赫六高速殷家特大桥工程地质特征及稳定性评价

郭抗美 滑晶晶

摘要 殷家特大桥为赫六高速控制性工程之一。其工程地质条件和边坡稳定性对其施工及后期使用意义重大，高边坡的局部失稳、垮塌会造成重大经济损失，引发安全事故。故前期工程场地建设适宜性和边坡的稳定性分析显得尤为重要。在野外工程地质调绘的基础上，采用物探、钻探、钻孔波速测试及原位和室内试验多手段勘察方法，查明桥址区工程地质条件，在此基础上对工程场地建设适宜性进行评价。然后利用赤平极射投影法定性分析得到边坡最不利的岩土结构面，进一步通过理正和Flac3D软件对大桥两侧边坡的稳定性做出了定量评价，得到其稳定性程度。本次评价可作为本工程初步设计依据并给相应地理环境工程建设可靠性参考。

关 键 词 殷家特大桥;工程地质;勘察;边坡;赤平投影;稳定性评价

中图分类号 U412.22     文献标志码 A

0 引言

殷家特大桥位于贵州省赫章县野马川镇境内，是一座跨度为912 m，最大净高188.99 m的特大桥，采用预应力混凝土T梁+钢构形式，拟建两处桥台均位于山体顶部，桥墩位于山体坡麓地段，坡度较陡，约30 ° ～ 45 °。，桥梁横跨山间U型谷地，地面高程1 419 ～ 1 616 m，最大高差197 m。工程場地属于溶蚀、侵蚀低中山地貌，桥址区小里程方向有岩土质边坡，坡面呈梯田状，最大高差约为200 m，岩层产状为200 °∠3 °，边坡坡面倾向105 °，坡度32 °。桥址区大里程方向，最大高差约210 m，倾向7 °，坡度41 °。

1 地质勘察作业

1.1 物探

本次物探工作布置了1条电测深纵剖面，30块标本物性测试，剖面沿特大桥设计左线左10 m布置，剖面起点位设计左线起外延70 m，设计左线终点外延78 m。小里程方向部分物探测线布置见图1。

采集了区内主要岩性岩（矿）石标本，采用面团法测定了标本的电阻率ρ参数，计算了不同岩性岩（矿）石的电阻率几何平均值，本区主要岩石与围岩之间，电阻率差异明显。结果见表1。

从表1中可以看出：岩（矿）石标本中，主要岩石电阻率几何平均值在89.6 Ω·m。即，本区主要岩石与围岩之间，具有明显的电阻率差异。这就为我们应用电法揭露地质现象，奠定了地球物理基础。

用WDA-1B超级数字直流电法仪[1]，测出各点电阻率ρ值，该次工作进行了方法有效性与工作参数选择实验，根据实验结果，最小供电极距AB/2 =1.0 m，最大供电极距AB/2 = 46.4 m，最小测量极距MN/2 = 0.5 m，最大测量极距MN/2 = 2.5 m，保持MN =（1/10～1/30）AO m范围内。

最后将野外观测到的原始数据利用WDAFC专用软件[2]导出到计算机，利用地面标高资料，将解释深度换算到绝对标高，再利用Golden Software Surfer 13 软件进行后期处理，生成彩色断面图，该图直观明了，易于地质解释，详见图3。

综上根据电测深断面图推测第四系地层主要为碎石土或强风化砂质泥岩，下伏岩石主要为中生界三叠系下统飞仙关组（T1f）泥岩、砂岩，以及第四系地层与下伏泥岩的界线。场地第四系土层（碎石土或强、全风化砂质泥岩）厚度一般0～27 m，桥位区南侧厚度相对较大，桥位区中部碎石土分布较大。本次物探工作未发现基岩断裂构造，围岩多为Ⅳ、Ⅴ类。

1.2 钻探

鉴于物探异常的多解性及物探方法的局限性，采用钻探方法对物探异常进行有效地验证，以确保特大桥施工安全。根据规范在桥址区工程场地布设9个勘探钻孔，本次钻探工作，在钻孔揭露深度范围，确定地层分为3类：碎石土、强风化砂质泥岩和中风化砂质泥岩。此取一个典型钻孔QZK37的不同岩心分布：0～5 m为碎石土，5～6.4 m为强风化砂质泥岩，6.4～75 m为中风化砂质泥岩，如图4。

