岩溶角砾岩成因及工程影响研究

2023-12-27张文勇

北方交通 2023年12期

张文勇,李阳

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳市 550081)

0 引言

贵州是一个以高原、山地为主的省份。独特的地形地貌大部分是岩溶作用造成的,少数由剥蚀作用形成。河流侵蚀切割及岩溶综合作用形成了众多险峻的峡谷,山川秀美的同时,也给贵州蒙上了寸步难行的阴影。近年来,国民经济飞速发展,西部落后省份的贵州也鼓足后发赶超的勇气,大力发展交通,大量世界级桥梁如雨后春笋般在黔贵大地上拔地而起,被冠以“世界桥梁博物馆”的美名。

文章以贵州省内某一深切峡谷桥梁为例,阐述桥梁勘察设计遇特殊地质情况时的勘察手段,以及通过对该地质现象的研究分析,给桥梁顺利建设提供了可靠的基础资料,为其他同地质时期类似的工程建设提供参考。

1 工程概况

在建的贵州某高速公路特大桥全长1448.5m,上部结构为410m钢管混凝土拱桥,桥梁桥面宽度为33m,为双向六车道高速公路。桥位横跨一河流,该河谷为典型的“V”形谷,底宽约40～70m。桥轴线地面高程在953.4～649.6m之间,相对高差303.8m。

场区位于扬子准台地黔北台隆遵义断拱毕节北东向构造变形区。根据地质调查,桥区中部有一区域向斜经过,该向斜轴呈近南北走向,受该向斜构造的影响,局部绕曲较严重,轴部地表地层岩性为三叠系中统松子坎组泥岩、泥质白云岩、白云质灰岩,两翼为茅草铺组白云质灰岩、灰岩及岩溶角砾岩,桥区岩性组合复杂,详见图1。

图1 某在建高速桥梁工程地质纵断面图

该特大桥小里程岸拱座基底含有大量破碎岩体,结合胡广成等[1]对黔北松坎地区三叠系下统茅草铺组地层岩性成因研究资料,按沉积学特征和古生物学特征将茅草铺组从下至上划分为5段,第4段成岩环境属于局限台地和潮坪沉积环境,第5段属于蒸发潮坪环境,均为薄～中厚层白云岩沉积且含有角砾岩。

结合区域地质资料[2],辅以大量勘察手段论证研究(钻探取芯、槽探、钻孔电视、物探)分析表明:该部分破碎岩体为原岩破裂溶蚀后垮塌,后又经反复岩溶、压实、胶结等作用形成。

2 岩溶角砾岩的岩性特征及成因

2.1 岩性特征

从该区域仁怀—茅台剖面及遵义高桥坡面均可发现该角砾岩在本区茅草铺组顶部有大量分布,其总厚度最大可达几十米,大小混杂堆积。角砾粒径大小不等,一般为几毫米到几十厘米不等,最大可达数米,无任何分选性。角砾的形状各异,呈棱角状至尖棱状,主要取决于源岩构造特点,角砾多为浅紫红色泥晶白云岩或浅褐灰色含灰白云岩。这类角砾岩的上部多为白云岩,主要是原岩破裂溶蚀后垮塌形成的。茅草铺组第4段上部为岩溶角砾岩,第5段中部发育岩溶角砾岩[3]。

参考同期嘉陵江组地层中的某电站岩溶角砾岩的研究[4]。本桥岩溶角砾岩在向斜两翼均有出露,岩层底面多平整规则,顶面则因坍塌程度不一而高低不平;颜色较杂,角砾毫无分选,砾级差别极为悬殊;角砾成分多与上覆岩层一致,岩石为角砾支撑,经历多次成岩,多期、多成分胶结形成,钙质、泥质或钙泥质胶结,部分无胶结,半成岩或未成岩,性状差别较大,岩溶角砾岩在近地表风化后多呈松散的碎石土(无胶结);在地下一定深度受岩溶地下水的长期浸泡、溶蚀、固结成岩作用,具有一定的强度(弱胶结或半胶结),局部深层形成石膏层透镜体。

2.2 岩性成因

角砾岩的发现虽然很早,但长期以来对其认识存在局限,岩溶角砾岩一直被误认为是正常沉积的或其它成因的角砾岩,张瑞锡等[5]根据成因将三叠系碳酸盐岩层中的溶解角砾岩划分为岩溶角砾岩和盐溶角砾岩。碳酸盐岩溶解崩塌所形成的角砾岩称之为“岩溶角砾岩”,因蒸发盐岩溶解崩塌而成的角砾岩称之为“盐溶角砾岩”。

在三叠纪,黔中至黔北一带处于巨型的杨子浅海碳酸盐岩台地西南端,水深数米至百余米,是地球上连续出露在地表的最长、最宏伟的三叠纪“浅海-次深海过渡带”,且为全球保存最系统全面的三叠纪海陆变迁遗迹景观。在该地质时期,贵州省的碳酸盐岩台地曾7次升出海面,每次升出海面均使台地内部-台地前缘内侧的陆地遭受地表风化侵蚀,使之发育形成了不同类型(渣状、板状、角砾状)的地表钙质风化壳(钙结壳/钙结砾岩)或地表侵蚀面,台地前缘外侧成为特大高潮、风暴潮均可侵蚀的海岸带,在此带常有喀斯特裂隙沉积形成的喀斯特角砾岩[6],这一点与该时期扬子地台气候温暖、空气潮湿、地表水及地下水循环活跃有关,以致岩溶角砾岩在此带常有发育。

