××大桥加固工程地质条件分析

××大桥加固工程地质条件分析

陈银

宁夏回族自治区水文环境地质勘察院，宁夏 银川 750021

摘要：对于大桥加固，当采用抗拔桩处理时，设计需要掌握地层分布特征和地基承载力、侧摩阻力等参数，本文针对该桥设计所需参数对桥址区工程地质条件经行分析，给出了地基承载力及侧摩阻力值，提出设计时需注意的问题。

关键词：抗拔桩、侧摩阻力、砂土液化

一、大桥概况

××大桥上部结构形式采用五孔中承式钢管混凝土系杆拱，拱跨形式为（30+3×80+30）m，下部为实体墩。桥台为肋板式桥台，墩台基础均为钻孔灌注桩基础。主桥11、16#桥墩高2m，双排桩，桩径2m，桩长46m，12-15#桥墩高3m,双排桩，桩径2m，桩长55m。

该大桥建成通车进入冬季之后，每当气温在零下10℃以下时，主桥与引桥相连的伸缩缝处（11#和16#桥墩）出现错台现象，检查发现支座已经脱空，当温度升高时支座就会回落；同时发现拱座及防撞护栏出现较多横向裂缝。设计拟采用抗拔桩加固。在飞燕端部设置竖向抗拔弹性锚索，下方设置4根直径1.6m的抗拔桩，桩顶设置混凝土锚固横梁，将锚索下方锚固于横梁底部，以防止在低温状态下系杆收缩导致飞燕上翘。

二、勘探点布设

为提供抗拔桩设计参数，通过采用综合工程地质勘察方法和手段，详细查明场地的不良地质，特殊性岩土种类、范围、性质；详细查明场地地层结构并作出评价。主要采用工程地质钻探、室内测试、原位测试综合勘察方法，对建设场地的工程地质条件进行勘察，并对所取资料进行综合分析利用。在该桥11#、16#桥墩北侧各布设钻孔一个，完成实物工作量见下表：

勘探点工作量一览表

三、工程地质条件分析

1 地形地貌

桥梁区地貌单元属黄河冲湖积平原二级阶地，地势开阔，沟渠纵横，湖沼遍布，地面高程1104-1106m，湖底高程1102-1104m。

2 地质构造

依据区域地质资料分析，本区域发育多组规模较大的正断层，即活动断裂使地层逐级向中心断落，这些断裂构造多呈北北东走向，且多数为隐伏断裂，形成阶梯状剖面结构，全新世以来这些活动断裂在不断强烈活动造成地堑内持续不断沉陷，堆积新的地层，沉陷堆积深度达数千米。在大桥附近无影响地层稳定的断裂构造。

3 地层岩性

在勘察深度内，地层以冲湖积-冲积为主，表层为人工堆积；地层岩性主要为粉质粘土、粉土、细砂层。钻孔揭露地层主要为全新统地层，具体描述如下：

①、素填土层（Q₄^ml）:黄褐色，稍湿，松散-稍密。物质成份主要为粉土、粉质黏土，含植物根，分布不均匀。

②、粉质黏土（Q₄^al）：黄褐色，软塑-可塑状，有光泽，韧性中等，干强度中等，夹粉土薄层。

③、粉土层（Q₄^al）:褐黄色，饱和，呈稍密～中密状。摇振反应中等，干强度低、韧性低，夹粉质黏土粉砂薄层。该层在zk1孔中揭露粉质黏土层③₁：黄褐色，可塑，干强度中等，韧性中等，有光泽。

④、细砂层，根据密实程度分为两个亚层：

④₁、细砂层（Q₄^al）：褐黄色、均匀，稍密-中密状，饱和。本层局部夹粉土粉砂薄层，砂性不纯，矿物成份主要以石英、长石等为主。

④₂、细砂层（Q₄^al）:黄褐色，灰褐色，饱和，密实，矿物成份主要以石英、长石以及云母为主，分选性较好。

⑤粉土层（Q₄^al）：黄褐色，饱和，密实，较均匀，局部夹薄层粉质黏土薄层。

⑥细砂层（Q₄^al）：灰褐色，饱和，密实，分选性较好，主要成分为长石石英，含云母少量，局部可见黏土团块。

⑦粉质黏土层（Q₄^al）：黄褐色，硬塑，干强度较高，韧性中等，有光泽，夹粉土薄层。该层zk2孔内揭露细砂夹层⑦₁，黄褐色，饱和，密实，主要成分为长石石英，含云母。

⑧细砂层（Q₄^al）：灰褐色，下部灰黑色，饱和，密实，分选性较好，夹粉砂薄层，局部含黏土团块。本次勘察最大深度70.10米，未揭穿该土层。

4　水文地质条件

勘察区位于黄河冲湖积平原，在第四系沉积了巨厚的松散物质，地下水主要为松散岩类孔隙水。根据所处地貌位置及含水层岩性特征、埋藏厚度，可划分为上覆潜水和下伏承压水。

上覆潜水展布整个勘察区。潜水赋存于冲湖积和湖积堆积层中，含水岩组岩性主要为冲湖积的黄褐、灰黄、灰白色细砂，局部夹有粉砂、粘性土薄层或透镜体，浅部还有青灰、灰黑色粉土及薄层淤泥质软土。含水层厚度一般为20—30m。在勘察深度内，水位埋深一般为1～2m。在低洼地溢出地表，形成众多湖泊。

据区域水文地质资料，下伏承压水为多层承压水。第一层承压水底板埋深大于100米，该层承压水与其上覆潜水和下伏承压力都有一定的水力联系。

地下水的补给、径流、排泄是受区域自然地理和地质条件的控制，亦受到人为因素的控制。地下水补给除引黄灌溉入渗外，还有多种途径的补给来源。山区为地下水特别是深部承压水的主要补给区，山前洪积台地和山前洪积倾斜平原为地下水的径流区，而冲湖积、冲湖积平原则为地下水的汇集与排泄区。

