一座巖溶區(qū)橋梁樁基的設(shè)計(jì)

張科峰

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

巖溶（又稱(chēng)喀斯特）是可溶性巖石在水的溶蝕作用下，產(chǎn)生的各種地質(zhì)作用、形態(tài)和現(xiàn)象的總稱(chēng)[1]。隨著公路交通的不斷發(fā)展，許多高速公路不可避免地要穿越巖溶區(qū)，而形態(tài)各異、分布廣泛的溶洞卻極大地影響了公路工程的設(shè)計(jì)與施工。本文以廣東省某高速公路中的一座橋墩為例，簡(jiǎn)單介紹了該墩的溶洞處治及樁基設(shè)計(jì)，旨在為同類(lèi)工程的建設(shè)提供參考和借鑒。

1 項(xiàng)目概況

汕（頭）湛（江）高速公路云浮至湛江段及支線(xiàn)工程位于珠三角西部地區(qū)外圍，是廣東省高速公路網(wǎng)規(guī)劃“九縱五橫兩環(huán)”之“第二橫”的重要組成部分。三茂鐵路跨線(xiàn)橋?yàn)楸竞贤挝ㄒ坏囊蛔卮髽?，采用上跨三茂鐵路的方式通過(guò)，與鐵路的交叉角度為53.94°。本橋互通區(qū)采用（5×25+5×25+4×25+25）m 先簡(jiǎn)支后橋面連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁，設(shè)計(jì)荷載：公路-Ⅰ級(jí)；設(shè)計(jì)洪水頻率：1/300；地震動(dòng)峰值加速度：0.05g。左幅35號(hào)橋墩為本橋的第3聯(lián)，采用1.4～1.6 m的雙柱式墩，墩高14.6 m。

2 地質(zhì)勘探

詳勘階段地勘單位對(duì)該橋進(jìn)行了詳細(xì)的勘探，共布置了109個(gè)鉆孔，基本查明了橋位處的工程地質(zhì)條件。工程地質(zhì)勘察報(bào)告顯示橋位處不良地質(zhì)為巖溶，極發(fā)育，溶洞高度大、深覆蓋，填充物密實(shí)度不均勻；且橋位處遇洞率為20%，工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜。本橋左幅35號(hào)橋墩原位鉆孔柱狀圖見(jiàn)圖1所示。

圖1 樁基原位鉆孔柱狀圖

3 樁基設(shè)計(jì)

3.1 溶洞的處治

巖溶區(qū)橋梁樁基設(shè)計(jì)必須要考慮溶洞的影響，目前溶洞處治常見(jiàn)的有如下3種方法：

a）片石、黏土等封閉法，此法適用于溶洞較小的情況。

b）護(hù)筒跟進(jìn)法，護(hù)筒可單層或多層，通過(guò)護(hù)筒的“支護(hù)、隔離”，達(dá)到正常成孔，此法適用于溶洞較大、上覆層較厚或單個(gè)溶洞不大但有串珠時(shí)。

c）靜壓注漿法，以壓漿固結(jié)填充物、或填滿(mǎn)溶洞，以提高溶洞中土體的承載力。

設(shè)計(jì)階段結(jié)合本項(xiàng)目特點(diǎn)擬定了溶洞處治方案，溶洞處治一般原則見(jiàn)表1所示，溶洞處治示意見(jiàn)圖2。由于該墩0號(hào)、1號(hào)樁基鉆孔柱狀圖中溶洞上覆土層均超過(guò)20 m，單個(gè)洞深均超過(guò)5 m，所以考 慮采用雙層護(hù)筒方案處治溶洞。

表1 溶洞處治一般原則

圖2 溶洞處治示意圖（單位：m）

3.2 嵌巖深度與承載力的對(duì)比

巖溶區(qū)樁基類(lèi)型的選擇應(yīng)根據(jù)鉆孔資料中溶洞的具體情況、處治方式以及周邊樁基溶洞的發(fā)育情況綜合考慮。巖層較淺的采用端承樁，巖層較深的應(yīng)對(duì)摩擦樁與端承樁做比較，選擇經(jīng)濟(jì)合理的樁基類(lèi)型；巖層埋深對(duì)于端承樁與摩擦樁區(qū)別不明顯時(shí)，考慮到端承樁沉降量小，優(yōu)先考慮采用端承樁。

