巖溶峰叢洼地橋梁樁基礎孔壁穩(wěn)定性分析

基金項目：廣西高校中青年教師科研基礎提升能力提升項目“基于截面剛度的大跨徑連續(xù)剛構橋跨中下?lián)戏乐窝芯俊保ň幪枺?022KY1131）

作者簡介：楊 陽（1992—），碩士，工程師，研究方向：橋梁樁基施工、橋梁結構監(jiān)測、橋梁焊接等。

摘要：文章根據巖溶峰叢地貌形態(tài)特點，以天峨至巴馬高速公路N0.5合同段為例，建立巖溶峰叢洼地豎直孔樁基礎物理模型，對巖溶峰叢洼地地應力進行分析，并根據橋位巖溶發(fā)育情況及現場施工條件，分析了巖溶峰叢洼地挖孔樁及鉆孔樁成孔過程的孔壁穩(wěn)定性，為天峨至巴馬高速公路N0.5合同段橋梁樁基礎施工提供指導。

關鍵詞：巖溶；橋梁；樁基；孔壁穩(wěn)定性

中圖分類號：U443.15

0 引言

巖溶地區(qū)地質條件復雜，我國巖溶主要集中在云南、貴州、四川、廣西等地區(qū) ^［1］。我國巖溶地區(qū)面積分布廣，因此部分公路橋梁選線時無法避開巖溶區(qū)域，導致相當多的橋梁修建在溶洞之上。在溶洞上建橋會對橋梁樁基礎造成一定的影響，在施工中易出現卡鉆、漏漿、塌孔等事故，建成后若下伏地石不穩(wěn)，還會發(fā)生不均勻沉降，大大縮短橋梁的使用期限^［2-3］。巖溶峰叢洼地是巖溶地貌發(fā)育演變形成的特殊的地貌形態(tài)，是喀斯特作用最強烈、地形最復雜的一種典型巖溶地貌^［4-5］。天峨至巴馬高速公路N0.5合同段沿線主要為巖溶峰叢地貌，巖溶發(fā)育十分強烈，沿線溝谷主要采用橋梁跨越，部分橋梁樁基礎位于洼地中心。洼地中心附近的樁基受擠壓應力的影響，樁基孔壁穩(wěn)定性問題十分突出。目前針對橋梁樁基礎的研究大多針對高強度巖石、普通的山區(qū)巖溶地帶^［6-8］，關于巖溶峰叢洼地方面的橋梁樁基礎研究較少。因此，本文結合天峨至巴馬高速公路N0.5合同段，針對巖溶峰叢洼地地貌類型，對橋梁樁基礎的孔壁穩(wěn)定性進行研究。

1 工程概況

天峨至巴馬高速公路N0.5合同段區(qū)域位于河池鳳山與巴馬交界處，區(qū)域主要為巖溶峰叢洼地地貌，洼地為封閉式洼地，山坳及山腳下多石芽、滾石?；鶐r主要為石炭系白云巖、灰?guī)r夾白云巖。洼地到地下河的高差約為200～300 m，洼地中發(fā)育有多層水平巖溶通道和多個垂直巖溶通道，垂直巖溶通道通過水平巖溶通道相連通。橋梁主要從洼地穿過，跨越洼地與兩側隧道連接，橋跨上部結構主要采用30 m和40 m預應力混凝土T梁，下部結構采用柱式墩、嵌巖式樁基礎，樁長一般為20～25 m，個別樁長接近30 m。

2 地應力對孔壁穩(wěn)定性的影響

地應力是存在于地層中且不受工程擾動的天然應力，由地殼巖石變形引起的介質內單位面積的力，主要是在重力場和構造應力場的共同作用下形成的應力狀態(tài)，且其大小和方向隨時間和空間位置而變化^［9］。地形是影響地應力的重要因素之一，巖溶峰叢地形地應力的影響主要在地表附近，巖溶峰叢洼地的洼底區(qū)存在應力集中區(qū)。地應力的分布對樁基開挖有很大的影響^［10］。高地應力區(qū)樁基開挖施工中，開挖后巖體快速形成臨空區(qū)，圍巖應力場邊界條件發(fā)生急劇變化，打破原有平衡，致使圍巖應力發(fā)生快速調整，使得圍巖的瞬時應力變化值較大，導致局部應力集中，可能造成樁基孔壁失穩(wěn)、樁基快速出現破壞，從而影響樁孔的成型質量。

