红层丘陵区某高速桥墩地基深大裂缝病害成因机制及处治方案

2019-01-08陈紫云

地质灾害与环境保护 2018年4期

陈紫云

(1.四川省交通运输厅交通勘察设计研究院，成都 610017；2.成都理工大学，成都 610059)

工程结构物地基的裂缝虽然不一定必然影响其结构安全，但是工程技术人员需要引起警觉，应高度重视建设场地的稳定性。孙耀庭等[1](2014)认为，裂缝是岩石失去结合力的一种地质界面，是破裂作用的结果。裂缝按其形成条件可划分为原生裂缝和次生裂缝。沉积岩原生裂缝主要为埋藏过程中受各种成岩作用影响形成成岩裂缝、构造应力变化引起岩石破裂而形成的构造裂缝和受热接触变质作用产生的变质收缩裂缝。次生裂缝，即后期的浅表生改造作用(李天斌等[2]，2002)会引起原生裂缝的发展演化或新的宏观裂缝的形成。原生裂缝对建构筑物地基的影响主要是破坏其完整性，次生裂缝则往往对场地稳定性具有一定的控制作用。一般来讲，红层丘陵地区处于斜坡地带的宏观裂缝多是次生裂缝，并不一定完全就是病害本身的全部，它往往仅是病害发生发展过程中所产生的现象。本文即以红层丘陵区某桥梁墩台地基深大裂缝病害为例开展调查研究，得出该病害为平推式滑坡的结论，并且其主滑方向并不是临空方向，而是与临空面走向小角度相交，且具有运动矢量合成的特征。

平推式滑坡属于滑坡灾害中较为特殊的一类，它的概念(张倬元等[3]，1985)提出以来，诸多学者从不同视角对平推式滑坡的形成条件、主要特征、致灾机理、启动判据进行了不同程度的研究，取得了较为丰富的成果[4-7]，特别是致灾机理研究获得了大家的共识，那就是平推式滑坡是由主要动力源——充填裂隙水压力，及高承压水形成的扬压力等综合作用所引发，并且在启动判据[8]、底滑面承压水渗流场[7]方面获得了较为可喜的进展。但仍然存在不足的是，关于平推式滑坡的破坏模式及演化过程研究成果还较少[6]，并且尚无临空方向与滑坡主滑方向不一致的案例。

1 工程概况及场地工程地质环境背景

1.1 工程概况

工程项目为四川红层地区某重点高速公路，涉事段路面宽度26 m，设计速度100 km/h。涉事工点为一座跨沟谷大桥，全长413 m，位于纵坡-3%、半径R=1 500 m、曲线长度L=725 m的圆曲线上，两端接挖方路基。桥梁上部构造为10 m×40 m预应力混凝土简支T梁(图1)。涉事位置为第7跨大桩号的7号墩地基、基础，其下部结构为双柱式空心薄壁墩，墩高43 m，墩底尺寸650 cm×300 cm，基础设计为6根长24 m、直径Ф1.8 m的圆形挖孔灌注群桩，桩间距450 cm，桩基承台尺寸：1 220 cm×770 cm×350 cm。相近桥跨的墩高分别为5号67+m、6号65+m、8号31+m、9号27+m。

图1 桥梁布置示意图

1.2 自然地理条件

区域上属于亚热带湿润季风气候区，四季分明、气候温暖、光热充足、雨量充沛、无霜期长，云雾较多、日照偏少，具有春早、夏长、秋凉、冬暖特征，夜雨多、风速小、湿度大，夏季雨、热集中，多旱涝，降雨多集中在5～9月，约占全年降雨量的70%，秋季绵雨频率高。多年平均气温17.6 ℃，极端高温40.2 ℃(最热月8月)；极端低温-3.70 ℃(最冷月1月)。多年气象平均值：日照数1 285.7 h，降水量1 025.8 mm，蒸发量1 168.3 mm，相对湿度82%，雾日47.4 d，无霜期314 d。主导风向为东北风及西北风，平均风速1.4 m/s，最大风速17 m/s，静风频率36%。