在茅草铺组沉积期,海平面总体呈下降趋势,但升降依然频繁,形成了3个较大的海侵海退旋回[7]。这套主要成分为白云质的沉积物沉积之后曾经历过暴露剥蚀,在其上段产生多种形态的岩溶地貌和岩溶堆积角砾岩。由于近地表海水时进时退,其成岩环境反复发生变化。早期成岩环境为蒸发作用强烈的海水环境,发生准同生云化作用。其间还常处于浅埋成岩环境,发生压实、压溶和胶结作用。当进入大气淡水成岩环境,早期形成选择溶解作用,部分胶结作用、去膏化、去云化作用,晚期表生淡水成岩环境则发生大规模的岩溶作用[8],形成了较大规模的岩溶角砾岩。

综合分析认为,茅草铺沉积期,台地内部-台地前缘发育形成的地表钙质风化壳或地表侵蚀面,在晚期表生淡水成岩环境作用下发生大规模的岩溶作用,发育形成了具有明显的低水位期沉积特征的岩溶角砾岩,主要由低水位期重力滑塌角砾岩、钙屑浊积岩、垮塌角砾岩经反复溶解、胶结构成,为碳酸盐岩在地表或近地表次生作用的产物,总体多呈不规则扁透镜状或似层状间断分布。

3 工程实例分析

3.1 勘察过程及成果

文章所研究的地层出露位置位于大桥小里程岸拱座位置及其后缘,通过地质调绘及一些常规的勘察手段(图2)分析类比,查明了拱座处分布有大量岩溶角砾岩,角砾成分为白云岩及白云质灰岩碎石,粒径大小不一,其分选差,岩质软硬不均。根据角砾含量及胶结成分不同,划分为泥质胶结及钙质胶结角砾岩。泥质胶结角砾岩由于泥质含量重,其岩质极软,遇水易软化崩解,承载力极低,不能作基础持力层,施工开挖后要对其进行更详细的分析,评估泥质胶结角砾岩的含量,以此来细化设计。

图2 现场物探、钻探、槽探、取样试验照片

由于岩溶角砾岩性质差异性大,钻探取芯对岩石形成扰动,充填物被钻探循环水带出,芯样常仅见碎块状白云岩(角砾),经过反复尝试,特别针对拱座部分的钻探采用单动双管取芯钻探设备,减少对岩体的扰动,以尽可能保证取得近原状的岩土体,以达到准确判定其组成结构及成分的目的,并及时取样密封,满足其作为试验样品的相关条件。

综合采取钻探芯样及槽探取块样,获得了部分钙质胶结和泥质胶结的合格样品,送试验检测单位进行天然抗压试验,后经开挖后原槽检验,岩溶角砾岩的地基承载力(N63.5)在300～400kPa,其值与稍密状的角砾土相当。岩样试验结果见表1。

表1 岩体物理力学试验指标统计表

勘察成果显示:该桥小里程岸拱座处的角砾岩成因及特性与前面所述岩溶角砾岩岩性特性及成因吻合,该拱座部分的泥质胶结角砾岩属于极软岩(fr<5MPa)。不宜直接作基础持力层,可选择对地基进行处理达到设计要求后作持力层,中风化钙质胶结角砾岩属于软岩,可作为基础持力层。

3.2 施工开挖揭示结果

施工阶段拱座开挖后,根据开挖基底揭露情况调查,结合两种不同形式胶结的角砾岩分布范围对拱座基础的设计进行了优化,由于基底范围内大部分为泥质胶结的角砾岩,其平面分布与拱座横剖面呈近平行分布,主要分布于拱座竖向投影面中后部(纵向分布见图4拱座基底以下阴影部分),设计根据结构计算,最终确定在拱座底部采用桩基础穿透该部分泥质胶结角砾岩层。

经开挖结果分析,拱座部分的岩相组合复杂,地质情况复杂,拱座开挖揭露岩体经现场查验,和勘察结果吻合,拱座部分角砾岩分为泥质胶结角砾岩(主要)和钙质胶结角砾岩(次要),分选性差,软硬不均,底面界线较明显,底部与白云质灰岩接触,详见图3。

图3 小里程岸拱座部分工程地质断面图

3.3 拱座处岩土体的不利影响及处治措施

拱座底部基础置于岩溶角砾岩上,泥质(胶结物)成分占比大,地基承载力远小于设计要求的800kPa,在预加荷载条件下的不均匀沉降远大于控制标准,原始岩土体对拱座及整个桥梁的建设均不利,宜采用端承桩穿透该部分软弱结构层,将有效嵌岩端埋置在下伏中风化白云质灰岩内。

设计经结构验算,拱座基础采用桩基础,桩基础分为斜桩和竖桩两部分,如图4所示,竖桩采用8根3.5m桩径的桩基,该部分桩基全部穿透软弱结构层,桩端置于中风化白云质灰岩之上,能有效承担拱座竖向荷载;斜桩采用4根由半圆弧+矩形组合而成的桩基,角度为45°,斜桩核心截面宽3.5m,高4m,斜桩开挖时设置导拱(超前小导管、钢拱架、C20混凝土组成),斜桩部分嵌入较完整中风化白云质灰岩,另有一根桩基根据勘察资料及开挖显示,其轴向角与岩层倾角接近,需对桩端及桩周一定范围内的岩土体进行注浆处治,提高地基承载力及侧摩阻力,条件允许的情况下对桩端进行扩径,增大桩端截面面积Ap,最终使得其承载力容许值Ra满足该斜桩的单桩荷载要求,有效支撑拱座水平向荷载。