多種勘察方法在烏江特大橋主墩勘探中的應用

焦 建

(遼寧省交通規(guī)劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

隨著科學技術的飛速發(fā)展，各種建筑物也相繼拔地而起，在建筑過程中，巖土工程勘察有著非常重要的作用。目前，巖土工程勘察也有了很大的發(fā)展，在巖土勘察中，有多種方法和手段，主要有工程地質調繪、鉆探、坑探和取樣、物探、原位測試和室內試驗等，其他像遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)即“3S”技術的引進以及地質雷達和地球物理層成像技術(CT)的應用也在工程地質勘察中逐步使用。而在具體的工程地質勘察過程中，選擇合理的勘察方法，對于查明構造物的地質情況十分重要[1]。

1 概況

烏江是貴州第一大河，根據工程要求，要在此處修建一座主跨為320m的特大橋，因此，主墩的勘察是重中之重。橋位位于尚嵇鎮(zhèn)的楠木渡大橋下游，由北往南沿山坡垂直橫跨烏江，橋位區(qū)為中低山侵蝕、剝蝕地貌，烏江兩岸地形起伏大，地面高程為600～840m，地面相對高差為240m，地勢陡峭，北橋臺上部自然邊坡稍緩，中下部近于直立，南橋臺江岸邊坡幾乎垂直。植被發(fā)育，地表溶蝕現象發(fā)育，可見溶溝、溶槽、溶洞等溶蝕現象。烏江常年流水，跨橋區(qū)水深約8～30m，水流隨季節(jié)變化，水流湍急。主要介紹烏江特大橋南岸主墩工程地質勘察情況。

2 工程地質調繪情況

該橋處于黔中東西構造帶、川黔經向構造帶和新華夏系隆起帶交接復合地帶。構造形跡主要為經向構造、北東向構造體系。烏江特大橋位于楠木渡背斜褶皺，核部地層為寒武系婁山關群(ε2-3ls)白云巖，烏江發(fā)育于該褶皺背斜核部，區(qū)域地質圖如圖1。

圖1 烏江特大橋區(qū)域地質圖

根據地質調查情況，區(qū)內主要斷裂構造如下：

(1)F1烏江構造帶：為一推測構造斷裂帶，主要沿烏江峽谷展布，控制了烏江峽谷形態(tài)和兩岸地形地貌。

(2)F2斷層：通過物探及地質調查，該斷層在該橋位區(qū)通過，影響寬度5～10m，與路線交角60°，走向西北，傾向東南，傾角70～80°。岸坡出露點距線位約142m，對岸坡穩(wěn)定無重大影響。

(3)F3強溶蝕區(qū)：位于主橋墩山包后溝谷部位，該部位巖溶發(fā)育強烈，中風化巖體呈破碎-較破碎狀態(tài)，物探揭示該區(qū)域存在狹長狀低阻區(qū)。

該橋巖性主要為白云巖，經現場野外調查，統(tǒng)計烏江兩岸的10多個露頭點綜合分析，發(fā)現烏江兩側巖層產狀變化較大，巖層走向以NE為主，層理C： 140°～220°∠10～20°；層厚14～20cm，為中厚層結構，為貫通性結構面，張開度1～3mm,泥質膠結，結合程度一般。測區(qū)內有兩組節(jié)理裂隙，傾角較陡，J1：0°～20°∠80～85°；J2：70°～90°∠80～85°。兩組裂隙呈“X”狀交叉，兩組裂隙交角為70°左右切割巖體，烏江兩岸兩組節(jié)理的貫通情況不一致，北岸側J1和J2為閉合型裂隙，裂隙不貫通，節(jié)理面無充填。南岸側J1和J2為張開型裂隙，張開度為1～3mm，泥質充填，結合程度一般，由于受烏江斷裂的影響，一些層理面曾經產生過滑動，產生滑動的那些層巖石的節(jié)理是貫通的，未產生滑動的那些層巖石節(jié)理裂隙是不貫通的，反應到鉆孔中即巖芯破碎的層次為節(jié)理裂隙貫通的，巖芯完整的地層為節(jié)理裂隙不貫通的。對測點附近巖石進行節(jié)理統(tǒng)計，做節(jié)理裂隙玫瑰花圖，詳見圖2、圖3[2]。

