廣清城際北延線巖溶樁基設(shè)計總結(jié)

張子為

摘要 廣清城際北延線位于粵北巖溶強發(fā)育區(qū)，全線以高架敷設(shè)為主，復(fù)雜巖溶條件下的橋梁樁基設(shè)計是勘察設(shè)計工作中的重難點。根據(jù)項目地質(zhì)環(huán)境特點，總結(jié)了巖溶樁基勘察設(shè)計過程中的常見問題，結(jié)合實例淺析了類似地質(zhì)條件下的樁基選型原則，對巖溶區(qū)普遍存在的不等長樁基受力及溶洞頂板安全厚度兩大最常見設(shè)計問題進行數(shù)學(xué)分析，以典型案例計算為引總結(jié)分析相關(guān)受力規(guī)律并提出了指導(dǎo)性設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞 巖溶地區(qū);基礎(chǔ)設(shè)計;不等長樁;溶洞頂板

中圖分類號 U443.1 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）10-0135-04

0 引言

我國約 1/3 國土面積地處巖溶區(qū)，尤以西南及其周邊分布最為密集。因巖溶區(qū)地質(zhì)特點導(dǎo)致該區(qū)域工程勘察難度大、基礎(chǔ)施工風(fēng)險高、建設(shè)成本代價大[1-4]。文章以粵北巖溶強發(fā)育區(qū)的廣清城際鐵路北延線工程為例，總結(jié)分析了此類環(huán)境中基礎(chǔ)設(shè)計的的一些問題及處理原則，梳理了項目勘察設(shè)計過程中的一些代表性案例，對規(guī)范中尚無明確規(guī)定的不等長樁基受力及溶洞頂板安全厚度的問題予以計算分析，為類似工程的設(shè)計及施工提供一定參考。

1 工程概況

廣清城際北延線（以下簡稱該項目或該線）位于粵北清遠市境內(nèi)，線路全長19.736 km，設(shè)計標準為時速200 km無砟無縫城際鐵路，全線以高架橋梁敷設(shè)為主，橋梁長度占比為87.85%;結(jié)合地質(zhì)情況，全線橋梁均采用樁基礎(chǔ)。

沿線主要揭露的地層有第四系全新統(tǒng)（Q）人工堆積層與沖洪積層、泥盆系上統(tǒng)（D）泥質(zhì)粉砂巖、炭質(zhì)頁巖、粉砂巖及石灰?guī)r。線路所經(jīng)區(qū)域?qū)偃A南褶皺系粵中拗陷帶，位于花縣凹褶斷束北部，不良地質(zhì)主要以覆蓋性巖溶為主。巖溶發(fā)育情況定測期間判定為中等-強烈，隨著進場后逐步補勘，揭露的強發(fā)育巖溶墩臺比例進一步提高。此外部分墩臺位于灰?guī)r-砂巖交界段，基巖非常破碎，溶洞體量明顯偏大，巖面起伏大，甚至出現(xiàn)同一承臺半邊不足30 m見巖而另一半80 m仍未見巖的情況。該線灰?guī)r覆蓋層以全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖居多，該層風(fēng)化巖強度較好，但遇水易崩解，在地下水作用下，易在巖土界面形成土洞，一旦受到施工擾動，則快速失穩(wěn)坍塌，施工安全風(fēng)險高。

2 巖溶區(qū)橋梁工程勘察

目前鐵路工程巖溶區(qū)橋梁地勘按照分步實施、動態(tài)調(diào)整的原則開展。優(yōu)先實施角樁，并依此初判溶洞發(fā)育情況，若揭露巖溶中等或強烈發(fā)育則適當(dāng)增孔補鉆。該方式在鉆探初期有效保障了勘察效率，但隨著地質(zhì)核查及施工補勘的深入開展，純靠角樁控制的方式暴露了一些問題。

（1）該項目青欖海特大橋某墩12根樁定測期間僅鉆了四個角樁，未發(fā)現(xiàn)有溶洞，但該墩前后墩臺巖溶均為強烈發(fā)育。實際施工時，施工單位按照溶洞不發(fā)育選擇了泥漿比重偏低、護壁效果較差的旋挖鉆工法，鋼護筒下放長度也偏短，在實施某無鉆孔樁基時，因潛伏溶洞頂板破裂，導(dǎo)致塌孔、地表塌陷。后經(jīng)逐樁補鉆，7根樁揭露有溶洞，巖溶發(fā)育情況為中等-強烈。

