橋梁巖溶地基穩(wěn)定性分析及處理方法

南昌鐵路局龍巖工務段　肖　軍

橋梁巖溶地基穩(wěn)定性分析及處理方法

南昌鐵路局龍巖工務段肖軍

巖溶地基對橋梁的危害性非常大，設計時應引起高度重視。該文根據(jù)巖溶的分布及特征，對橋梁巖溶地基穩(wěn)定性的評價方法進行了探討，根據(jù)經(jīng)驗總結了橋梁基礎遇到巖溶時常用的處理方法，對巖溶區(qū)的橋梁設計具有一定的工程參考意義。

巖溶地基穩(wěn)定性分析橋梁基礎設計

巖溶是可溶性巖層，因常年受水流侵蝕作用，逐漸溶蝕形成溶槽、溶溝或溶洞。我國西南、中南、華東等地區(qū)巖溶現(xiàn)象分布比較普遍，它一般以隱蔽的形式存在，現(xiàn)有勘探手段難于事先查明它的準確位置及大小，這給橋梁基礎構成了極大的危害性，因而在巖溶區(qū)修建橋梁，處理不當將嚴重威脅橋梁使用過程中的安全。本文結合筆者在巖溶區(qū)橋梁基礎的一些設計實踐，介紹地基穩(wěn)定性分析的幾種方法和處理措施。

1　巖溶區(qū)橋梁基礎穩(wěn)定性分析

巖溶區(qū)的橋梁基礎設計一般要考慮巖溶的分布情況，溶洞頂板的厚度、跨度、巖石發(fā)育程度及物理力學指標、洞內(nèi)水的破壞作用和荷載大小等，采取相應的分析方法對其進行穩(wěn)定性評價，以便必要時采取措施處理。但如果基礎底面下土層的厚度大于地基壓縮層的厚度，且不具備形成土洞的條件，可不考慮巖溶對地基穩(wěn)定性的影響；或者基礎底面下土層的厚度雖小于地基壓縮層的厚度，但溶洞內(nèi)已被密實的沉積物填滿而又無被水沖蝕的可能時；或洞體較小，基礎尺寸大于溶洞的平面尺寸，又有足夠支承時；或洞體頂板巖石堅固完整，其頂板具有一定的安全厚度時，也可不考慮巖溶對地基穩(wěn)定的影響。至于溶洞頂板安全厚度的驗算，目前一般采用傳統(tǒng)經(jīng)驗半定量分析方法和有限元方法。

1.1完整頂板安全厚度的估算

完整頂板系指未被節(jié)理裂隙切割或雖被切割但膠結良好，可視為整體的溶洞頂板。完整頂板安全厚度的估算方法有如下幾種：

1.1.1荷載傳遞線交匯法

對于完整的水平頂板，參照《鐵路橋梁設計規(guī)范》，假定由頂板中心按與豎直線成30°～35°擴散角向下傳遞，此傳遞線位于頂板與洞壁的交點以外時，即認為溶洞直接支承頂板上的外荷與自重，頂板是安全的。

1.1.2厚跨比法

影響溶洞頂板的穩(wěn)定因素主要有四個方面，即頂板的完整程度、頂板形態(tài)（水平或拱形）、頂板的厚度（h）及基礎跨過溶洞的長度（l）。根據(jù)多年來的調(diào)查統(tǒng)計分析及現(xiàn)場試驗得出結論：當溶洞頂板為完整頂板時，其頂板的厚度與基礎跨越溶洞的長度之比（h/l）大于2時，頂板厚度是安全的。

1.1.3剪切概念估算法

當溶洞頂板巖層完整，巖體強度高但洞跨較小時（小于3倍樁徑），剪力是主要控制條件。如圖1，根據(jù)極限平衡條件而，得

圖1　溶洞示意圖

式中：Q1——溶洞頂板自重加上覆蓋土層自重，kN；Q2——樁基對溶洞頂板的集中力，kN；τ——巖體的抗剪強度，石灰?guī)r一般為其允許抗壓強度的1/12，kPa；L——溶洞平面周長，m；所得H再加適當?shù)陌踩禂?shù)，即為頂板的安全厚度。