圖2 主要節(jié)理裂隙分布圖

圖3 主要節(jié)理裂隙赤平投影圖

經分析，遵義岸為順向緩傾，貴陽岸為反向反傾。層理C與J1組合對南岸不利，層理C與J2組合對北岸不利?？傮w分析巖層產狀有利于南岸的穩(wěn)定，雖有不利節(jié)理組合，但整體穩(wěn)定，山體的中下部特別是臨近烏江臨水處有溶洞分布，但規(guī)模不大。

3 鉆探情況

為了查明烏江特大橋的地形地貌情況，能夠更好地從整體上把握分析，利用遙感技術，采用小型直升飛機為工作平臺，對烏江特大橋的地形地貌進行影像分析，以便更直觀地對該橋位區(qū)進行觀測。

通過對烏江特大橋主墩的調查，該橋主墩巖性主要為寒武系婁山關組的白云巖，由于時代久遠，且受到地質構造的影響，該白云巖節(jié)理裂隙十分發(fā)育，現場可見巖石被切割成菱形，巖石十分破碎。見圖4。

圖4 烏江特大橋主墩破碎的中風化白云巖

烏江特大橋南北的兩個橋臺位于烏江兩岸，由于受楠木渡背斜的影響，兩冀巖層擠壓核部巖體使得核部巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層破碎，巖性主要為白云巖，由于白云巖為結晶結構(細晶結構)，原生垂直節(jié)理發(fā)育，在構造的作用下加劇節(jié)理發(fā)展，造成巖體更破碎，加劇了巖體的風化速度，深部巖層均受到不同程度的影響，由于構造的作用使深部巖體強烈風化，節(jié)理裂隙發(fā)育，該主墩處的巖體可用手折斷，裂面多被粘土充填，巖體斷面呈為斜面或劇齒狀。

該橋最開始鉆探時采用的是普通鉆具和巖芯管，由于巖石破碎，取得的巖芯采取率較低，且對于巖石的真實情況，難以反映，后改用單動雙管巖芯管，單動雙管的內管在鉆進時基本不轉動，避免了鉆具振動、擺動和摩擦對巖芯的破壞作用，因而巖芯完整度和純潔性都有更大提高。

通過巖芯對比可以明顯的發(fā)現，在鉆探過程中，采用普通巖芯管，白云巖巖芯采取率低，巖芯呈砂狀，巖石形態(tài)難以辨別，且容易發(fā)生埋鉆，出現地質事故；采用雙管單動鉆具，白云巖巖芯采取率高，巖芯基本保持完整，巖石節(jié)理裂隙等形態(tài)接近原狀，對于工程地質勘察人員較易辨別，但是成本較高。

4 物探情況

針對烏江特大橋主墩的地質情況，物探主要采用了高密度電法以及瞬變電磁法。物探高密度電阻率法儀器使用重慶奔騰數控技術研究所研制生產的WGMD-2高密度電阻率測量系統(tǒng)，瞬變電磁法儀器使用重慶奔騰數控技術研究所研制生產的WTEM-1Q/GPS淺部瞬變電磁勘探系統(tǒng)。所取得的成果如圖5～圖7。

圖5 烏江特大橋主墩高密度電法解譯圖

圖6 烏江特大橋主墩瞬變電磁法解譯圖

圖7 烏江特大橋主墩瞬變電磁法不同深度的解譯圖

根據高密度電法、視電阻率聯合剖面法和瞬變電磁法，該大橋主墩物探工作綜合解釋結果：剖面主墩上部深度為高密度電法出現低阻異常，推測為巖石破碎帶。瞬變電磁法在斷面圖上部出現低阻異常帶和低阻異常圈，推測該異常處為溶洞。經鉆探驗證，鉆孔鉆探過程中不同深度揭露有溶洞，其它部位巖芯明顯破碎。說明主墩附近巖石被溶蝕，鉆探資料與物探基本相符。