1.3 工程地质条件

项目区地处四川盆地中部，属构造侵蚀剥蚀型丘陵区。桥址区微地貌受岩性和外营力综合控制，为椭圆形“U”型槽谷，乃砂泥岩差异风化和地表径流影响所致。公路轴线地面高程339～421 m，相对高差82 m。两岸斜坡坡度25°～35°，局部达45°～50°，为多级陡坎台阶，高度一般2～7 m，个别大于15 m，台阶阶面平缓，宽5～20 m不等。谷底宽35～45 m，地形开阔平缓，原多为稻田。丘顶及陡坡处基岩大面积出露，台阶平台多为旱地，散居农舍，陡坡多为林地，有少量灌木、柏树。桥梁跨越2.0±m的常年流水小冲沟，勘测时水位高程为339.15 m，水深0.5～1.0 m，最高洪水位340.50 m(访问)。

桥址区主要地层为全新统残坡积层(Q4el+dl)、坡洪积层(Q4dl+pl)和侏罗系遂宁组(J3s)基岩。残坡积层主要为粉质黏土，紫红色、黄褐色等，稍湿-湿，可塑-硬塑，含少量碎石、角砾，厚度约0.4～1.5 m。坡洪积层粉质黏土为红褐色，湿，可塑，钻孔揭露厚度约8.1 m，主要分布于丘间谷地。基岩为粉砂质泥岩、砂岩，产状70°∠4°。泥岩为褐红色、紫红色，局部夹灰绿色砂质团块，薄-中厚层状构造。砂岩为灰白色、灰褐色等，矿物成分主要为长石、石英岩屑，厚层-巨厚层状构造，粉细粒结构，岩体较完整，岩芯多呈长柱状，少量短柱状、碎块状。基岩中少量陡倾角裂隙发育，裂面起伏，偶见铁锰质浸染。泥岩中偶见石膏，发育个别5～35 mm溶蚀孔洞。钻孔揭露基岩强风化层厚度约1.1～6.9 m不等。单轴饱和抗压强度：中风化砂岩为13.7～23.6 MPa，标准值为19.08 MPa，为较软岩；中风化粉砂质泥岩2组，一组为5.12～11.48 MPa，标准值为6.70 MPa；另一组单轴饱和抗压强度为1.35～3.45 MPa，标准值为2.09 MPa，属极软岩。不同层次、不同部位砂岩、粉砂质泥岩由于结构面发育程度、胶结物类型和风化卸荷的差异而有所不同，不同埋藏条件的完整性和力学性质差异较大(图2)。

图2 桥梁及址区工程地质平面示意图

区域上无大的断裂，褶皱宽阔平缓，表现为彼此排列有序的宽缓鼻状背斜和箕状向斜。桥址区处于川内某向斜北翼，岩层产状平缓，岩层倾角一般1°～5°。地震动峰值加速度为0.05 g，地震动反应谱特征周期为0.35s，对应的地震基本烈度为Ⅵ度。小桩号左岸砂岩体中发育3组裂隙：L1产状62°∠86°，可见延伸大于3 m，间距3～4 m；L2产状118°∠87°，可见延伸大于5 m，间距4～5 m；L3产状151°∠87°，可见延伸大于3 m，间距2～3 m。裂面均较平直、光滑，闭合。大桩号右岸砂岩体中主要发育3组裂隙：L1产状285°∠83° ，可见延伸2.0～3.5 m，间距1.0～1.5 m，裂面粗糙，平直，铁质浸染，无充填；L2产状170°∠83°，可见延伸长度3.5～5.0 m，间距0.5～1.0 m，裂面粗糙，平直，闭合；L3产状45°∠85°，可见延伸长度0.3～0.5 m，间距1.0～1.5 m，裂面粗糙，平直，闭合。对应赤平投影图如图3、4(P为坡面)。两岸的裂隙产状具有一定特征：均为陡倾裂隙，L1均与坡面大致平行，左岸L3与右岸L2产状大致一致、左岸L2与右岸L1大致一致，左岸L1与右岸L3大致一致，结合裂隙特征和区域构造看，在NW-SE向主压应力作用下，形成了NW走向的剪切裂隙和NE走向、SE向偏NE向X型剪张节理。