（2）該項目燕湖新城西特大橋某墩首次地勘僅在4、5號樁中心施鉆，其中4號鉆孔未考慮臨近5號孔溶洞橫向發(fā)育的可能，應(yīng)設(shè)計專業(yè)要求在4號樁邊緣靠近5號孔方向補鉆一孔，實勘證明溶洞已經(jīng)侵入原擬定的樁底區(qū)域，若僅按自身鉆孔確定樁底標高，擬設(shè)計樁底距離溶洞頂板底僅不足3 m，承載力難以保證。

針對與上述問題，該項目增加了強發(fā)育巖溶區(qū)的樁基鉆探量，設(shè)計時除了考慮樁基自身鉆孔資料外，也充分結(jié)合臨近鉆孔情況綜合判斷溶洞分布，必要時通過孔位微調(diào)、補增鉆孔的方式強化了斜巖、大溶洞邊界的探測。

3 巖溶區(qū)橋梁基礎(chǔ)設(shè)計

3.1 基礎(chǔ)類型選擇

根據(jù)基礎(chǔ)與覆蓋層、灰?guī)r層的位置關(guān)系，可分為接觸巖面和非接觸巖面兩類。前者以嵌入灰?guī)r的柱樁為主，后者以摩擦樁、擴大基礎(chǔ)、沉井基礎(chǔ)等為主，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)本身不接觸灰?guī)r，不擾動灰?guī)r天然平衡狀態(tài)，充分利用巖體長年累月自重作用下的穩(wěn)定性。

采用非接觸巖面的基礎(chǔ)方案要非常慎重，以摩擦樁為例，首先要確保下臥灰?guī)r層整體完整穩(wěn)定，在基礎(chǔ)附加應(yīng)力下不致引起巖體頂板垮塌失穩(wěn);其次樁底距離巖土界面要保持足夠距離，一是減少樁基對下層灰?guī)r的擾動，二是前文提及巖土界面處有一定概率出現(xiàn)土洞，尤其是地下水豐富、灰?guī)r表層破碎時，更要保證足夠的安全距離。同時即便設(shè)計成摩擦樁，也應(yīng)開展逐樁鉆探排查土洞存在的可能性。

參照建筑基礎(chǔ)規(guī)范[5] “當(dāng)基礎(chǔ)底面以下的土層厚度大于三倍獨立基礎(chǔ)底寬，或大于六倍條形基礎(chǔ)底寬，且在使用期間不具備形成土洞的條件時，可不考慮巖溶對地基穩(wěn)定性的影響”，結(jié)合項目特點，認為覆蓋層經(jīng)鉆探排查無土洞發(fā)育且樁底距離灰?guī)r頂面超過3倍承臺短邊寬度，同時下方的灰?guī)r層溶洞頂板厚度超過3 m時，可考慮設(shè)計為摩擦樁，若下層溶洞頂板較厚、溶洞內(nèi)為全填充、灰?guī)r覆蓋層為不透水土層時，可適當(dāng)放寬樁底距巖面最小距離的要求。同時樁基布置上宜采用小樁徑、多根數(shù)的布置方式，以縮短樁長分散應(yīng)力。

作為無砟軌道，沉降變形也是控制基礎(chǔ)設(shè)計的關(guān)鍵。采用摩擦樁時除了要驗算整體沉降外，還應(yīng)結(jié)合基底下巖面起伏情況判定是否會因樁底壓縮層厚度不同導(dǎo)致同一承臺的差異沉降。北江特大橋某墩承臺一側(cè)深度約32 m見巖，另一側(cè)超過70 m深仍未見巖。即便通過增加樁數(shù)可保證樁長28 m時樁基承載力及整體沉降滿足要求，但由于承臺橫向兩側(cè)樁基樁底壓縮層厚度差異，承臺橫向?qū)a(chǎn)生約7 mm的沉降差，即0.01 rad的傾角，最終綜合分析后，通過調(diào)跨避讓了該處不利地質(zhì)。