一般地層端承樁的承載力按《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]JTG D63—2007（以下簡(jiǎn)稱(chēng)07地基規(guī)范）中5.3.4條計(jì)算,但巖溶區(qū)由于溶洞的存在必然對(duì)端承樁承載力產(chǎn)生不利。廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)《廣東省巖溶地區(qū)樁基設(shè)計(jì)與施工技術(shù)指南》[3]（以下簡(jiǎn)稱(chēng)廣東巖溶樁基指南）中通過(guò)對(duì)樁端阻力、總側(cè)阻力進(jìn)行折減來(lái)反映溶洞對(duì)樁基承載力的影響，所以相比07地基規(guī)范更符合實(shí)際情況?；?7地基規(guī)范修正后的端承樁單樁軸向受壓承載力容許值計(jì)算公式為：

式中：k1、k2分別為根據(jù)溶洞頂板厚度而定的樁端折減系數(shù)和總側(cè)阻發(fā)揮系數(shù)，其取值參見(jiàn)表2。其余參數(shù)詳見(jiàn)07地基規(guī)范。

表2 系數(shù)k1、k2取值參考表[3]

巖溶區(qū)端承樁的最佳嵌巖深度，應(yīng)根據(jù)樁頂荷載、巖溶區(qū)地質(zhì)條件、上覆土層厚度、持力層基巖、樁徑、樁長(zhǎng)等因素綜合考慮。廣東巖溶樁基指南中通過(guò)數(shù)值分析，考慮嵌巖深度和溶洞頂板的相互制約條件下，其樁基嵌巖段樁端力、側(cè)阻力及總體承載力關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。

圖3 樁基樁端力、側(cè)阻力及總承載力對(duì)比圖[3]

從圖3中可見(jiàn)，巖溶區(qū)由于溶洞的存在，樁基端承力隨著嵌巖深度的增加是減小的，雖然這個(gè)階段側(cè)阻力也在增加，但其幅度遠(yuǎn)比端承力的減小要慢，端承樁的總承載力基本隨樁端力的減小而減小，所以端承樁要首先考慮如何有效提高樁端力。

3.3 樁基類(lèi)型、長(zhǎng)度的確定

綜上所述，并結(jié)合本項(xiàng)目巖溶區(qū)端承樁嵌巖要求，同時(shí)本著優(yōu)先保證頂板安全厚度的原則，左幅35號(hào)墩樁基擬定為41 m端承樁，35-0嵌巖深度為4.1 m，頂板持力層厚度為3.8 m；35-1嵌巖深度為3.7 m，頂板持力層厚度為7.3 m。樁基嵌巖深度驗(yàn)算見(jiàn)表3。

表3 樁基嵌巖深度驗(yàn)算表

3.4 樁基強(qiáng)度驗(yàn)算

樁基設(shè)計(jì)為1.6 m鉆孔灌注樁，均布32根25的HRB400鋼筋，其強(qiáng)度驗(yàn)算見(jiàn)表4。

表4 樁基強(qiáng)度驗(yàn)算表

3.5 樁基軸向承載力驗(yàn)算

計(jì)算樁基承載力時(shí)不考慮樁基與鋼護(hù)筒間的摩阻力，且偏保守地認(rèn)為地質(zhì)柱狀圖最底層之下即為溶洞，采用公式（1）計(jì)算的35號(hào)墩樁基軸向受壓承載力見(jiàn)表5。由結(jié)果可知該墩樁基滿(mǎn)足承載力要求，且有一定的安全儲(chǔ)備。

表5 樁基軸向受壓承載力驗(yàn)算表

4 頂板安全驗(yàn)算

4.1 抗沖切驗(yàn)算

巖溶區(qū)樁端巖層頂板的安全性對(duì)于端承樁的承載力及樁基安全都有著重要的影響，現(xiàn)在大量的研究表明，巖溶頂板較厚時(shí)樁端持力層多以沖切破壞形式發(fā)生。沖切破壞錐體對(duì)巖層側(cè)表面的剪應(yīng)力和拉應(yīng)力均存在，實(shí)際工程中為安全起見(jiàn)，也應(yīng)分別驗(yàn)算。樁基巖溶頂板沖切破壞簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖4。根據(jù)力學(xué)平衡，可得沖切錐體的平衡條件為如下兩種模式（不考慮錐體的自重）。