图3 小桩号左岸裂隙赤平投影分析图

图4 大桩号右岸裂隙赤平投影分析图

地表水主要为槽谷的沟谷水，为涪江二级支流的支流，接受大气降水补给，顺河流排泄于下游。地下水为松散堆积层孔隙水、基岩裂隙水。孔隙水接受大气降水的补给，并与沟(河)水互为补排关系，具有含水层厚，分布较窄，补给源近，富水性、透水性差的特征。裂隙水赋存基岩裂隙中，接受大气降水、地表水和上覆松散层地下水补给，顺地形就近向坡下及溪沟中排泄，总体贫乏。根据水质简分析成果，地表水、地下水均属弱碱性、低矿化度的HCO3-Ca·Mg型水，对钢筋、混凝土存在微腐蚀性。

2 墩台地基裂缝病害基本情况及分析

2.1 裂缝调查情况及分析

桩基及裂缝位置投影的平面示意图、裂缝发展趋势拟合分析结果见图5。

1.据开挖桩基孔裂隙推测裂缝的平面投影;2.据桩孔中裂缝产状推测裂缝宏观走向；3.已浇筑桩基；4.未开挖桩基；5.已开挖桩基图5 桩基、裂缝平面投影拟合示意图

大桥左幅7-3#桩孔约13.2～15.2 m处孔壁两侧发育近垂直于层面的裂缝(图6)，可见长约2 m，最大宽度达15 cm，裂面光滑，有少量砂岩角砾填充，产状268°∠81°，走向基本平行坡面，陡倾坡外；右幅7-2#桩孔约13.25～18.5 m处孔壁两侧发育近垂直于层面的裂缝(图7)，可见长约5.2 m，最大宽度达20 cm，裂面光滑，无填充，产状275°∠88°，走向基本平行坡面，陡倾坡外。孔内所观测到的裂缝均仅发育于砂岩体中，并仅在砂岩层贯通，未切穿泥岩层。孔内测量稳定地下水位-8.5 m(详勘测量水位-9.0 m)。

图6 左幅7-3#桩基孔内裂隙

图7 右幅7-2#桩基孔内裂隙

左幅7-1#、7-4#和右幅7-3#已完成桩基浇筑，孔内未发现宏观裂隙发育。左幅7-2#和右幅7-1#桩基孔尚未开挖。

由图6、7可见，右幅裂缝中有水泥浆充填，左幅存在较为明显的剪切裂缝特征，裂面平直光滑，无任何充填，且两侧发育剪切节理。

若按照左幅7-3#孔内裂缝产状及发展趋势拟合，则必然与左幅7-1#相交，而孔内无充填，在具有贯通渗漏的条件下，说明趋势拟合推测不合理，裂隙应该远离左幅7-1#(见图5)。

若按右幅7-2#裂缝产状及发展趋势拟合，则裂缝将从右幅7-3#边缘通过，具有渗透条件。右幅7-3#于5月27日浇筑，右幅7-2#于5月31日开始开挖，具有渗透时间差。从图7所见的水泥浆充填情况分析，趋势拟合是合理的。

2.2 场地周边调查情况及分析

裂缝外侧顺路线走向具有临空条件，为右岸坡面(倾向WWN)，因砂泥岩差异风化形成了高约2～4 m、深约2.5～3.0 m的凹岩腔(图8、9)，局部存在坍落、掉块现象，凹岩腔前缘发现一处新近相对滑移迹象，局部渗水，无泉点出露，滑移矢量方向约205°±5°，相对位移约3～5cm(图9、10)。

场地南侧存在倾向SW的临空面(参见图15)，与右岸坡面(倾向WWN)的临空面相交，在其拐角处偏SE发育宏观的长大贯通裂隙(图11)，上宽下窄，平均张开宽度大于20 cm，裂面粗糙、平直，基本无充填。裂缝倾向280°左右，倾角70°～80°。受另一组裂隙(L2)切割，前缘发育一长约3 m宽约4 m厚约2.5 m的危岩体，并且新近活动的痕迹明显(图12)。

