院编)表Ⅱ-2-54确定极软岩容许承载力=(1/5～1/7)R(R为单轴饱和抗压强度),现用天然单轴抗压强度值代替饱和单轴抗压强度值,可得泥质砂岩的容许承载力约为200kPa。

根据多年来岩体工程勘察实践,按上述公式来评价此处极软岩地基承载力是不太适宜的。主要存在以下几个方面的问题。

①工程性质表明,极软岩石在回转钻进过程中,岩石机械破碎强烈,岩心破碎成粒屑状、碎屑状,原岩基本被破坏,难以取到完整岩心,因而在极软岩石中较难采取到符合规格的岩样进行室内饱和单轴抗压强度试验。

②即使采到了大量的岩样,其代表性很差,实验数据离散性很大,且本次采取的极软岩样品几乎不能做饱和单轴抗压强度试验,即使用极软岩用天然单轴抗压强度值代替饱和单轴抗压强度值,根据此结果来确定极软岩的地基承载力明显偏低,过于保守。

上述情况是由于极软岩自身所固有的物理力学特征,从钻探—取样—制样—试验诸环节过程中,其固有的物理力学性质已经受到人工环境下各种因素的影响,且这种影响又极易造成岩石力学强度的损失。

回转钻进过程中,极软岩石由于受到回转用水的浸泡已经处于近似饱和状态,这也是此处即使用天然单轴抗压强度值代替饱和单轴抗压强度值计算,其结果也是偏低的根本原因。从这个角度上分析,按公式(1/5～1/7)R来确定极软岩石地基承载力有其局限性,且确定的地基承载力普遍偏低。

方法二:按国标《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2002)规定,通过室内天然单轴抗压强度求岩石地基承载力:

式(1)中,fa为岩石地基承载力设计值(kPa);frk为岩石饱和单轴抗压强度标准值(kPa);ψr为折减系数(完整岩可取0.5,较完整岩可取0.2～0.5,较破碎岩体可取0.1～0.2);frm为岩石饱和单轴抗压强度平均值(kPa);ψ为统计修正系数;n为式样个数;δ为变异系数。

因白垩系上统张桥组的泥质砂岩是厚层状,受构造运动较少,岩体节理不发育,属较完整岩,ψr可取0.4～0.5,同样,极软岩用天然单轴抗压强度值代替饱和单轴抗压强度值,计算结果为fa= 384kPa～480kPa,根据此试验结果来确定极软岩的地基承载力比较准确。这是因为公式已经考虑了从钻探—取样—制样—试验诸环节过程受到人工环境下各种因素的影响,折减系数取值合理。因此,确定的地基承载力比较切合实际。

方法三:参照国标《工程岩土分级标准》(GB 50218—1994),依据公式BQ(基本质量指标)=90 +3Rc+250Kv(Rc为岩石饱和单轴抗压强度,Kv为岩体完整性系数)。

先求出岩体基本质量指标,完整岩体Kv>0.75 >0.04Rc+0.4=0.44,取Kv=0.44,则BQ=90+3 ×0.96+250×0.44=202.88<250。

判定岩体基本质量为Ⅴ级,对应承载力小于500kPa,结论与实际较吻合。

3 根据查表确定极软岩的承载力

根据《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D 63—2007)表3.3.3-1,确定岩石地基承载力基本容许值fao,根据《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB 1002.5—2005)表4.1.2-1,确定岩石地基的基本承载力σ0,这两个规范都是根据岩石类别、节理发育程度来查表确定岩石地基承载力。

现场鉴定与研究判定此层泥质砂岩为节理不发育的极软岩,根据《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB 1002.5—2005)表4.1.2-1查得基本承载力为400kPa～500kPa。

然而,岩石节理发育程度的判定人为因素较大,这要求有丰富工程经验的人员才可能判定出比较准确的结果,且因采取的岩心毕竟有限,再者,岩石节理发育程度也不均匀,这就给准确判定岩石节理发育程度带来一些偶然因素,从而确定岩石地基承载力的确定也会受到一定程度的影响。

4 用标准贯入试验及圆锥动力触探确定极软岩地基承载力

此工点的70多个钻探孔中,在基础持力层(泥质砂岩)中进行了大量的标准贯入试验和动力触探试验,获得了170个标贯数据,试验击数波动值为8击～65击。平均为35击,获得83个重型动探数据,动探击数波动值为6.7击～17.3击。平均为12击。

标准贯入试验评价地基承载力依据是《工程地质手册》第三版第三篇岩土测试第二章第五节的标准贯入试验的成果应用参考砂土标贯击数与承载力关系及参考表3-2-37,可综合求得此层泥质砂岩承载力为340kPa～500kPa。

动力触探试验评价地基承载力根据是《工程地质手册》第三版第三篇岩土测试第二章第四节的动探试验的成果应用中用重型动探击数N63.5确定地基土承载力,比照碎石土、砂土动探击数与承载力关系表3-2-19、广东省建筑设计院资料(表3-2-20)及铁道部第二勘测设计院的研究成果(表3-2-22),可综合判定此层泥质砂岩承载力为400kPa～470kPa。

确定岩石地基承载力的最直接而有效的方法是岩体荷载试验,若由于岩体埋藏较深,做荷载试验比较困难时,用动力触探和标准贯入试验的原位测试手段来确定极软岩的地基承载力就显得尤为重要。

这两种原位测试手段最大的优点就是减少了对钻探施工过程中各种不利因素的影响,使实测的锤击数能较真实地反映极软岩石在自然状态下的物理力学强度,而且根据动探和标贯的实测锤击数能较准确地对极软岩石进行“强风化”、“弱风化”的力学分层。

5 结 语

表2列出了通过各种测试手段所获资料确定的岩石承载力。

表2 各种测试手段确定的岩石承载力表

本工点通过岩石的抗压试验、标准贯入试验、重型动力触探及野外鉴别等多种综合勘察手段,经仔细分析、比对后确定桩基持力层泥质砂岩的基本承载力为450kPa。本工点(新建铁路合肥—蚌埠客运专线窑河特大桥)基础施工已完毕,经施工验槽检验,所提的承载力切合实际。

这种极软岩——白垩系的红色泥质砂岩在我国分布较广范,新建铁路合肥—蚌埠客运专线其他工点也普遍分布,在宁启铁路南京—南通段复线电气化改造工程的勘察工作中发现也有大面积的白垩系浦口组的红色泥质砂岩。

笔者认为,只有把多种测试手段结合起来,分析研究各种测试手段的优缺点,扬长避短,才能较全面地反映极软岩的物理力学性质,使之能较准确地确定极软岩的地基承载力。因此,笔者就极软岩承载力的确定与分析提出一些思路,对此类极软岩承载力的确定具有实际意义,但由于极软岩具有特殊的工程特征及复杂的风化特性,在工程应用中应根据具体情况具体对待。

[1] GB 50007—2002,建筑地基基础设计规范[S].

[2] TB 10012—2007,铁路工程地质勘察规范[S].

[3] TB 1002.5—2005,铁路桥涵地基和基础设计规范[S].

[4] JTJ 064—1998,公路工程地质勘察规范[S].

[5] JTGD63—2007,公路桥涵地基与基础设计规范[S].

[6] 《工程地质手册》编委会.工程地质手册[M].3版.北京:中国建筑工业出版社,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;编辑:侯鹏飞

肖玉兰(1974—),女,工程师,水文地质与工程地质专业,现主要从事岩土工程勘察工作.