将9个钻孔的终孔照片以及现场记录所见的地质现象进行室内地质观察点编录，然后将编录好的信息输入到理正岩土勘察软件中，利用其自动处理信息并出图功能，绘制各个钻孔柱状图。最后依据各个位置钻孔的柱状图和物探成果确定最终的地层和地层分界线，画出工程地质纵剖面图，如图5。

1.3 钻孔波速测试

现场工作利用WSD-2A数字声波仪[3]进行钻孔原位波速测试，采用单孔法将测试探头放置于测试孔内，井下测试探头为一发双收探头，测试点距1 m，每测1 m用仪器记录来自接收换能器的振动信号。改变测试点位，重复上述步骤，可得孔内不同深度的波形记录。利用专业软件，计算出不同深度的波速值。

选取具有代表性的钻孔QZK37的5 ～31 m段的波速测孔实验数据，见表2。

1.4 原位、室内实验

本次勘察采集2组地表水试样进行室内试验，实验结果详见表3。

根据《公路工程地质勘察规范》（JTGC20-2011）附录表K.0.3确定本场地环境类别为二类，根据附录K.0.2确定场地地表水具微腐蚀性。

根据野外鉴别结合地区经验和原位、室内试验，确定各岩土层地基承载力基本容许值及其他物理力学参数，见表4。

2 稳定性分析

2.1 桥台及桥墩稳定性评价[4]

拟建两处桥台均位于山体顶部，坡度约30°～45°，上覆土层为稍密状的碎石土层，下伏岩层为强风化砂质泥岩，层厚度较小，中风化泥岩埋深稳定，强度较高，地基基础条件较好，工程建设诱发次生地质灾害可能性较小，桥台稳定性良好。拟建桥墩均位于山体坡麓地段，坡度较陡，约30°～45°，上覆土层为稍密状的碎石土层，下伏岩层为砂质泥岩，地层结构较复杂，岩土体工程性质较好，桩端持力层埋深稳定，强度较高，工程建设诱发次生地质灾害可能性较小，桥墩稳定性良好。

2.2 边坡稳定性评价

2.2.1 边坡小里程位置

利用赤平投影软件[5]定性分析小里程边坡稳定性，下伏基岩以及边坡与岩体结构面组合关系的赤平极射投影图[6]如图7。

由图7可知岩层倾向与边坡呈逆向接触关系，岩体整体稳定性较好，岩层面YC和LX1组合交线倾向和坡面倾向一致，倾角小于坡面角，可能沿交线方向成楔形体滑动，对边坡稳定性可能有影响;其余各结构面组合交线均与坡面大角度相交，属有利边坡组合，对边坡稳定性影响较小，整体而言，碎石结构松散，抗冲刷能力弱，但覆盖厚度较薄，强风化泥岩厚度较大，节理裂隙发育，岩体较破碎，碎块间结合性良好，属层状结构，在削坡阶段如有过大的震动，可能造成滑塌、掉块等不良地质现象，总体边坡稳定性良好。

2.2.2 边坡大里程位置

下伏基岩，以及边坡与岩体结构面组合关系的赤平极射投影如图9。

由上可知岩层倾向与边坡呈顺向接触关系，岩体整体稳定性较差，边坡岩性主要为碎石、强风化砂质泥岩和中风化砂质泥岩，节理裂隙发育，岩体较破碎，碎块间结合很差，属散体结构，施工扰动易产生掉块和塌落，对边坡稳定性不利。岩层面 YC 和 LX2 组合交线倾向和坡面倾向一致，倾角小于坡面角，可能沿交线方向成楔形体滑动，对边坡稳定性有一定影响;岩层面 YC 与坡面斜交，倾向相同，交角小于 40°，会产生浅层滑动。整体而言，边坡稳定性一般，建议进行定量分析。

利用有限差分软件FLAC3D[7]对边坡进行数值模拟分析并通过理正软件的简化Bishop折线法计算整体安全系数[8]，在FLAC3D进行数值计算中采用理想弹塑性模型中的摩尔-库伦模型作为此高边坡土体的本构模型进行计算和分析。其優点在于能够比较真切地描述土体和岩石发生的剪切破坏。