图8 右岸斜坡地貌

图9 前缘差异风化形成的凹岩腔

图10 相对滑移造成泥岩剥落

图11 场地西南侧临空面裂缝

图12 变形体(危岩体)

值得注意的是，本场地岩层的层面与砂泥岩界面存在交角(图8)，与其成岩建造环境密切相关，但却较大地影响了本病害的发生和发展。通过右岸边坡测绘发现，砂泥岩界面倾向SSW，倾角约4°，在公路左侧便道位置，凹岩腔顶部砂岩层距离河沟平台高度约3.5～4.0 m(图13)，向南55 m后在两个临空面交汇带则与河沟平台基本相交(图14)。桥梁勘察钻探揭露，场地东45 m钻孔未发现砂岩，再西34 m偏南13 m发现相近高程1.5 m和1.0 m两层砂岩(中夹3.5m粉砂质泥岩)，而在其西跨沟162 m钻孔同高程发现8.9 m厚砂岩层，相应的边坡也出露该地层。钻探、地质测绘成果综合说明其建造环境为河流-洪泛韵律式交错沉积[9]，砂泥岩接触面与层面斜交，成为了控制斜坡稳定性的主要内因之一。

场地及周边未发现其它变形迹象。

裂缝病害调查情况汇总及综合分析参见图15。

图13 便道位置凹岩腔显示砂泥岩接触面

图14 场地南侧临空面交汇带砂泥岩接触面

2.3 病害的潜在危害

裂缝贯穿7#桥台，其下方紧邻6#桥墩，无论发生何种破坏，将直接对7#桥台的基础产生破坏，若发生侧向滑移(塌)，则直接对6#桥墩造成破坏，都会直接导致大桥损毁，高速断道，直径经济损失巨大，社会影响严重。

3 病害成因机制及发展趋势

3.1 病害性质

7#桥台外侧存在两个方向的临空面，6#桥台内侧坡脚存在长近50 m的凹岩腔，凹岩腔砂泥岩界面发现明显的相对位移痕迹(见图10)，7#台南侧发现变形体并伴随明显的新近活动现象(见图12)，因此该病害本质上为一岩质滑坡体，滑床为泥岩或粉砂质泥岩，滑动面为砂泥岩接触面，后缘受L3裂隙、桩基孔发现的裂隙综合控制，前缘为两临空面交汇带，活动矢量方向非岩层倾向，受岩层产状、凹岩腔、临空面综合控制，约205°左右，滑坡体规模约3.5×104m3。

3.2 病害形成机制

滑坡体的形成过程为：砂泥岩互层、构造裂隙发育，使得场地具有裂隙充水和层间承压水发育条件，7#台西侧坡脚砂泥岩差异风化形成凹岩腔，导致坡脚支撑减弱，抗滑接触面范围减小，在后缘构造裂隙水压力和承压水扬压力共同作用下发生急剧滑移变形，再对构造裂隙产生拉裂，裂隙充水高度降低，自动止滑，裂隙再充水后进一步加剧滑坡活动。滑坡活动造成了前缘的变形体(危岩体)产生(参见图15、图17)，新近施工堆载作为倾覆力矩(参见图16)，客观上也恶化了滑坡的平衡条件，故滑坡前缘新近活动形迹明显。此外，因为砂泥岩接触面在场地南侧与地面完全相交，客观上起到了阻碍滑坡活动空间的作用，且滑坡活动的主要动力来源为后缘裂隙水，故滑坡活动具有滑动—止滑—滑动—止滑…阵发特征。

滑坡形成的力学机制为：动力来源为重力和裂隙水压力(图16、图17)，活动机制为滑移-拉裂[3]，对此，前人进行了大量的研究[10-13]。简要归结起来，本病害的起动过程如下：

(1) 变形前，图16(a)，平行于临空面的陡倾裂隙为构造裂隙，充水时对岩体产生总静水压力γwh2/2(裂隙底部静水压力γwh，大致呈三角形分布)。理论上讲，陡倾裂隙与水平裂隙交点的扬压力值与静水压力值相等。滑面中部因裂隙贯通、渗透性差异等，扬压力分布不均匀，故文中赋予了理论系数K。