當(dāng)溶洞始終呈串珠狀分布，樁基無法進入完整基巖時，也可考慮設(shè)計為嵌巖的摩擦樁。承載力計算時，僅統(tǒng)計灰?guī)r層內(nèi)各溶洞隔板的累計有效側(cè)阻力，一般認為有效的隔板厚度不應(yīng)小于1 m，并取消樁底豎向抗力，按照[P]=RCUh計算。以常見的1.25 m樁基為例，C按0.02取值，R值在該線均值基礎(chǔ)上適當(dāng)折減取用15 MPa，經(jīng)計算當(dāng)灰?guī)r層內(nèi)溶洞隔板累計厚度超過6 m時，樁基承載力基本超過設(shè)計控制上限值7 000 kN，滿足受力要求，同時出于安全，還應(yīng)保證樁底立于隔板厚度不小于3 m的完整巖層上。

3.2 不等長樁的受力計算

灰?guī)r區(qū)樁基受巖面起伏、溶洞分布影響，同一承臺各樁長難以一致，目前群樁樁基主要采用基于等樁長的“m法”計算，面對不等長樁，仍按等長樁計算得出的樁基內(nèi)力和實際情況會存在一定差異，以項目中常見的8根1.0 m嵌巖樁為例，分別建立等長與不等長群樁有限元模型，m值取用5 000 kPa/m，樁土間不考慮豎向約束，水平約束按土彈簧計，等長樁樁長30 m，不等長樁25～36 m不等，但平均長度30 m。

分別在墩頂施加縱、橫及豎向力，兩種情況樁基受力對照情況如圖1、圖2、圖3。

由圖可見：（1）由于短樁剛度高，內(nèi)力分配上明顯長度更短的樁基分配的內(nèi)力更多。其中墩頂水平力下分配的差異較大，樁頂豎向力最大差異超過20%，而墩頂豎向力下兩者最大差異為6.5%。

（2）水平力產(chǎn)生的彎矩主要由群樁豎向反力平衡，因此等長與不等長樁基彎矩結(jié)果差異不大，不超過1%。

（3）由于不等長樁各樁剛度不同，純豎向力作用下，樁身會產(chǎn)生額外的彎矩和剪力。該內(nèi)力大小一方面取決于樁長差異，另一方面與土層 m值及樁徑有關(guān)，經(jīng)測算提高樁徑至1.25 m，彎矩值提了43%，維持樁徑不變，提高 m值至7 500 kPa/m彎矩值提高了8%。

目前鐵路設(shè)計院在群樁計算時普遍采用“空間樁基優(yōu)化設(shè)計繪圖程序”（B89），該程序在計算時也考慮了各樁的差異性。結(jié)合該項目中較常見的（32+32）m簡支梁橋墩具體受力情況，選取兩組控制性荷載組合，對比等長樁基及不等長樁基分別按B89和有限元計算的差異。

經(jīng)計算B89與有限元計算結(jié)果基本吻合，兩者誤差不超過3.6%。鑒于B89計算便捷，誤差可控，對不等長樁基的計算可在該項目上推廣使用。但無論采用何種方式計算，不等長樁與等長樁基樁頂力均有較大差異，采用B89計算時最大誤差9.3%，采用有限元計算時最大誤差12%。因此巖溶區(qū)樁基樁長度差異較大時必須單獨驗算分析。

3.3 溶洞頂板安全厚度及穩(wěn)定性判斷

鐵路橋梁基礎(chǔ)規(guī)范[6]中尚無關(guān)于巖溶區(qū)溶洞頂板安全厚度的明確規(guī)定或計算方法，公路橋涵基礎(chǔ)規(guī)范[7]中提出溶洞頂板厚度不宜小于3d。部分文獻[8-9]結(jié)合試驗數(shù)據(jù)及理論分析，提出了將溶洞頂板視為板、梁結(jié)構(gòu)，驗算其抗彎、抗剪及抗沖切能力，并提出了相對簡化的計算方法。為了便于了解溶洞頂板承載力的規(guī)律，找出適合該項目常規(guī)情況下合理的頂板厚度，參照上述文獻中按板、梁模式的簡化算法進行對比分析。計算模型分別按圓形等厚板、正方形等厚板及寬梁考慮，約束情況按照全部簡支及全部固定分別計算，計算公式如圖4。

