巖溶地區(qū)橋梁樁基設(shè)計(jì)分析

摘要 樁基礎(chǔ)若處于巖溶地區(qū)，溶洞影響樁基豎向形變，樁端巖溶頂板的穩(wěn)定性較差，甚者溶洞坍塌，橋梁質(zhì)量受到損害?；A(chǔ)沉降和結(jié)構(gòu)不均勻會(huì)帶來形變，為降低形變，文章通過理論結(jié)合案例，對(duì)巖溶地區(qū)橋梁樁基的類型選擇、承載力影響因素以及多種類型的橋梁樁基設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，確保巖溶地區(qū)橋梁樁基工程質(zhì)量。結(jié)果表明：橋梁樁基承載力受溶洞頂板厚度、溶洞跨度以及溶洞與樁軸線的偏心距離等因素影響。

關(guān)鍵詞 巖溶地區(qū);橋梁;樁基設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào) U443.15 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）09-0172-03

引言

在巖溶地區(qū)，橋梁樁基礎(chǔ)不可避免地會(huì)遇到土洞、溶洞等不良地質(zhì)問題。目前，巖溶勘察、樁基礎(chǔ)施工措施、樁頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和樁基承載力特性研究等是熔巖地區(qū)樁基常見的工作方法，巖溶區(qū)橋梁樁基的設(shè)計(jì)實(shí)踐研究相對(duì)較少。巖溶地區(qū)橋梁樁基通常存在樁周板頂厚度不夠的問題，在橋梁自重及行車等其他荷載的作用下，頂板被壓碎，樁基礎(chǔ)承載能力損失從而使橋梁結(jié)構(gòu)破壞。對(duì)巖溶地區(qū)的橋梁樁基礎(chǔ)進(jìn)行合理地設(shè)計(jì)、施工控制，可確保樁基礎(chǔ)的工程質(zhì)量，樁基礎(chǔ)有足夠的承載能力，建造出質(zhì)量安全可靠的橋梁工程。

1 巖溶地區(qū)橋梁樁基設(shè)計(jì)原則及步驟

1.1 樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)原則

（1）經(jīng)濟(jì)、合理，且可以安全儲(chǔ)備。

（2）樁基與橋梁上部結(jié)構(gòu)的鉸接完好，容許承載力和變形滿足規(guī)范要求。

（3）設(shè)計(jì)考慮施工技術(shù)，成樁過程的影響因素，樁基能在現(xiàn)有施工條件下成樁[1]。

1.2 樁基設(shè)計(jì)步驟

（1）分析得出的地質(zhì)勘察資料，根據(jù)勘察資料制定合理的設(shè)計(jì)方案。

（2）根據(jù)設(shè)計(jì)方案及實(shí)際情況核算確定樁基類型、根數(shù)、位置以及尺寸。

（3）樁基強(qiáng)度、穩(wěn)定性、變形檢測(cè)。

（4）根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，計(jì)算、修正初步設(shè)計(jì)方案，使其符合規(guī)范要求，確定最終設(shè)計(jì)方案。

（5）不斷進(jìn)行實(shí)地檢測(cè)，根據(jù)實(shí)際情況不斷變更設(shè)計(jì)，以求設(shè)計(jì)樁基礎(chǔ)能達(dá)到最佳的承載能力[2]。

2 巖溶地區(qū)橋梁樁基類型及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 樁基類型的選擇

2.1.1 摩擦樁

巖溶地區(qū)的溶洞分布較淺，溶洞頂板過薄嵌巖樁的設(shè)計(jì)滿足不了承載力的要求[3]。當(dāng)穿過溶洞群時(shí)，樁基的長(zhǎng)度按照摩擦樁計(jì)算。樁基設(shè)計(jì)要假設(shè)混凝土樁身與巖石鉸接好，在試驗(yàn)樁成樁后進(jìn)行樁基抗剪強(qiáng)度檢測(cè)?；鶐r的裂縫含有豐富的水分，在施工過程中，可能發(fā)生滲水、漏漿等問題。

在摩擦樁的設(shè)計(jì)中，不計(jì)算樁端抗力作用，成樁后逐樁驗(yàn)算，遇溶洞多的地質(zhì)時(shí)，根據(jù)檢測(cè)樁的實(shí)際情況，進(jìn)行補(bǔ)樁以達(dá)到設(shè)計(jì)樁基承載力。樁基漏漿形式如表1所示。