由于边坡岩层节理面和产状对局部稳定性产生不利影响，根据赤平投影分析得到最不利的岩土结构面，就此选取可能产生失稳的部位建立3D模型，对边坡岩性、岩层节理进行数值模拟，研究土结构在力学作用下的特性及规律，各岩土层的物理力学参数按上表4选取。最后结合理正软件[9]采用简化Bishop折线形滑面稳定分析法计算天然条件下岩土混合边坡的滑动系数，做相应的辅助分析，计算成果如图10～13。

利用有限差分软件FLAC3D采用强度折减法[10]进行稳定性分析，由图10所示的大里程边坡安全系数、剪切应变增量、速度矢量分布图可知，前缘的剪切应变增量较大，根据岩体力学理论可知边坡最薄弱地带就是剪切应变增量较大区域，剪切应变增量最大3.141 0 × 10-1，即应力最大，变形最大处，所以此天然边坡的潜在滑移区域主要分布于边坡前缘，滑移体最大垂直厚度约为0～13 m不等。

又由速度矢量分布图可以看出边坡绿色区域的速度矢量箭头长且水平，说明此区域的节点位移较强烈，高程于1 480～1 564 m之间，整个天蓝色带状以上区域土体为最危险滑移体，

且图12的Z向位移分布图可看出此部分累计位移偏大，即滑移面产生于图中边坡中下边缘的彩色区域。又知得到的整体安全系数为1.57 > 1.20，在天然条件下边坡处于稳定状态。

根据计算完成后的图11塑性区[11]分布知，当前塑性区已经于边坡中部边缘基本完全贯通，但厚度很小。又由勘察成果可知此部分为碎石土和强风化砂质泥岩，如果降水量达到一定程度，很容易发生失稳，造成泥石流地质灾害。

由图13所示的采用极限平衡法的理正软件计算出段滑动安全系数为1.364>1.20，和数值法得出的整体安全系数相差不大，且从中可看出其浅层滑动面和Flac3D计算结果图显示的剪切带范围基本一致，所以整体分析结果相对可靠[12]。

3 结论和建议

1）本次勘察，根据物探成果结合钻孔揭露深度范围内，地层结构自上而下为：①碎石土（Q4dl+pl），②强风化砂质泥岩（T1f），③中风化砂质泥岩（T1f）。

2）桥址区属于侵蚀、剥蚀低中山地貌，桥址区不良地质作用较发育，附近未见有活动断裂通过，场地基本稳定，较适宜进行本工程建设。

3）根据钻孔波速测试成果分析，得到各岩土层弹性波速度值变化范围。由钻孔波速测试的剪切波速Vs，覆盖层较厚，一般大于5 m，建筑场地类别为Ⅱ类。由岩体纵波速度Vs，得到个地层岩石完整性系数。场地抗震设防烈度为 6 度，场地地震动峰值加速度为 0.05g，场地地震动峰值加速度反应谱特征周期值为 0.40 s。桥梁抗震设防类别为 A 类。

4）根据场地地层分布特点和岩土物理力学性质，建议殷家特大桥采用机械成孔灌注桩基础，以中风化砂质泥岩作为桩端持力层，桩基设计参数可按表4选取。

5）根据赤平投影图分析，可知小里程方向高边坡岩体整体稳定性较好。大里程方向岩体整体稳定性较差。

6）由极限平衡法和数值分析法分析，可知边坡安全系数为1.4左右，剪切应变增量最大3.141 0 × 10-1，此天然边坡的潜在滑移区域主要分布于边坡中前缘，碎块间结合性很差，在削坡阶段如有过大的震动，容易造成滑塌、掉块等不良地质现象。后期施工中边坡底部区域容易失稳。开挖前应在上部进行卸荷及防护然后分级开挖并采取加护措施，建议采用框架梁+锚杆（索）加护方案，并建议对此高边坡稳定性开展专题研究。

综上所述殷家特大桥工程地质条件较复杂，建设难度相对较大，但场地条件适宜本工程的施工。大里程高边坡稳定性较好，小里程高边坡稳定性较差，罕遇地震和暴雨情况下，易发生崩塌、泥石流等不良地质灾害，应加强防护措施，展开专题研究。

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[责任编辑    杨    屹]