該項目灰?guī)r區(qū)常規(guī)簡支梁段落樁基主要以1.0 m和1.25 m樁徑為主，巖面深度基本超過20 m，根據(jù)嵌巖樁受力機理，樁端承擔(dān)的荷載隨著樁長增加而逐漸減少，目前尚無明確的分擔(dān)比例，出于保守，計算時按照1.25 m樁徑，樁底分擔(dān)5 000 kN計算各種模式的承載能力，泊松比取0.26。按照不同計算方法及不同頂板跨度依次計算頂板厚度2～6 m范圍的巖石最大拉應(yīng)力。

由圖5可見，按簡支寬梁和圓形固結(jié)板計算的頂板應(yīng)力明顯異于其他模式。同時當(dāng)頂板厚度超過4.5 m后，各模式厚度-應(yīng)力曲線基本趨于平緩，說明頂板厚度對頂板應(yīng)力的影響逐步變小。當(dāng)厚度超過4.5 m后，按圓形簡支板、矩形簡支板、矩形固結(jié)板、固結(jié)寬梁模式計算的結(jié)果非常接近，且頂板最大拉應(yīng)力均低于500 kPa。取用上述成果相對一致的四種模式里略偏保守的圓形簡支板進一步分析不同溶洞跨度條件下各頂板厚度對應(yīng)力的影響時發(fā)現(xiàn)，隨著頂板的增厚，不同頂板跨度下的應(yīng)力差異越來越小，當(dāng)頂板厚度超過4.5 m時，跨度60 m與20 m最大拉應(yīng)力差160 kPa，當(dāng)頂板厚度達到6 m時，二者僅差90 kPa。

以上計算從板、梁受力情況推擬了溶洞頂板的受力狀態(tài)，雖然計算參數(shù)的選取可能會與實際溶洞形態(tài)及巖石物理性質(zhì)有一定出入，且計算時未考慮覆土壓力、多樁基作用等情況，但結(jié)合參考文獻中的一些試驗數(shù)據(jù)，能夠基本明確溶洞頂板承載力的共性規(guī)律：

（1）溶洞頂板承載力僅與板、梁的尺寸、約束情況及材料有關(guān)，與溶洞洞高無關(guān)。承載力特點類似板、梁結(jié)構(gòu)，隨著溶洞頂板厚跨比的增加而提高。

（2）根據(jù)部分仿真分析[10]，同一頂板跨度下，樁基承載力隨著頂板厚度增加而增加，但當(dāng)頂板厚度超過3倍樁徑時，承載能力增幅平緩。該節(jié)計算分析中也得出了類似結(jié)論，即頂板厚度超過4.5 m（約3倍樁徑）頂板應(yīng)力受溶洞跨度影響較小，該結(jié)論與《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中建議的3d安全厚度基本吻合。

由于巖溶區(qū)巖石完整程度及溶洞頂板真實狀態(tài)很難精確判斷，任何計算方法與實際情況都會存在一定出入，因此該項目常規(guī)簡支梁段落嵌巖樁在規(guī)范建議值基礎(chǔ)上適當(dāng)提高標準，除需滿足樁底距離溶洞頂板底層不小于3d的基本要求外，當(dāng)樁長按摩擦樁計算承載力無法滿足要求時，還應(yīng)執(zhí)行樁底距離溶洞頂板底不小于5 m（連續(xù)梁等大跨結(jié)構(gòu)單獨分析）。

4 結(jié)束語

該文基于廣清城際北延線勘察設(shè)計及施工過程中的一些具體情況，總結(jié)了巖溶區(qū)樁基常見問題的解決思路和處理原則。就受力分析中比較關(guān)注的不等長樁基及溶洞頂板穩(wěn)定性進行了定量分析，梳理了其力學(xué)規(guī)律，并提出了便于設(shè)計的參考數(shù)據(jù)。通過對該項目的技術(shù)總結(jié)，進一步指導(dǎo)項目后續(xù)工作的開展，同時也為類似工程的設(shè)計及施工提供一定參考。

參考文獻

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