巖溶地區(qū)橋梁樁基的設(shè)計研究

郝曉光

中交路橋技術(shù)有限公司，北京 100029

1 小碧大橋巖溶發(fā)育區(qū)橋梁的工程概況和設(shè)計

1.1 工程概況

小碧大橋是湖南省長沙到韶山至婁底高速公路上的一座大橋，處于婁底市境內(nèi)，為了避開高達(dá)16m的溶洞，左右幅分開設(shè)立，左幅中心樁號為ZK96+760，孔跨為5×30+3×40+5×30，右幅中心樁號為YK96+760，孔跨為6×30+3×40+5×30，簡支轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)連續(xù)，單幅橋?qū)?2.75m。下部采取雙柱式墩臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑1.2m～2m，全橋樁基62根，最大樁設(shè)計28.0m。

橋區(qū)地質(zhì)復(fù)雜，極易發(fā)育巖溶， 有暗河和多層溶洞，溶洞最高達(dá)16m。巖溶發(fā)育區(qū)帶主要有以下特征：

1）多為覆蓋型巖溶，填空物為流塑狀粘土的填充或半填充狀態(tài)，有極少空洞，巖溶頂板埋深普遍15m～20m；

2）巖溶以溶溝、溶槽為主，形態(tài)各異，溶洞發(fā)育良好。

小碧大橋地表層為第四系覆蓋，通常為5m～18m；石灰?guī)r為下伏基巖。地表水多為巖溶水、基巖裂隙水和松散巖孔隙潛水。

1.2 基礎(chǔ)設(shè)計

1.2.1 樁底持力層安全厚度的計算方法

設(shè)計巖溶地區(qū)嵌巖樁樁基，應(yīng)選擇溶洞的下方微風(fēng)化或中風(fēng)化基巖作為樁端支撐，并最好由上方巖溶的發(fā)育帶及溶洞層穿過。至于下覆很深的多層溶洞地帶，樁基不能完全穿過溶洞層，而樁端受力層是溶洞頂板巖層時，準(zhǔn)確估算出持力層厚度是最重要的設(shè)計精華。

1）按溶洞頂板彎矩控制估算

當(dāng)溶洞頂板巖層強(qiáng)度比較高、層理比較厚、且較為完整而洞跨較大時(大于3倍直徑)，彎矩是重要控制條件，可由梁板的受力狀況來算，持力層板厚最小為：H =[6 M /(q[σ])]0.5

式中： q為溶洞頂板本身重量加覆蓋層均布荷載(k N /m)；[σ]取灰?guī)r1/10容許抗壓強(qiáng)度（MPa）；M為彎矩。

由頂層巖石的完慗度來分別按懸臂梁、固端梁、簡支梁3種情況計算：（1）如溶洞頂板周圍完整，樁基基底(即溶洞頂板跨中)有裂痕縫隙時 ，按懸臂梁計算 ，M = ql2/2+pl ；（2）如溶洞頂板周圍有裂縫，而樁基基底(即溶洞頂板跨中)較完整，按簡支梁計算 ，M = ql2/8 +pl /4；（3）如溶洞頂板均完整 ，按固端梁計算 ，M = ql2/12 +0.7 pl /4，樁尖對溶洞頂板的集中承受力用p表示。

2）按剪切應(yīng)力控制估算

如溶洞頂板巖層完整、且?guī)r體堅硬但洞挎較小時（小于3倍樁徑），溶洞頂板破壞的重要控制條件是抗剪切力 ∶H = (q +p )/(τl)式中：溶洞頂板自重及覆蓋土層均布荷載(k N/m)用q表示；樁尖對溶洞頂板的集中力（kN）為p ；而τ對于灰?guī)r取1/ 12容許抗壓強(qiáng)度（MPa），為溶洞平面周長（m） 。

由上面兩種力學(xué)計算模式得知， 按溶洞頂板溶蝕、裂隙大小及是否完整，用摩擦樁和嵌巖樁兩種情況分析計算H大橋多層溶洞樁端持力層厚度。其中嵌巖計算無溶蝕、裂隙現(xiàn)象的持力層，而摩擦樁計算溶蝕、裂隙嚴(yán)重的溶洞頂板。

1.2.2 樁基設(shè)計

1）放置巖溶地點的溶槽、溶溝處的樁基礎(chǔ)，如樁穿過溶槽、溶溝內(nèi)的填充土在溶槽底面或溶溝底巖層上時，可按支立于普通巖層上的柱樁分析法進(jìn)行樁的內(nèi)力研究。樁的軸向最大承載力則由溶槽或溶溝底巖層是否穩(wěn)定性（包括強(qiáng)度、縫隙大小等）確定；

2）如橋梁墩臺下面的地基有上下成串的溶洞時，而又完全清楚了解溶洞最底層分布的狀況下，最好采用直徑≮ 115 m的鉆孔樁；

3）設(shè)計時應(yīng)重視負(fù)摩擦力對樁基的影響。地基土石一般在受擾后都會在自重的影響下固結(jié)下沉，尤其是大量開采地下水而致使地基軟弱層與樁基固結(jié)下沉從而產(chǎn)生的向下摩擦力（即負(fù)摩擦力），使得樁基的軸向荷載力增加，并極有可能破壞樁基；