4.1.1 模式1 剪切破壞

式中：K1為抗剪切破壞安全系數(shù)；P為樁端荷載（考慮附加荷載），kN；τ為巖體抗剪強(qiáng)度，kPa；D為樁基直徑，m；H為巖溶頂板厚度，m；θ為破壞錐體沖切角，θ=45°-φ/2（φ為巖石內(nèi)摩擦角）。

圖4 樁基巖溶頂板沖切破壞簡(jiǎn)圖

4.1.2 模式2 抗拉破壞

式中：K2為抗拉破壞安全系數(shù)；σt為巖體抗拉強(qiáng)度，kPa；其余參數(shù)同式（2）。

附加荷載計(jì)算時(shí)偏安全的考慮護(hù)筒的自重，并對(duì)巖體強(qiáng)度考慮0.75的折減。根據(jù)相關(guān)參數(shù)，該墩樁基巖溶頂板抗沖切驗(yàn)算見(jiàn)表6。

表6 樁基巖溶頂板抗沖切驗(yàn)算

4.2 抗剪切驗(yàn)算

巖溶區(qū)溶洞頂板比較薄時(shí)，在荷載作用下可能因抗剪強(qiáng)度不足而發(fā)生破壞，剪切體為一圓柱體，此種工況下頂板承載力較低，樁基巖溶頂板剪切破壞簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖5。根據(jù)力學(xué)平衡，可得剪切體平衡條件為：

式中：K3為溶洞頂板抗剪安全系數(shù)，其余參數(shù)同式（2）。

代入相關(guān)參數(shù)后得，35-0樁基K3=4.3，35-1樁基K3=8.5，滿(mǎn)足要求。

圖5 樁基巖溶頂板剪切破壞簡(jiǎn)圖

4.3 抗彎驗(yàn)算

樁端基巖由于溶洞的存在還可能因頂板抗彎能力不足而發(fā)生破壞，《巖溶地區(qū)公路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)指南》[4]認(rèn)為當(dāng)頂板厚跨比（H/L）不小于1時(shí)，可認(rèn)為頂板是安全的；當(dāng)頂板厚跨比（H/L）小于0.5時(shí)，彎矩作為主要控制因素，頂板安全厚度可按式（5）估算：

式中各參數(shù)詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[4]。

因樁基地質(zhì)鉆探未明確揭示溶洞跨度，所以文中考慮按H/L=0.5、0.4及按樁端45°應(yīng)力傳遞3種情況分別驗(yàn)算，并假定按兩端固定梁計(jì)算，驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表7。從結(jié)果可知，頂板抗彎滿(mǎn)足要求。從后期實(shí)際施工中了解到，溶洞范圍35-0約為8 m，、35-1約為11 m，因此可認(rèn)為該樁基頂板是安全的。

表7 樁基巖溶頂板抗彎驗(yàn)算

5 結(jié)語(yǔ)

a）通過(guò)對(duì)該墩樁基的溶洞處置、樁基設(shè)計(jì)及驗(yàn)算、溶洞頂板持力層的驗(yàn)算表明，本墩樁基是安全的，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

b）從文中圖表可見(jiàn)，盲目加大嵌巖深度是不合理的，不僅對(duì)總承載力的提高有限，還增加了施工難度。

c）巖溶區(qū)端承樁需要取舍嵌巖深度與頂板厚度的情況下（一般認(rèn)為嵌巖深度+頂板厚度小于等于6D），在優(yōu)先考慮頂板厚度的前提下宜淺不宜深，一般在1D～3D之間擇優(yōu)取值。

d）文中對(duì)頂板的安全驗(yàn)算中均認(rèn)為巖層比較完整、節(jié)理裂隙不發(fā)育或較發(fā)育。實(shí)際中應(yīng)根據(jù)巖層裂隙的發(fā)育情況、位置、膠結(jié)度等綜合考慮。

e）施工中要遵循“先已知后未知、先深（長(zhǎng)樁）后淺（短樁）、先外后內(nèi)”的原則，地質(zhì)情況復(fù)雜的，也可先在樁位進(jìn)行鉆孔注漿，然后再進(jìn)行樁基成孔的施工處置方案[5]。