区内潜水的径流方向总体由西向东，径流强度由大到小，桥址区位于细粒带，地面坡度平缓，地层颗粒细，流速明显减缓，水位上升，水力坡度小于0.3%，地下水在地势低洼处溢出地表，形成湖塘。

区内地下水排泄主要有蒸发、机井抽水和侧向径流，由于地下水埋藏深度小，与地表水有水力联系。

根据调查资料，区内地下水的年变幅在0.87～1.26m。

5 水质分析与腐蚀性评价

本次勘察对地表水及地下水采取水样进行化学分析，结果显示地下水水化学类型为主要为cl-so₄-Na.Ca型，地表水水化学类型为cl-Na型。

根据《公路工程地质勘察规范》（JTG C20-2011）和水质分析结果：

场区地下水：在干湿交替作用条件下对砼具中腐蚀性，对钢筋混凝土结构中钢筋具中腐蚀性；对于无干湿交替及长期浸水条件环境下场区地下水对砼具中腐蚀性，对钢筋混凝土结构中钢筋具微腐蚀性。

场区地表水：在干湿交替作用条件下对砼具弱腐蚀性，对钢筋混凝土结构中钢筋具弱腐蚀性；对于无干湿交替及长期浸水条件环境下场区地下水对砼具弱腐蚀性，对钢筋混凝土结构中钢筋具微腐蚀性。

6 不良地质（场地地震效应）与特殊性岩土

桥址区位于我国强烈地震活动区。新生代以来，新构造运动强烈且频繁，自公元406年至2001年的近1600年间，共发生M ≥ 4.7级地震45次，据地震局对1970年以来的统计资料，盆地内共发生过88次小震。

桥址区地层为第四系冲湖积粉质粘土、粉土及粉细砂，根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015），地震动峰值加速度值为a=0.20g，地震动反应谱特征周期T=0.4s，对应地震基本烈度为Ⅷ度，地震分组为第二组，液化判别标准贯入锤击数基准值取12。这些条件决定了地震效应成为主要的不良地质作用。

6.1 砂土液化

桥址区影响桥梁稳定的不良地质为强震区及砂土液化。

依据钻孔波速测试结果，场地等效剪切波速值介于230-260m/s之间,勘察区覆盖层厚度小于50m，根据JTG C20-2011中表7.10.12可知，桥址区的场地类别为Ⅱ类场地。场地土属于中软土。

桥址区存在粉土、粉细砂，且地震动峰值加速度a=0.20g，对应地震基本烈度为Ⅷ度区，属于强震区，根据《公路工程抗震规范》（JTG B02-2013）中有关规定，对20.00m深度内饱和砂土、粉土进行砂土地震液化评价。

经判定：本次勘察完成的2个钻孔均具砂土液化特征，液化土层为：③层饱和粉土、④₁饱和细砂，液化深度9.1-11.60m,液化指数11.2-24.66,为中等-严重液化。根据《公路工程地质勘察规范》JTGC20-2011，工程场地为抗震不利地段。

3.6.2 特殊性岩土

由于勘察区地下水位较高，地表长年积水，为湖塘，上部地层岩性以饱水的粉土、粘性土为主，zk1号孔内③层饱和粉土不均匀，呈稍密状，深度2.6-5.6m，标贯击数低，宜按软土考虑。

四、岩土参数的分析与选用

根据工程地质钻探资料，地基土按岩土的成因时代、岩土室内试验及岩土的工程性能对桥址区地基土进行工程分层，将桥址区地基土共分为8个工程地质层。对各层地基土的物理力学指标分别进行统计，统计时根据获取的数据进行校正、分析和剔除差异性大的数据。依据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ D63-2007），结合当地的设计经验进行选取地基土承载力[fao]及摩阻力qik值见下表：

本场地主要出露的地层由第四系冲湖积砂土、粉土及黏性土组成。上部稍密粉土、软塑-可塑粉质黏土承载力低，压缩性大，不宜作为持力层。中部砂土、粉土、黏性土厚度较大且层位稳定，承载力较高，宜作为持力层。下部密实砂土厚度大，均匀性好，承载力高，是桩基础较理想的持力层。

场地上部地层液化，承载力低，压缩性大，不适宜采用浅基础方案。对桥梁加固宜采用桩基础方案，持力层应穿过可液化土和软弱地基土。

对抗拔桩基础，应根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ D63-2007）5.3.8条计算单桩轴向受拉承载力容许值，设计时上部液化土层的侧摩阻力应依据规范进行折减。

五、结论与建议

1、桥址区水文地质、工程地质条件较简单，无断裂构造，区域稳定性较好。

2、桥址区③粉土、④₁细砂具中等-严重液化现象，液化深度9.1-11.6m。桥梁抗拔桩基础承载力需考虑砂土液化的影响，应予以折减。zk1孔上部粉土不均匀，标贯击数低，宜按软土考虑。

3、桥址区场地土属中软场地土，场地类别为Ⅱ类，上部粉土、细砂层液化，属建筑抗震不利地段。

4、桥址区地下水对对混凝土结构具中腐蚀性，对钢筋混凝土结构中钢筋具微腐蚀性。湖水对混凝土结构的腐蚀性按有干湿交替作用条件考虑，具弱腐蚀性，对钢筋混凝土结构中钢筋具弱腐蚀性。

参考文献：

（1）《公路工程地质勘察规范》JTG C20-2011

（2）《公路桥涵与地基设计规范》JTG D63—2007

（3）《公路工程抗震规范》（JTG B02-2013 ）

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