2.1.2 嵌巖樁

嵌巖樁的形式有單排樁和群樁，具有單樁軸向承載力大、橫向穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，適合于橋面寬且孔徑大的橋梁樁基，嵌巖樁樁底須位于同一巖層，基巖完整層厚度≥4 m，同時(shí)滿足樁底地區(qū)地質(zhì)情況基本相同。樁底基巖極限抗壓強(qiáng)度>3.0 MPa，若嵌入層位弱風(fēng)化灰?guī)r則嵌入深度應(yīng)>3 m，并在成樁后檢測(cè)樁基的強(qiáng)度、承載力、穩(wěn)定性等，根據(jù)實(shí)際檢測(cè)情況進(jìn)行補(bǔ)樁，確定墩臺(tái)樁基方案。

2.2 樁基設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）樁基設(shè)計(jì)在巖溶發(fā)育地區(qū)，采用地質(zhì)雷達(dá)物探和逐樁鉆孔勘探結(jié)合相互校核，逐樁檢驗(yàn)，對(duì)照已有的臨近樁基，掌握節(jié)理發(fā)育情況，明確溶洞的深度、高度以及內(nèi)有填充物等，為樁基設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

（2）將持力層基巖進(jìn)行土工試驗(yàn)，確定基巖的飽和極限抗壓強(qiáng)度;溶洞內(nèi)填充物進(jìn)行土工試驗(yàn)，確定填充物的物理力學(xué)性能，并檢測(cè)其容重、孔隙率和含水量等，為樁基施工處理巖溶提供依據(jù)。

（3）地下水位較低的山區(qū)，橋梁樁基多采用人工挖孔成樁的方式，勘察時(shí)運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)物探手段探明溶洞情況。

（4）條件允許的情況下，優(yōu)先考慮明挖基礎(chǔ)的基礎(chǔ)形式。

3 巖溶區(qū)樁基承載力影響因素分析

3.1 頂板厚度對(duì)樁基承載力的影響

樁基設(shè)計(jì)的核心問題取決于樁側(cè)摩阻力，樁側(cè)摩阻力直接決定樁極限承載力。當(dāng)樁基較長(zhǎng)時(shí)，極限承載力70%由側(cè)摩阻力占據(jù)。而樁土的相對(duì)滑移距離是樁側(cè)摩阻力的影響因素，樁土相對(duì)滑移距離大，則樁側(cè)摩阻力就大。當(dāng)頂板厚度較小時(shí)，由于樁土相對(duì)滑移小于樁側(cè)摩阻力的最小相對(duì)滑移距離，因此導(dǎo)致了樁基承載力減小，從而頂板發(fā)生破壞。若增加頂板厚度至3倍直徑以上時(shí)，頂板端承力和相對(duì)滑移距離顯著提高，側(cè)摩阻力隨之增大。頂板厚度對(duì)側(cè)摩阻力影響較大，從而影響樁極限承載力，在樁端處存在少量的沉渣可以調(diào)整樁體的剛度，起到有利作用，增加樁土的相對(duì)滑移距離[4]。

3.2 洞跨對(duì)樁基承載力的影響

當(dāng)溶洞洞跨較小時(shí)，樁端承載力較大，溶洞處于樁端應(yīng)力作用以內(nèi)，受均勻圍壓效果，沖切起不到作用，無法破壞，此時(shí)溶洞洞跨對(duì)樁基承載力影響最小。因此，在溶洞洞跨較小時(shí)，可以采用樁端擴(kuò)頭設(shè)計(jì)或者適當(dāng)調(diào)整樁徑來提高樁基的承載能力。當(dāng)溶洞洞跨為2倍直徑時(shí)，樁端承載力快速減小，主要體現(xiàn)在樁端對(duì)頂板的沖切破壞。溶洞洞跨在不斷增大時(shí)樁基的極限承載力反而會(huì)下降?？梢赃@樣認(rèn)為，溶洞跨度對(duì)樁基承載力的影響變化趨于一個(gè)臨界值，超過臨界值時(shí)影響反而會(huì)降低，此臨界值主要受頂板厚度和樁端應(yīng)力擴(kuò)散角影響。

3.3 溶洞與樁軸線的偏心距離對(duì)樁基承載力的影響

當(dāng)偏心距離小于3倍直徑時(shí)，溶洞與樁軸線的偏心距離對(duì)樁基承載力的影響小，承載力參數(shù)變化不大;當(dāng)溶洞與樁軸線的偏心距離大于3倍直徑時(shí)，樁端應(yīng)力擴(kuò)散無法起到作用。當(dāng)溶洞與樁軸線的偏心距離4倍直徑時(shí)，隨著偏心距的增加，樁端承載力顯著提高。當(dāng)溶洞與樁軸線的偏心距離5倍直徑時(shí)，溶洞對(duì)樁基承載力的影響基本不用考慮。由上述得知，提高樁基承載力可以采取樁端周圍溶洞壓漿或者合理定位樁基位置[5]。

