福州市金山大桥(主桥)岩土工程勘察.doc

福州市金山大桥（主桥）岩土工程勘察陈 坤 松 （福州市规划设计研究院 350003）Geotechnical Investigation of Jinshan Bridge in FuzhouChen Kunsong(Fuzhou Planning Design & Research Institute, 350003)【提要】 基于对金山大桥（主桥）的详细勘察，对卵石层和强风化花岗岩的精确测试和评价，建议大部分桥墩采用卵石层为桩端持力层，主跨桥墩采用强风化花岗岩为桩端持力层的基础方案，使桩长大幅度缩短，为设计和施工采纳，取得了良好的经济效益。【关键词】 勘探手段 岩土层特征 持力层选择 【Abstract】Based on in-situ testing and exploring during detailed geotechnical investigation of Jinshan Bridge in Fuzhou, this paper preferred gravels as bearing layer for piles of most piers, and heavily-weathered granite for great main piers, which sharply shortened most piles of original design and brought great economical cut-down during later design and construction. 【Keywords】 exploratory method properties of stratums determination of bearing stratum1 前 言福州金山大桥（闽江六桥）位于福州市区西部，距三县洲大桥3.32 km处。该桥北（港）起工业路，沿祥坂路向南（港）跨越闽江，接金山新区金山大道。大桥全长1332 m，其中主桥长790 m，单孔最大跨径110 m，一般跨径40 60 m，为特大型桥梁, 桥梁设计标准为城市I级主干道。基础采用钻孔灌注桩，设计最大单桩承载力18000 KN 。市政工程勘察复杂程度为类。2 勘察概况 金山大桥（主桥）勘察分三个阶段执行。2.1 工程可行性研究阶段 于1996年11月进行，历时半个月。目的是对拟建桥址的稳定性和适宜性等作出工程地质评价。在收集、分析己有资料的基础上，为不影响水面交通尽快提交成果,决定在闽江两岸各施工一个机械钻孔，深度进入中 - 微风化岩5 m，实际孔深达71 m和62 m 。同时利用物探手段，邀请福建省建筑设计院采用当时居国内领先水平的sws - 2型多波列数字图像工程勘察与测试系统，沿桥位过江中轴线进行水上地震勘察。根据连续采集到的弹性脉冲波沿水下介质传播在不同的介质面上产生的反射信号， 经系统自动处理,反映在测线彩色剖面图中对应的基岩面的同相轴连续无突变,结合钻探资料，初步判定拟建桥位河床下，无隐伏断层等构造痕迹。对拟建桥位主要持力层及其产出状态，有了初步了解。2.2 初步勘察阶段 于1998年6月开始，历时两个月。勘察时，正值闽江洪水期，水量大、水流急。根据扩初设计的任务要求及场地条件，确定避开主航道，在水陸洲及邻近的非主跨墩位置，施工了9个钻孔，深度穿透卵石层进入强风化岩1 3 m，个别钻孔进入中风化基岩1 m许，实际孔深52 71 m 。勘探手段着重原位测试工作，采用标准贯入试验和重型重力触探测试，重点查明主要持力层卵石层的产出状态、均匀性、密实性及变化规律等。金山大桥属地震烈度为7度区的特大型桥梁，在初勘阶段，需要对拟建桥梁的地震安全性进行评价，此项工作委托福建省地震地质工程勘察院进行。根据区域调查资料，结合钻探原位测试资料及物探成果，提供了金山大桥抗震设防及计算指标参数。初步勘察基本查明了桥址处的地质构造，地层结构以及岩土工程特性等。2.3 详细勘察阶段 于1999年2月至5月进行，历时3个月。根据施工场地的实际条件和先期勘察成果，并满足施工图设计和相关规范要求，确定在施工单位进入现场于拟建桥梁墩位处，搭设施工平台时展开，钻孔布设仅需满足每个桥墩有一个钻孔控制即可。深度要求，一般桥墩钻孔仍以控制卵石层产出厚度为准，对主航道两侧（亦即跨度为110 m的主跨），深度均要求进入中风化基岩3 m 。