引言

迪那2井区主干道桥梁工程,位于新疆库车县二八台镇以北约28km处的东却勒塔格山岭北坡地带。这是一座垂直跨越山间南北向阿日卡尔峡谷的大型高架桥梁,跨越峡谷宽约100余m,深达120m,峡谷两岸谷壁陡立,地形险要。据相关桥梁设计资料,拟建主干道桥梁全长181.66m,跨越阿日卡尔峡谷段建造3个高达87m的矩形桥墩,峡谷两岸布设重力式桥台,桥台直接坐落在构成峡谷陡壁的上新统泥岩和砂岩层基础上。桥墩和桥台均采用钻孔灌注桩基础与地基岩层相连。其中,四号桥台是位于阿日卡尔峡谷西岸边坡前缘的第一个重力式桥台。

针对四号桥台灌注桩基础施工过程中,基岩层中出现的工程地质(桥台基础钻孔施工出现贯通性裂隙及岩体破碎)问题,本文通过资料收集与现场及周边延伸地段的地形地貌和地质构造条件的详细勘察,结合区域及近场区的地震活动和构造背景研究,详细分析并评价了承载四号桥台的边坡岩体的地震稳定性。

1 地震构造背景和地震活动

四号桥台场地地质构造属于塔里木菱形盆地北部地带山前的库(车)拜(城)坳陷区。新构造运动以来,在塔里木块体和南天山的相互挤压作用下,在库拜坳陷区发育出4排近东西走向的新构造隆起断褶带。晚第四纪以来,库拜坳陷遭南北向挤压,地壳平均缩短速率可达6.0mm/a(吴传勇等,2006)。东却勒塔格背斜山岭为库拜坳陷第3排最新隆起断褶带的东段,背斜西起库车河以西,东至二八台河畔附近,近东西走向,全长近70km,南北宽12km。背斜形态前翼(南翼)短而陡立,后翼(北翼)长而缓,背斜顶部(核部)岩层近于水平,构成一个“箱式”背斜。背斜核部为对称背斜,翼部由于断层干扰,两侧出露地层的宽度并不相等。背斜带南翼发育活动断裂,系典型的南天山推覆作用形成的逆掩断层扩展褶皱。背斜晚第四纪以来的平均抬升速率约1.4mm/a,水平缩短速率约2.5mm/a(吴传勇等,2006)。

天山山前库拜坳陷的最新隆起区地壳新构造运动强烈,其地震活动是南天山地震带内仅次于盆地西端乌恰地区的又一处地震较活跃地带。截止2009年9月,在该区域范围(工程场地外围150km)内共记录到M4.7级以上地震72次。其中,7级地震2次;6级地震5次;5.0—5.9级地震40次;4.7—4.9级地震24次。最大地震为1906年3月3日库车西南及1949年2月24日轮台西北的2次7.3级地震。区域地震活动主要分布在库拜坳陷的最新隆起地区。同时,在工程近场区(工程场地外围25km范围)地震活动水平也较高。据统计1970年以前曾记录过4次M4.7级地震,其中最大地震为1949年5月25日发生的轮台6.3级地震。自1970年以来,曾发生过M4.0—4.9级地震10次;3.0—3.9级地震51次;最大地震为2008年8月22日库车4.5级地震。特别是2005年以来,在场地周围曾发生过5次4级地震,地震有加速活跃的迹象。在工程场地5km范围内,小地震也较活跃,最大地震为2009年9月30日发生在东却勒塔格南翼,距场地正南约5km的库车4.3级地震。此次地震在工程场地震感强烈,滚石滑塌普遍,扬尘弥漫,地声轰鸣,估计对场地的地震影响烈度为Ⅴ度左右。

2 桥台地基边坡岩体的地质稳定性分析

主干道桥梁四号桥台灌注桩地基距离峡谷壁前边缘仅7—9m,地基由新近系上新统(N2)泥岩、砂岩层组成,谷壁坡度角70°—90°,岩层向北偏东倾15°—20°,倾角10°—15°。受背斜构造活动和风化(剥蚀、淋滤、冻胀、霜劈等)作用,岩层内节理裂隙发育,经现场详细勘察和测量统计,笔者绘制了节理走向玫瑰花图(图1a)。节理走向的3个优势方位分别为:330°、350°、15°(195°)。节理绝大多数呈直立状,约占70%(图1b)。通过研究分析认为场地发育的节理形成机理有三种:一是构造节理;二是风化节理;三是边坡重力滑动节理。下面分别给予具体说明:


(a)                     (b)  
图 1 场地节理走向玫瑰花图 Fig. 1Rose-diagram of joints at No.4 bridge seat area