4 巖溶區(qū)樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

（1）巖石裂隙發(fā)育含有大量的碳酸鹽類水，滲水、漏漿現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，設(shè)計(jì)階段不考慮樁尖抗力，避免強(qiáng)風(fēng)化類巖層的松散作用。

（2）單個(gè)溶洞直徑≥3倍樁基直徑時(shí)，設(shè)計(jì)階段增設(shè)鋼護(hù)筒數(shù)量替代混凝土護(hù)壁的支護(hù)效果，降低素混凝土的用量。

（3）計(jì)算單樁承載力時(shí)，多層巖溶層與樁側(cè)面的摩阻力作用難以計(jì)算，視為安全儲(chǔ)備，采用油毛氈隔開多層溶洞層與樁基側(cè)壁按嵌巖樁設(shè)計(jì)計(jì)算。

（4）人工挖孔直接觀測(cè)樁基內(nèi)的情況，判斷巖溶和樁底持力層，隨時(shí)采取調(diào)整擴(kuò)大樁頭直徑的措施，及時(shí)補(bǔ)救，經(jīng)濟(jì)性好。有特殊情況無法采用人工挖孔時(shí)，比如：軟弱覆蓋層過厚或者地下水旺盛，采用正循環(huán)沖擊鉆法。

（5）樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)分為摩擦樁、端承樁。首選端承樁，具有安全性高、抗震性好等特點(diǎn)。如無法滿足沉降要求，再采用摩擦樁，嚴(yán)格按照公式復(fù)核計(jì)算樁底巖層的厚度，設(shè)計(jì)摩擦樁。

（6）設(shè)計(jì)摩擦樁有兩種類型，第一，樁基不進(jìn)入溶洞區(qū)，與普通樁基的設(shè)計(jì)計(jì)算相同。第二，樁底進(jìn)入溶洞區(qū)，摩擦樁的計(jì)算要合理選取溶洞區(qū)樁側(cè)土的極限摩阻力及樁底支承力。

5 案例應(yīng)用

5.1 工程概況

某橋梁是位于湖北省的一座大橋，橋面連續(xù)，單幅橋?qū)? m，全橋共計(jì)樁基80根，單根最長(zhǎng)樁47.0 m，樁徑1.6～1.9 m。由于溶洞地區(qū)橋梁樁基施工難度大，采取左右幅獨(dú)立分開設(shè)計(jì)，盡量避開溶洞。橋梁上部采用連續(xù)箱梁構(gòu)造，下部采用柱式墩臺(tái)構(gòu)造。整橋48根樁基處于溶洞區(qū)，巖溶發(fā)育，厚度大，溶蝕強(qiáng)烈。橋區(qū)所在地層自上而下為第四系洪沖積層、角礫巖和下二迭系灰?guī)r，基巖起伏大。溶洞層數(shù)最多12層，最高12 m，一般在9～10層，溶洞最高約10 m。該橋區(qū)還有一段斷層面傾向西的正斷層，且盤巖層破碎，落差6 m左右。

5.2 地質(zhì)勘察

橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)前要進(jìn)行巖溶地質(zhì)勘察，主要勘察地質(zhì)水文、氣候等環(huán)境特征、巖溶發(fā)育及分布情況、巖層發(fā)育節(jié)理等，為橋梁樁基的設(shè)計(jì)、施工提供依據(jù)。地質(zhì)勘察時(shí)探孔直徑比樁基礎(chǔ)的直徑小，勘察時(shí)個(gè)別溶洞并不能準(zhǔn)確被勘察到，僅采用逐樁鉆孔勘察無法真實(shí)反映巖溶發(fā)育情況和分布規(guī)律[6]。橋梁樁基≥1.5 m時(shí)，每個(gè)樁設(shè)置3個(gè)地質(zhì)鉆探孔。在樁基周圍設(shè)置鉆探孔，在一定深度的直徑范圍研究巖溶發(fā)育分布情況。結(jié)合本橋梁工程，開工前分析詳細(xì)勘察資料，組織人員進(jìn)行物探，根據(jù)物探情況，進(jìn)行逐樁地質(zhì)鉆孔探測(cè)，根據(jù)詳細(xì)的地質(zhì)鉆孔探測(cè)資料進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)變更，力求樁基的經(jīng)濟(jì)、安全、可靠，部分鉆孔勘察柱狀圖如圖1所示。