但由于在钻进穿越卵石层进入强风化花岗岩30余米时，尚未触及中风化岩，考虑到巨厚层的强风化岩具备的相当可观的摩檫阻力，通过计算并经设计同意决定终止钻探，实际最大孔深86 m 。详勘阶段仍着重查明主要持力层卵石及风化岩的产出特征，为桥墩台基础设计和基础施工方案确定等提供工程地质资料和计算参数，分析和评价地基强度和变形特征。3 桥址工程地质背景分析3.1 区域地质、地貌 金山大桥位于闽江下游，为福州第四纪断陷盆地中编西部位。其大地构造位置属于武夷-戴云隆褶带与台湾海峡沉降带之间的闽东火山断拗带。 二级构造单元则位于福鼎 - 云屑断陷带北段。就其地球动力学环境而言， 本区为中生代以来，太平洋板块与欧亚板块俯冲 - 碰撞的构造环境。据调查资料，桥址附近存在棋盘式断裂构造，但全新世以来，未见活动迹象，桥址处未有断裂构造带通过，区城构造对建桥无不利影响。 金山大桥桥位处地势平坦、开阔，不存在边坡效应条件。该处河床总宽735 m，在距北岸（港）160 m处有一小河洲，河床呈不对称心型复式断面，主河汊为南汊，宽约510 m 。3.2 岩土层分布特征 拟建场地在自然地面下60 70 m深度范围内的土层，隶属淤积及闽江第四系冲、洪积沉积物。主要由饱和粘性土、砂土、卵石等组成。具水平层位分布特点。根据地基土的成因、土层结构及土的物理力学性质等综合分析，岩土层自上而下简介如下： 杂填土：厚1.5 5.2 m，仅见于南北两岸。 粉质粘土：厚2.8 m，很湿，可塑，仅见于北岸。 淤泥：厚度6.1 m，饱和流塑，仅见于北岸。 中砂：厚度6.1 18.5 m，饱和稍密，局部夹淤泥，全场分布。 砂质粘土：最大厚3.1 m，很湿、可塑，局部分布。 中砂：厚4.6 9.0 m，饱和、中密，仅见于北岸。 淤质土：厚9.0 23.2 m，饱和、软塑-流塑，局部夹粉细砂或粉质粘土。全场分布。 砂质粘土：厚1.4 m，很湿、可塑，仅见于北岸。 中砂：最大厚11.8 m，饱和、中密，主要分布于南北两岸，河床下零星产出，变化大。 卵石：厚度9.2 24.5 m，饱和、中密-密实，分布稳定。未发现夹层,该层卵石成分以火成岩为主，一般粒径3 15 cm，卵石含量上部30 % 40 %，下部50 % 60 %，动探指标为20 70击/10 cm，局部有反弹。变形摸量,内摩擦角,本层层面起伏不大，相邻墩位钻孔揭示起伏差不超过3 m。 残积砂质粘性土：层厚2.10 9.80 m，湿、可塑 - 硬塑，全场分布。 强风化花岗岩：主桥敦位置最大控制厚度39m，未穿，但在两岸钻孔中揭示厚度仅2 5 m。 中风化花岗岩：仅两岸钻孔揭示。地基土分布见图1。 图1 工程地质剖面图3.3 水文地质条件 （1） 水文概况桥位区既受泾流的影响，也受潮流的影晌。汛期洪水对桥址的影响特别显著。金山大桥以三百年一遇洪峰流量为设计流量，其值为11200 /s，采用北港分流法考虑，北港分流比为28 % 。三百年一遇洪水水位10.499 m，水面比降0.296 %，设计流速为1.43 /s断靣最大流速为2.12 m/s（均为设计洪潮组合） 。 勘察期间，在岸上钻孔观测到稳定水位标高4.1 4.9 m，属填土层中的孔隙水，为上层滞水水位，受大气降水及闽江水位影响。场地（4）单元中砂层内地下水与闽江水相通。闽江水位日变化幅度较大，一般情况下，标高在6.0 9.0 m间变化。 （2）场地水对建筑材料的腐蚀性评价 桥址处环境类别划分为类A型。根据6组水样的水质分析报告，桥址处水质对钢筋砼中的钢筋不具腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性，对混凝土具中等腐蚀性。4 场地稳定性评价福州市在地震区划图上，属于地震基本列度7度区，场地设计基本地震加速度值为0.10 g，属设计地震分组第一组。据福建省地质地震工程勘察院报告，本场地位于东南沿海地震带北段，即福州第四纪断陷盆地内，属活动的构造盆地，其控制性断层为棋盘格式断裂构造，断裂长几公里 至十几公里，宽度几米 至 十几米。场地邻近地区断层全新世以来未见活动的迹象。金山大桥桥址两岸均无断层通过，适宜本工程建设。本场地属抗震不利地段4.1 场地土类型和场地土类别 根据国家相关规范结合现场波速测试结果进行判定。 据两个钻孔的测试成果，本场地距地面下20 m范围内等效剪切波速Vse分别为150 m/s和165 m/s，场地覆盖层厚度大于50 m，地基土抗震分类应属中软场地土，类建筑场地。4.2 场地土卓越周期 据现场测试结果，各测点地表常时微动卓越周期平均值：E - W向为0.38 s，S - N向为0.39 s，U - D向为0.32 s 。