(1)构造节理

东却勒塔格背斜为活动背斜,由于背斜的褶曲运动,挤压岩层产生了大量伴生的扭节理和表面拉伸的纵张节理。这两种节理的特点是:扭节理为两组方向节理面,呈“X”形组合,垂向发育,节理面平直紧闭,有些节理还存在少量位移;而纵张节理一般追踪早期发育的两组扭节理进一步发育而成,在岩层顶面呈垂向微张裂隙,受水流侵蚀形成纵横沟壑,岩体被切割呈碎块状。

东却勒塔格背斜轴面基本直立,走向近东西(80°)。经现场节理测量统计得到的两组330°和195°走向节理,与背斜轴面呈斜交“X”形组合,这显然是背斜构造扭张节理。伴随岩层褶皱作用形成的构造节理分布广泛,背斜的顶层较下部层位更发育,越向下节理越少。基岩地层中分布的绝大部分节理是构造节理。构造节理走向与阿日卡尔沟峡谷边坡走向呈斜交关系。这种节理裂隙大多数深度有限,分布较平均,一般不会对四号桥台地基边坡岩体的稳定性构成实质性威胁。

另外,褶皱作用在其两翼可形成一种对称于轴面发育的系列逆断层(称轴向逆断层),这种逆断层在横切东却勒塔格背斜的博斯坦托克拉克厄肯剖面中非常清楚。一系列轴向逆断层发育在“箱型”背斜的两翼,断层走向与背斜轴平行,倾向轴面。而本文研究的地区已接近东却勒塔格背斜的东部倾伏端,其背斜开阔,地表附近的地层褶曲已较平缓。从阿日卡尔沟横切剖面上,未见发育这种南倾(倾向轴面)轴向逆断层。

(2)风化节理

在外动力地质作用下形成的风化节理方向性不强,分布普遍。随着岩层由表及里风化程度的变弱,风化节理也大量减少。四号桥台地基从地面向下已开挖深达20余m,基础建造在较弱风化岩层上,因此风化节理的影响已很弱。

(3)边坡重力滑动节理

经详细地质勘察,在距离峡谷前边缘35m的边坡范围内,走向近南北(350°优势走向)的节理束非常发育,其后缘甚至出现4条张口宽度达5—13cm的主节理裂隙,裂隙无任何充填物,显然是活动的节理束。由新疆地矿局第一水文、工程地质大队勘察的物探、钻探和注水试验证实,该组节理向下发育深度达40余m,节理倾向峡谷壁方向,其下延深度距离峡谷壁自由面已达2/3的距离。根据现场对这组节理进行的详细地质勘察,可归纳为以下特点:

① 这组节理走向近南北(350°),与峡谷壁走向一致。倾向60°—70°,向峡谷方向倾斜,倾角约70°—80°。

② 这组发育在边坡附近的节理,其分布涉及的宽度约35m(距离峡谷前边缘),而在35m以外的节理已很少,且规模也很小,岩层基本完整。

③ 发育在边坡附近的节理,后侧(与完整岩层接壤处)有4条张口宽度达5—13cm的主节理裂隙。而最后侧的一条主节理有明显位移,节理面东侧盘(边坡盘)下错70cm,已有滑动趋势。主节理发育的深度达40余m,下延断点距贯通至峡谷壁还剩约20余m的距离。

④ 场地位于东却勒塔格背斜北翼,上新统的泥岩、砂岩层向北偏东倾斜,产状15°—20°∠10°—15°。岩层倾斜朝向峡谷,为有利于顺层滑动的地质条件之一。

⑤ 在该场地北部不远处,存在一处边坡古滑塌体,其上仍残留覆盖着黑灰色中更新统(Q2)的砂砾石层,与背斜顶部残留的砂砾石层一致。据此估算,这处古滑塌体下坠的距离约50—60m。

通过上述节理的地质勘察分析,我们认为发育在峡谷西岸边坡附近的这组走向近南北的节理束,是仍在发展中的张性节理,其成因是峡谷边坡岩体向谷内滑移(重力滑动)的结果,目前已有滑移的趋势。由于四号桥台地基位于边坡滑坡体内,滑坡体的下坠高度可达80多m,因此桥台所处地基属危岩体。尤其是一旦出现暴雨或较大的地震动激发,承载桥台地基的边坡危岩体随时都可能产生滑塌。

3 场地边坡危岩体的地震稳定性分析

针对四号桥台地基边坡危岩体的地质地貌特征,本文分析计算了其在地震动载荷条件下危岩体的稳定性能。

根据现场地质地貌勘察,可判定四号桥台边坡属于滑移式(陈洪凯等,2006)危岩体(图2)。

图 2 陡崖滑移式边坡危岩体分析模式 Fig. 2Cross section of analytical model of dangerous rock block at cliff slope