5.3 樁基設(shè)計(jì)

該工程案例地質(zhì)存在暗河和多層溶洞，須穿越多處溶槽、溶溝、上下成串溶洞，因此從多方面影響因素考慮，具體設(shè)計(jì)如下：

5.3.1 溶槽或溶溝處的橋梁樁基設(shè)計(jì)

溶槽底面或溶溝底面的橋梁樁經(jīng)過一般巖層上的內(nèi)力分析方法，根據(jù)溶槽或溶溝底面巖層的強(qiáng)度和縫隙計(jì)算樁的軸向允許承載力，本橋樁基穿過的溶洞頂板薄，但是溶槽或溶溝底面足夠深且填充土密實(shí)，達(dá)到一定的強(qiáng)度[7]。橋梁樁基立于溶槽底面或溶溝底面的巖層上，穿過溶槽、溶溝內(nèi)的填充土，不置于溶洞的底板上，按摩擦樁設(shè)計(jì)。

5.3.2 地基上下成串溶洞的橋梁樁基設(shè)計(jì)

橋梁地基穿過成串分布的溶洞時(shí)，探明溶洞最下層分布情況，采用直徑1.5 m的鉆孔樁。上下成串溶洞小并且有填充物時(shí)，先采取鉆孔壓漿加固填充至空洞，等待一段時(shí)間后，漿體凝固再往下鉆孔壓漿，按摩擦樁計(jì)算樁長(zhǎng)。上下成串溶洞大并且無填充物時(shí)，可先行鉆孔，然后拋石、壓漿，等待一段時(shí)間后，再往下鉆孔壓漿，按照柱樁進(jìn)行計(jì)算所需的樁長(zhǎng)。

5.3.3 負(fù)摩擦力影響的樁基設(shè)計(jì)

由于自重的作用，擾動(dòng)的基土石都會(huì)發(fā)生固結(jié)下沉，經(jīng)過開采地下水后，發(fā)生地基軟弱層相對(duì)樁基固結(jié)下沉，下沉?xí)a(chǎn)生負(fù)摩擦力，即一個(gè)向下的摩擦力。負(fù)摩擦力加劇了樁基的軸向荷載，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致樁基破壞。樁基設(shè)計(jì)要重視負(fù)摩擦力問題，可以在中性點(diǎn)以上增設(shè)隔離層，隔離層材料選用油毛氈，克服負(fù)摩擦力，以此消除負(fù)摩擦力的影響。

5.3.4 穿進(jìn)多層巖溶層的樁基設(shè)計(jì)

多層巖溶層對(duì)樁側(cè)的摩阻作用是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)體系，將多層巖溶層的摩阻作用視作安全儲(chǔ)備。當(dāng)多層巖溶層與樁側(cè)粘連一起，可能先發(fā)生摩阻破壞，從而導(dǎo)致樁基礎(chǔ)破壞，樁身軸向荷載可能集中在某一巖溶層與樁身粘結(jié)處。在鉆孔灌注樁施工過程中，采用油毛氈進(jìn)行隔離，多層巖溶層對(duì)樁側(cè)的摩阻作用不予考慮，軸向荷載完全作用于樁底的巖層上，按照柱樁設(shè)計(jì)。

6 結(jié)論

在巖溶地區(qū)修建橋梁，由于復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，修建橋梁遇上巖溶地區(qū)難以避免。溶洞地區(qū)橋梁樁基的設(shè)計(jì)影響因素多變，該文結(jié)合具體案例闡述巖溶地區(qū)橋梁樁基的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，得出以下結(jié)論：

（1）溶洞頂板厚度對(duì)樁基承載能力有顯著影響，若增加頂板厚度至3倍直徑以上時(shí)，頂板端承力和相對(duì)滑移距離顯著提高，側(cè)摩阻力隨之增大。

（2）溶洞跨度對(duì)樁基承載力的影響變化趨于一個(gè)臨界值，此臨界值為2倍直徑，超過臨界值時(shí)影響反而會(huì)降低，此臨界值主要受頂板厚度和樁端應(yīng)力擴(kuò)散角影響。

（3）溶洞與樁軸線的偏心距離小于3倍直徑時(shí)，樁基承載力較小，承載力參數(shù)變化不大;當(dāng)溶洞與樁軸線的偏心距離大于3倍直徑時(shí)，隨著偏心距的增加，樁端承載力顯著提高。

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收稿日期：2022-03-17

作者簡(jiǎn)介：朱詩勇（1987—），男，碩士，工程師，研究方向：橋梁設(shè)計(jì)。