3 樁基礎模型

樁孔的圍巖強度參數根據地下工程巖體分級和經驗確定。根據圍巖分級，樁孔圍巖和結構面的物理力學參數按表1和表2的經驗取值。

在巖溶峰叢洼地中，峰叢由連座山峰組成，山峰和峰座圍成峰叢洼地。建立峰叢洼地豎直孔樁基礎物理模型，如圖1所示：

峰叢洼地剖面由山峰1和山峰2圍成，山峰1和山峰2的峰座相連，峰座頂面為D1D2，洼地頂面為E1E2，峰座在洼地中交點為O，在洼地中施作樁基礎。在洼地中，OE1E2區(qū)域為應力松弛區(qū)，山峰和峰座對該區(qū)域不產生附加地應力作用。OG1G2區(qū)域由于受到兩側山峰和峰座擠壓，增大水平地應力，該區(qū)域樁孔圍巖將產生附加水平地應力作用。兩側山峰的峰尖部分斜坡的延長線C1F1和C2F2與樁位不相交，峰尖部分的巖體對樁位處不產生附加地應力。

最大水平應力方向為C1C2連線方向，C1C2 連線到樁頂的垂直高差為H，峰座頂面到樁頂的垂直高差為H₁，洼地頂面到應力松弛區(qū)底面邊界的高度為h₁，樁孔深度為h，則最大水平應力為：

式中：σ_Hz——作用在樁孔圍巖上的最大水平應力（kPa）；

γ、γ_a——分別為山峰巖體和洼地巖體的平均重度（kN/m³）；

K₀、K_a——分別為山峰巖體和洼地巖體的側壓力系數；

H——最大水平應力的峰叢計算高度（m）；

z——從樁頂向下的深度（m）。

峰座產生的水平應力為最小水平應力，與最大水平應力的方向垂直，其大小為：

式中：H₁——最小水平應力的峰座計算高度（m）。

巖溶峰叢洼地覆蓋層中，由于應力松弛作用，水平應力只由覆蓋層的重力產生，即：

σ_H=σ_h=K_aγ_aH_a""" （3）

式中：K_a、γ_a、H_a——覆蓋層的側壓力系數、重度和覆蓋層厚度。

巖溶峰叢洼地橋梁樁基礎孔壁穩(wěn)定性分析/楊 陽，肖紹碧，梁軍林，苗建青

4 巖溶峰叢洼地挖孔樁的孔壁穩(wěn)定性

4.1 挖孔樁護壁的承載力

取混凝土護壁度計算厚度為100 mm，安全系數取3.0，當混凝土等級分別為C15、C20、C25時，不同樁孔直徑滿足挖孔樁穩(wěn)定性要求所需的護壁承載力如圖2所示。

由圖2可知，護壁混凝土強度越高，承載能力越高；樁孔直徑越大，承載能力越低。天峨至巴馬高速公路N0.5合同段挖孔樁直徑為2.0 m，采用C20混凝土護壁施工，護壁厚度為100 mm，土重度為20 kN/m³、泊松比為0.40時，巖石重度為27 kN/m³、泊松比為0.25時，則土層中允許挖孔樁的最大深度為25 m，巖層中允許挖孔樁最大深度為35 m。

4.2 峰叢附加地應力對孔壁穩(wěn)定性的影響

考慮巖體的內摩擦角為φ=20°，重度為27 kN/m³，泊松比為0.30，峰叢附加地應力計算高度分別為10 m、20 m、30 m、40 m、50 m時，不同挖孔深度滿足挖孔樁穩(wěn)定性要求所需的圍巖強度如圖3所示。

由圖3可知，峰叢附加地應力計算高度越高，圍巖凝聚力越大；挖孔深度越大，圍巖凝聚力越大。天峨至巴馬高速公路N0.5合同段挖孔樁的深度為20～25 m，孔深為20 m時凝聚力要求為170～400 kPa，孔深為25 m時凝聚力要求為200～425 kPa。不考慮不利結構面影響時，Ⅳ級及以上圍巖可滿足挖孔20 m的要求，強度較高的Ⅳ級及以上圍巖可滿足挖孔25 m的要求。考慮峰叢附加地應力影響時，如果圍巖受結構面破壞控制，只有硬質巖結構面結合良好的情況才能滿足孔壁穩(wěn)定要求。