5 室內試驗情況

通過現場地質調查，該橋主墩白云巖表層覆蓋層較少，基巖基本出露，然而鉆探過程中存在該巖石不成芯，巖石裂隙發(fā)育，性脆，無法進行單軸飽和抗壓強度試驗。針對烏江特大橋主墩的地質情況，采取代表性的巖芯進行抗壓強度試驗，并根據試驗結果對地層進行詳細劃分。

現場通過對采取的一百多個試驗樣品進行統(tǒng)計分析，并對現場的巖芯破壞試驗進行記錄分析，結果顯示，對于上部較為完整的試件，巖石微裂隙密集發(fā)育，膠結差，抗壓試驗后，巖石沿裂隙局部掉塊，破壞方式為剪切破壞，剪切與軸向呈30～35°角，巖石抗壓強度較低，對于不太完整的巖石，巖石表面微裂隙密集發(fā)育，抗壓試驗后，巖石沿裂隙裂開，鈣質膠結差，破壞方式為張裂破壞，巖石抗壓強度低。對于下部相對較為完整的巖石，試件完整，微裂隙密集發(fā)育，膠結差，沿裂隙局部掉塊，破壞方式為剪切破壞[3]。

通過試驗結果以及其他地質資料，把該橋主墩的巖石劃分為二層：

(1)中風化白云巖(破碎)：灰白色，巖芯呈碎塊狀及塊狀，局部夾個別短柱狀，短柱一般約為10～80mm，碎塊約為20～80mm，結晶質結構，中厚層狀構造，節(jié)理裂隙很發(fā)育，裂面多被溶蝕，層理面夾5～50mm不等的棕紅色粘土礦物質，裂面多呈鋸齒狀，巖體破碎,手折可斷，巖體被切割成碎石狀，鉆進平穩(wěn)，速度1.0m/h。[fa0]=600kPa，qik=170kPa。該層的試驗指標為，干燥單軸抗壓強度值為20.87MPa，飽和單軸抗壓強度值為23.13MPa。

(2)中風化白云巖(較完整)：灰白色，巖芯呈短柱、柱狀、碎塊狀，短柱一般約為40～80mm，柱狀約為80～650mm，碎塊約為40～80mm，結晶質結構，中厚層狀構造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體被切割成巖塊，鉆進平穩(wěn)，速度1.2m/h。[fa0]=1200kPa，qik=240kPa。該層的試驗指標為，干燥單軸抗壓強度值為26.13MPa，飽和單軸抗壓強度值為35.94MPa。

6 結論和建議

在烏江特大橋主墩的工程勘察中，通過工程地質調繪查明了主墩的巖性以及層理和節(jié)理裂隙發(fā)育情況，通過遙感影像較為直接、形象地觀測橋位區(qū)的地形地貌，通過物探(高密度電法和瞬變電磁法)和鉆探(采用雙管單動巖芯管)查明了白云巖的形態(tài)和特征，通過室內試驗方法以及巖石的破壞形式查明了中風化白云巖的特性，為該橋的設計提供了工程地質依據。

該橋主墩的地基承載力基本容許值[fa0]和樁側摩阻力標準值qik根據各土層土工實驗指標、原位標貫及動力觸探測試擊數、結合地基土層的巖性特征、埋深條件、以及巖石單軸飽和抗壓強度標準值、巖體完整程度、巖溶發(fā)育程度、RQD值以及巖芯采取率等綜合給定。由于該橋白云巖巖性節(jié)理裂隙發(fā)育，性脆，部分指標可能有失偏頗，難以反應真實的情況，建議有條件時，現場進行載荷試驗，以便查明白云巖的地基承載力，以便為設計提供可靠的設計依據，并與其他指標進行比對。