1.1.4彎矩概念估算法

當溶洞頂板巖層完整，巖體強度高但洞跨較大時（大于3倍樁徑），彎矩是主要控制條件。根據(jù)抗彎驗算

式中，［σ］——巖體的抗彎強度，石灰?guī)r一般為其允許抗壓強度的1/8，kPa；b——橋梁基礎的影響寬度，m；M——彎矩，kN·m。根據(jù)頂板巖石的完整性，分別按簡支梁、懸臂梁和固定梁三種情況計算。

（1）當溶洞頂板四周有裂縫，樁基基底（即溶洞頂板跨中）完整時，按簡支梁計算

（2）當溶洞頂板四周完整，樁基基底（即溶洞頂板跨中）有裂縫時，按懸臂梁計算

其中，q——溶洞頂板自重加上覆蓋土層均布荷載，kN/m2；p——樁基對溶洞頂板的集中力，kN；l——溶洞寬度，m。所得H再加適當安全系數(shù)，即為頂板的安全厚度。

1.2不完整頂板安全厚度的估算

1.2.1溶洞頂板坍塌堵塞估算法

洞內(nèi)無地下水搬運的情況下，溶洞頂板坍塌后，塌落體體積會增大，當坍塌至一定高度，溶洞將被完全堵塞，頂板不再坍塌，坍落高度H再加適當?shù)陌踩禂?shù)便為頂板安全厚度，坍塌高度H可采用下式估算：

式中，V——可能坍塌巖體體積，m3；V0——溶洞體積，m3；K——巖石的脹余系數(shù)，一般石炭巖K=1.2。

在坍塌前，溶洞可視為柱體，頂板坍塌后，可能形成棱錐體，也可能形成柱體。當為棱錐體坍塌時，所需坍塌高度大于柱體坍塌高度，但其頂板受力條件比柱體坍塌的頂板有利。柱體坍塌時，頂板坍塌高度為：

1.2.2成拱概念估算法

適用于溶洞頂板風化破碎的巖層，如圖2所示，溶洞未坍塌時，相當于天然拱處于平衡狀態(tài)，如發(fā)生坍塌則形成破裂拱，破裂拱高度H為H=0.5b+H0tgφ。

圖2　破裂拱估算頂板厚度示意圖

破裂拱以上的巖體重量由拱承擔，故溶洞頂板的安全厚度為破裂拱高加上上部荷載作用所需的厚度，再加適當?shù)陌踩禂?shù)。

2　巖溶區(qū)橋梁基礎的處理方法

巖溶區(qū)橋梁基礎的設計，應根據(jù)巖溶形態(tài)的具體情況，結合橋梁跨度和橋墩臺荷載的大小，以及巖面以上覆蓋層的土質(zhì)、厚度和穩(wěn)定性等加以考慮，選擇合理的橋梁基礎型式。

2.1明挖基礎

具備以下條件時可采用明挖基礎：

（1）地基表層的溶溝、溶槽等在查明下無溶洞或雖有溶洞，但其完整頂板厚度與溶洞跨長之比大于2.0，且厚度大于6m，基礎類型均可采用明挖基礎。

（2）淺層較小溶洞，基底局部有溶槽，深度不深且呈收斂狀態(tài)，則清除槽內(nèi)填充物，并探明槽底以下2.0～3.0m內(nèi)無溶洞時，以與基礎同等級砼回填，其上增設一層鋼筋網(wǎng)，再灌注基礎砼。

（3）對溶洞埋藏不深，洞中有較厚的碎塊石堆積物，可采用壓漿的方法使其固結。

（4）溶洞若在基底設計高程附近或以上時，可采取換填方法處理，并要符合下式要求：

H≥（Q/［σ］-b）/2tgβ

式中，H——換填層厚度，m；Q——換算荷載，kN/m；β——換填材料的壓力分布角，度；［σ］——溶洞充填物的基本承載力，kPa；b——換填材料頂面寬度（基礎側(cè)面加0.3m），m。