4.3饱和砂土地震液化和软土震陷评判 场地距地表下20 m以上见有（4）单元中砂层为饱和砂土，按抗震规范，采用标准贯入试验进行判别，该中砂层80 %为不液化砂土，20 %为可液化土，液化指数为0.91.7。判断本层砂土为液化土层，液化等级为I级（轻微） 。 场地存在（3）单元淤泥层和（7）单元淤质土层，据波速测试，其等效剪切波速均大于90 m/s，因此，可不考虑软土震陷问题。5 桩基方案和持力层的选择 金山大桥主桥桩基采用钻孔灌注桩，其持力层及桩长、桩径的选择尚需考虑三个方面的问题，即桥位处的岩土工程条件，不同桥墩的荷载差异及桥址处水流对桩的影响。在综合分析研究的基础上，经过技术、经济比较，选择合理的桩基持力层，桩径及桩的长度。5.1 金山大桥主桥岩土工程条件 主桥地层可分三段; 上段土层，由闽江南北港两岸钻孔揭露， - 层由杂填土、粘土和淤泥组成。强度低，属高压缩性土层，工程性能差。中段上部土层，层号 - ，主要为淤泥、粘性土、砂土等交替产出。其中层中砂层有一定厚度，但埋藏浅，承载力不足且为可液化土层，不能做持力层使用。其他各层产出不均匀亦不宜作桩端持力层使用。中段下部土层，层号、为卵石层和残积砂质粘土层。卵石层埋藏于自然地面下26 43m间，标高约 -29 -36m间，产出稳定，厚度大，强度高，是较好的桩端持力层。第层，残积砂质粘土层，弱于第层。该层厚度薄，产出不匀，不宜作持力层使用。 下段土层，第强风化花岗岩层和中风化花岗岩层。强风化花岗岩在两岸产出厚度仅2 5 m，但在河床下，其产出厚度巨大。其中，主跨墩钻孔厚39 m未揭穿。该层和其下卧中风化岩层强度高，均可考虑为桩基持力层。主要地基土桩基设计参数见表1。 表1 主要地基土桩基设计参数表 地层代号地层名称天然重度(KN/M3)压缩模量Es1-2(MPa)钻孔灌注桩i(KPa)(KPa)杂填土粘土18.03.035-40120淤泥16.22.023-2860中砂18.535-40130砂质粘土19.55.7140-45220中砂19.040-45170淤质土17.23.6725-3080砂质粘土19.66.4550-55150中砂19.538-42180卵石21.0250-280800-900残积土21.05.8055-96280-300强风化岩22.090-110650-7005.2 持力层选择 金山大桥属特大型桥梁，荷载大，对变形控制比较严格。因此，主桥基础初设方案曾考虑将基础全部置于中风化基岩上。但勘察资料揭示，河床下部花岗岩风化十分强烈，中风化花岗岩埋深过大。而基岩以上存在分布稳定的卵石层，该层厚度大，承载力高，变形小，仍不失为一个较好的持力层。如将全部桥墩基础置于中风化基岩上，虽然，其作为桥墩基础有强度高的优势，但由于埋藏深，岩面标高变化大，且需穿越9 24 m厚的卵石层，在经济上和技术上都不尽合理。因此，建议对于承载力较低的非主跨桥墩，其持力层采用卵石层。对位于主航道两侧的主跨桥墩，跨径大，荷载大，所处位置水流湍急，桩身受水平推力大，如同样将桩端置于卵石层内，恐难以满足要求，而该处强风化岩呈巨厚状产出，具有相当可观的桩侧摩阻力，作摩擦端承桩当可满足主跨桥墩对持力层的使用要求。5.3 桩径、桩长的确定，单桩承载力的估算 桩端持力层的选择及单桩承载力的估算，与一般民用建筑有所不同。对于桥梁来讲，其基础荷载是一种活荷载。同时，桥梁在长期运营中，还将受到水流引起的水平推力以及洪水冲刷的考验。 （1）桩长与桩径 本场地卵石的均匀性在垂直方向上有一定变化，上段3 4m，动探击数（重）在20 40击，下段一般在50 70击间。非主跨桥墩桩的长度建议桩端平面处入卵石层的深度5 10m，采用大口径钻孔灌注桩，桩径选用1500 1800mm，具体视施工条件而定。若采用一桩一柱作为非主跨桥墩的基础，应当说是最佳技术方案。对于主跨桥墩，仍采用大口径钻孔灌注桩，桩端应穿越卵石层进入强风化岩相当深度，以获取足够的桩侧阻力。如施工难度大，也可采用多桩单柱的型式,减少桩长。考虑到洪水冲刷的影响，桩端平面处进入强风化岩应不少于5 m。 （2）单桩承载力的估算 单桩承载力的估算（见表2），按交通部标准公路桥涵地基与基础设计规范 （JTJ024 - 85）中的计算公式进行。 钻（挖）孔灌注桩的容许承载力 式中 表2 单桩承载力估算结果孔 号桩 长(m)桩 径(mm)持 力 层容许承载力(KPa)3461500卵石910034