按照《地质灾害防治工程勘察规范(DB50/143-2003)》(中华人民共和国行业标准,2003),采用边坡滑移式危岩稳定性计算公式(1),计算在地震动(地震载荷)影响下,四号桥台地基所在边坡危岩体的稳定性。

(1)
F= (Wcosα-Qsinα-V)·tgφ+cl
Wsinα+Qcosα

式中,F为危岩体稳定性系数;W为危岩体自重(kN/m);α为滑面倾角(°);Q=ζW,为地震力(kN/m),其中ζ为地震水平系数,也就是水平地震动加速度值(单位:g);V为裂隙水压力(kN/m);l为主控结构面的长度;c为滑体后缘裂隙粘聚力标准值(kPB),当裂隙未贯通时,取贯通段和未贯通段粘聚力标准值按长度加权的加权平均值,未贯通段粘聚力标准值取岩石粘聚力标准值的0.4倍;φ为后缘裂隙内摩擦角标准值(°),当裂隙未贯通时,取贯通段和未贯通段内摩擦角标准值按长度加权的加权平均值,未贯通段内摩擦角标准值取岩石内摩擦角标准值的0.95倍。

本项工作针对地震载荷条件下(即有地震发生的情况下),并假定边坡岩体为均质体,将影响场地不同大小的地震动加速度值代入公式,进行边坡危岩体的稳定性计算。


AB:边坡危岩体基本稳定状态;
BC:边坡危岩体欠稳定状态;
CD:边坡危岩体不稳定状态
图 3 地震水平系数ζ与边坡危岩体稳定性系数F的关系曲线 Fig. 3Plot of ζvs. F

通过收集资料和现场地质勘察,可知场地内边坡基岩的岩性主要为泥岩地层,边坡岩体稳定性与否主要受基岩中发育的一组近南北向节理软弱结构面控制。其定量评价力学指标取泥岩抗剪强度参数,而边坡岩体天然状态的抗剪强度数值取干燥状态下样品试验参数值(由新疆第一水文、工程地质大队测试)乘以折减系数0.8(因岩体处于风化状态,节理裂隙发育,岩体抗剪强度参数需在试验值的基础上进行适当折减)。按照《建筑边坡工程技术规范(GB 50332—2002)》(中华人民共和国国家标准,2002)的规定,节理裂隙发育的边坡岩体内摩擦角折减系数取值为0.8—0.85;而参考内摩擦角折减系数,岩体抗剪强度参数折减取值为0.8(即泥岩岩体天然抗剪强度折减系数为0.8×0.8=0.64)。经计算分析,岩体重度取泥岩天然重度指标,其天然重度为19.5kN/m3。边坡岩体抗剪强度折减后取值为:天然状态C=0.04Kpa,φ=32.54°。

依据《滑坡防治工程勘查规范(DZ/T 0218—2006)》(中华人民共和国行业标准,2006)中的危岩体稳定程度等级划分表(表1),对承载四号桥台的边坡危岩体进行稳定性状态的等级划分,并据此判断在不同地震动载荷条件下,边坡危岩体的地震稳定性。计算结果见表2,绘制的稳定性曲线见图3。

表1 边坡危岩体稳定程度等级划分表 Table 1 Stability classification of dangerous rock block at cliff slope
表2 四号桥台边坡危岩体稳定性计算结果 Table 2 Calculated results of slope stability of No.4 bridge seat
4 结论

根据地质地貌综合分析和滑移式边坡危岩体公式计算,本文得到了在地震动加速度0.04g的情况下,承载四号桥台的边坡危岩体处于基本稳定状态;当地震动加速度为0.05—0.12g的范围内时,危岩体处于欠稳定状态;当地震动加速度0.13 g时(相当于地震烈度Ⅶ度),边坡危岩体则进入不稳定状态,随时都有发生滑塌的危险。经地震危险性概率分析,四号桥台工程场地未来50年超越地震动加速度0.13g的概率高达40%。

参考文献
[1]陈洪凯,唐红梅,祝辉等,2006.危岩防治原理. 北京:地震出版社 [本文引用:1次]
[2]吴传勇,沈军等,2006.新疆南天山库车坳陷晚第四纪以来地壳缩短速率的初步研究. 地震地质, 28(2):279—288.[本文引用:2次]
[3]中华人民共和国行业标准,2006.滑坡防治工程勘查规范(DZ/T 0218-2006). 北京:中国标准出版社 [本文引用:1次]
[4]中华人民共和国行业标准,2003.地质灾害防治工程勘察规范(DB50/143-2003). 重庆:中国建筑工业出版社 [本文引用:1次]
[5]中华人民共和国国家标准,2002.建筑边坡工程技术规范(GB50332-2002). 重庆:中国建筑工业出版社 [本文引用:1次]