同時，要求換填厚度不得小于2m，基底至換填層底部距離要大于2倍凍結深度。

2.2樁基礎

對于巖溶較發(fā)育，基底局部有溶洞或多層溶洞時，樁基礎是處理橋梁巖溶地基最有效的方法。

（1）當橋梁地基上的溶洞較大，埋藏較深，但又不滿足頂板厚度檢算要求時，或當巖面溶蝕高差大于1m或溶洞洞穴平面、剖面尺寸大于1m者，可溶性巖層埋深在8m以上，基底巖層部分缺角且無法嵌補，明挖或水下施工壓漿有困難等情況均可采用樁基礎處理。

（2）巖溶發(fā)育，溶洞埋藏不深，溶洞高度在3m以上，或多層溶洞總深度在15m以內(nèi)，且地下水不發(fā)育，則可采用挖孔樁基礎穿透溶洞，并探明樁底下2.0～3.0m內(nèi)應確無溶洞。挖孔樁樁身與基巖相接的側(cè)面上應加打牽釘。

（3）當樁基穿過多層巖溶層支立于堅固的巖層上時，不應考慮多層巖溶層對樁側(cè)起摩阻作用，因為巖溶層與樁側(cè)之間的摩阻作用，在本質(zhì)上不同于一般土與樁側(cè)之間的摩阻作用?？刹扇「綦x措施，將多層巖溶層與樁壁之間分隔開，使樁基承受的軸向荷載全部作用于樁底的堅固巖層上，按柱樁設計。

（4）置于巖溶區(qū)溶槽或溶溝處的樁基，當樁穿過溶槽、溶溝內(nèi)的填充土支立于溶槽或溶溝底面的巖層上時，可按支立于一般巖層上的柱樁分析方法進行樁的內(nèi)力分析。樁的軸向容許承載力應根據(jù)溶槽或溶溝底面巖層的好壞（包括強度和縫隙等情況）來確定。如果溶洞頂板很薄，而溶洞內(nèi)的底面很深，且洞內(nèi)填充土屬于密實穩(wěn)定，具有足夠強度，則樁底可穿過溶洞的頂板置于溶洞內(nèi)的填充土層內(nèi)，而不置于溶洞的底板上時，可按摩擦樁進行設計。

（5）對于樁尖下伏溶洞，是采取穿過溶洞還是樁尖立于溶洞頂，需根據(jù)檢算和經(jīng)驗設計。一般情況，若完整基巖頂板厚大于6m且頂板厚與溶洞孔徑之比大于2時，基底以下溶洞可以不處理，否則應采用樁基穿過溶洞。當鉆探深度達到40～50m仍找不到6m以上厚度的頂板時，要求樁側(cè)累計頂板厚度不小于5m且樁尖置于下層巖層上，支承頂板厚度不小于3m，嵌入巖層0.5m。

3　結束語

我國巖溶地基特別是多層巖溶地基分布很廣，對于巖溶地基上如何合理選擇基礎類型，是比較復雜的課題。本文根據(jù)巖溶的分布、形態(tài)及發(fā)育規(guī)律，探討了巖溶區(qū)橋梁基礎的穩(wěn)定性評價方法，提出了安全、經(jīng)濟、可行的處理方案，對巖溶區(qū)橋梁基礎的設計具有一定的工程參考意義。

［1］鐵道部第三勘察設計院.橋梁地基和基礎［M］，北京：中國鐵道出版社，1991.

［2］鐵道部第二勘察設計院.巖溶工程地質(zhì)［M］北京：中國鐵道出版社，1984.

［3］李聰林.橋梁巖溶地基的處理方法［J］.鐵道標準設計，2003（1）：17-18.

［4］丘斌.巖溶地區(qū)橋梁樁基設計［J］.鐵道建筑，2004（5）：13-14.