4）如基樁進(jìn)入多層巖溶層支立于堅固的巖層上時，對多層巖溶層對樁側(cè)的摩阻影響不用考慮，可將摩阻影響當(dāng)作安全儲備。這是由于巖溶層與樁側(cè)間的摩阻影響，與一般土與樁的摩阻影響有本質(zhì)上的區(qū)別。如多層巖溶層與樁側(cè)粘結(jié)成一體，樁身軸向荷載怎樣分給單巖層，這個問題很復(fù)雜，極可能某一巖溶層與樁身粘結(jié)處，由于受力集中而首先發(fā)生摩阻破壞而致使整個樁基礎(chǔ)破壞。一般多層巖溶層對樁側(cè)的摩阻影響不用考慮，鉆孔灌筑樁施工時應(yīng)想法將多層巖溶層與樁壁分隔開，按柱樁設(shè)計讓樁底的堅固巖層作為基樁承受的軸向荷載體。

2 巖溶地區(qū)龍?zhí)粱ネ–匝道橋基礎(chǔ)的樁基設(shè)計

位于湖南省龍?zhí)伶?zhèn)境內(nèi)的龍?zhí)粱ネ–匝道橋是二連浩特～廣州、長沙～婁底兩條高速公路主干線相交的T型半定向式工程，其所在區(qū)域是明顯的喀斯特地質(zhì)特性。

2.1 摩擦樁

由橋梁結(jié)構(gòu)情況，運用單排樁和群樁擴(kuò)大基礎(chǔ)。較薄的上覆土層、摩阻力提供不足、而溶洞頂板薄且分布較淺，無法達(dá)到嵌巖樁標(biāo)準(zhǔn)時，樁基則要穿過溶洞群。設(shè)計時樁身混凝土與巖石粘接要完好，并由以往相關(guān)試樁結(jié)論、巖石的抗剪強(qiáng)度，巖石的最大摩阻力遠(yuǎn)超過普通土的最大摩阻力及樁底沉淀土的抗壓力。

2.2 嵌巖樁

對于地質(zhì)的不同情況，樁基類型及嵌巖要求要因情況而定。

1）單排樁和群樁。這類樁基多用于地質(zhì)情況相關(guān)不大的同一墩臺位，主要使用在橋梁樁基較寬及孔徑較大的橋梁，從而達(dá)到寬橋的橫向穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)及較大單樁軸向受壓承載力的容許范圍。為力求各樁受力均衡，樁底必須在同一巖層，保證樁底以下2m的巖性完整，樁底巖石極限抗壓強(qiáng)度〔σ〕≥3.0mPa，嵌人弱風(fēng)化巖深度≥1.0m。

2）獨柱單樁樁基。這種樁基多用于孔徑較小和橋梁寬度不大且墩位較深范圍內(nèi)溶洞密集、而完整巖性隱藏較深的情況下。為了使樁柱有較大的抗彎度、橋梁穩(wěn)定性好，上部應(yīng)構(gòu)造為3孔19.0m連續(xù)板，橋?qū)挒?.50m時采用單樁獨柱樁基，樁柱直徑相同D≥1.50m。樁底以下不得小于3.0m，深度須具有完整的巖性，樁底巖石單軸極限抗壓強(qiáng)度為〔σ〕≥4.0mPa，嵌人弱風(fēng)化巖深度h≥1.5m。

3）單樁軸向受壓容許承載力及嵌巖深度的確定橋規(guī)中規(guī)定，嵌巖樁單樁軸向受壓容許承載力[P] = (C1A+C2Uh)Ra ，式中 ——為嵌巖深度（不包括風(fēng)化層）。

由此可知，樁底反力及樁的側(cè)摩阻力是樁承載力考慮重點。該公式完全適用于當(dāng)清孔干凈，樁底支撐理想，樁的豎向位移很微小及樁底巖石完整且高強(qiáng)度時。而側(cè)摩阻力較小的土層如嵌巖深度以上的覆蓋層，土層側(cè)摩阻力影響可不作考慮，也可用這公式計算。

3 結(jié)論

因巖溶地區(qū)橋梁樁基礎(chǔ)的設(shè)計受地質(zhì)、水文等因素影響很大，更改設(shè)計會給工程質(zhì)量、投資、工期帶來損失。因此，要與建設(shè)、設(shè)計單位協(xié)調(diào)好。樁基的設(shè)計可根據(jù)施工的實際情況及勘探設(shè)計原則及時更改，從而順利完成樁基施工。

[1]張洪煦.巖溶地區(qū)橋梁的工程設(shè)計與研究[J].中國巖溶，2009(8).

[2]劉新發(fā).橋梁樁基設(shè)計研究[J].城市建設(shè)，2009(1).