(2) 坡脚应力集中及差异风化逐步形成凹岩腔，边坡应力调整：坡脚应力值升高，支撑与摩阻均减弱，坡体发生小位移偏转变形(砂岩体厚度仅30 m，刚度较大，产生板梁效应)，后缘拉张、底部剪切。

(3) 后缘拉张后构造裂隙间隙扩大、尖端裂纹扩展，静水压力增大，底部砂泥岩接触面剪切作用增强，形成裂隙并充水，加之砂泥岩渗透性差异形成承压水，产生扬压力，恶化了斜坡稳定条件。

(4) 因反倾层面约束、突发滑坡后水压力的迅速消散自动止滑，斜坡不致迅速滑移、翻转发生破坏，而是沿有利于其活动的砂泥岩接触面向南蠕滑(间歇式滑动)变形(图17)，此时，后缘裂隙的性质转变为张剪(参见图5、6)。活动的矢量方向为运动合成后的方向——S205°W，如图16(b)。

(5) 起动判据：

(1)[3]

式中,hcr为滑坡启动的临界充水高度(m)；α为顺滑真倾角(°)；L为底滑面长度(m)；tgφ为滑带土综合摩擦系数，这里取0.45；W为滑块单宽重量(t/m)。

1.根据裂隙L3产状推测的裂缝平面投影;2.根据开挖桩基孔裂隙推测的裂缝平面投影;3.实测裂缝;4.实测凹岩腔及分布范围；5．实测场地南侧变形体(危岩体)位置及范围；6．桩孔开挖弃渣堆放范围；7．卸载清方范围；8.滑坡体活动矢量(合成)方向图15 裂缝病害调查情况汇总及综合分析图

h为裂隙充水高度;γw为充水的重度(一般9.8 kN/m3);K为与裂隙贯通性有关的折减系数，下同。图16 临空面方向的滑坡剖面图

图17 活动矢量方向的滑坡剖面图

根据式(1)试算，图16剖面的hcr为7.5 m，图17剖面的hcr为11.5 m。公式基于力的极限平衡推导，赵权利等[3]对式(1)进行了修正，考虑了滑动带裂隙延伸、渗透等对承压水分布状态的影响，增加了k(渗透系数)、q(渗流量)、H(滑带渗透层厚度)3个系数，但仍然不能周全地考虑上覆体的厚度与滑带长度的相关关系，以及弃渣加载作用、位置对斜坡安全的影响，计算结果均可能较实际情况偏不安全。但无论采取上述哪种公式试算，都说明场地裂隙8.50～9.00 m的水头高度能够引起平推式滑坡活动，其临界水头高度hcr大于当前所测的裂隙水柱高度，虽然裂隙水造成滑坡突然速滑破坏的可能性小，但却是滑坡活动的主要控制因素，应予以重视。

3.3 病害发展趋势预测

控制病害发育发展的内因为斜坡结构，包括厚层砂岩及软弱基座，裂隙及其不利组合，以及斜坡微地貌形态。外因主要为裂隙充水条件和差异风化作用。施工后的弃渣加载，增加了滑坡体的转动力矩(图16)，客观上会促进后缘裂隙的进一步发展，并加速底滑面裂隙的连通性、增大张开度，导致后缘裂隙水压力和滑面扬压力的增高，加速滑坡活动，场地南侧新近活动形成的变形体也证实了这一点。但是，因为裂隙水压力所致平推式滑坡活动的特殊性，滑坡活动具有突发性，活动后水压力消散降低自动止滑，所以目前滑坡新近活动所遭受的主要诱发外力还是为堆载。

滑坡活动矢量方向存在运动合成，对桥梁桩基将形成拉剪作用，但因滑坡的低位剪出口约束作用，滑坡最终的破坏型式为低速滑移——翻转，导致7#桥台发生偏转、拉裂，桩基发生剪切破坏，6#桥台被冲击而发生变形甚至倒塌，危害波及相临桥跨。