5 巖溶峰叢洼地鉆孔樁的孔壁穩(wěn)定性

鉆孔樁采用旋挖鉆施工時，孔壁穩(wěn)定性與挖孔樁相同，旋挖鉆一般適用于土層中樁孔開挖施工，不設護壁時的最大鉆孔深度為25 m。在軟弱地層中需要設護壁，一般采用鋼護筒跟進鉆孔，護壁最大設計壓力為400 kPa，鋼護筒的最小厚度要求＞6 mm。巖石中的鉆孔樁常用回轉鉆機或沖擊鉆機，采用泥漿護壁，泥漿黏度為20 s，相對密度為1.1～1.4，砂土及卵石層采用較高的泥漿黏度。

5.1 不同結構面類型對泥漿護壁的要求

當結構面類型為1類和2類時，鉆孔深度為25 m即可滿足自穩(wěn)要求，且在無護壁情況下不容易塌孔；當結構面類型為3類和4類時，無護壁鉆孔容易塌孔，需要護壁才能滿足鉆孔穩(wěn)定要求。對于結構面類型為5類巖土層，地層巖土的凝聚力分別為10 kPa、20 kPa和40 kPa時，不同內摩擦角的地層對護壁泥漿的重度要求如圖4所示。

由圖4可知，地層巖土凝聚力越大，對護壁泥漿重度的要求越?。粌饶Σ两窃酱?，對護壁泥漿重度的要求越大。當泥漿護壁的重度為11～14 kN/m³時，只要地層巖土的內摩擦角＞6°就可滿足鉆孔穩(wěn)定性要求?？紤]清孔要求，孔內水柱的重度應≥10 kN/m³，對巖土層的內摩擦角要求是≥10°，除粉性土和淤泥外，對一般地層而言這個要求很容易滿足。泥漿護壁有一定的承載能力，經濟性好，因此鉆孔樁可采用泥漿護壁施工方案。

5.2 峰叢地應力對鉆孔穩(wěn)定性的影響

當巖體的內摩擦角為φ=20°，重度為27 kN/m³，泊松比為0.30，峰叢附加地應力計算高度分別為10 m、20 m、30 m、40 m、50 m時，不同鉆孔深度滿足鉆孔樁穩(wěn)定性要求所需的護壁泥漿重度如圖5所示。

由圖5可知，峰叢附加地應力計算高度越大，對護壁泥漿重度的要求越大；鉆孔深度越大，對護壁泥漿重度的要求越小。峰叢附加地應力計算高度≤10 m時，泥漿護壁適用于＞10 m的鉆孔；當峰叢附加地應力計算高度＞20 m時，泥漿護壁適用于＞15 m的鉆孔。當樁孔周圍峰叢附加地應力計算高度＞30 m時，且鉆孔深度＜25 m時，無法保證成孔和清孔，成孔或清孔過程中由于泥漿密度無法滿足要求而塌孔。有地應力影響時，鉆孔樁孔口部分容易塌孔，可采用鋼護筒加強護壁，提高樁孔護壁的穩(wěn)定性。

6 結語

本文建立豎直孔模型，研究巖溶峰叢洼地中樁基礎成孔過程的孔壁穩(wěn)定性，得出以下主要結論：

（1）分析巖溶峰叢洼地豎直孔樁基礎物理模型，山峰和峰座對洼地應力松弛區(qū)OE1E2區(qū)域不產生附加地應力作用。兩側山峰和峰座擠壓，使OG1G2區(qū)域樁孔圍巖將產生附加水平地應力作用。最大水平應力方向為C1C2連線方向，峰座產生的水平應力為最小水平應力，與最大水平應力的方向垂直。巖溶峰叢洼地覆蓋層中，由于應力松弛作用，水平應力只由覆蓋層的重力產生。

（2）護壁混凝土強度越高，承載能力越高；樁孔直徑越大，承載能力越低。峰叢附加地應力計算高度越高，圍巖凝聚力越大；挖孔深度越大，圍巖凝聚力越大。挖孔樁采用混凝土護壁施工時，黏性土地層中挖孔樁的最大允許挖孔深度為25 m，無黏性土地層不適合挖孔；巖層中巖體結構面類型3類及以上時允許的最大挖孔深度為35 m。

（3）鉆孔樁采用泥漿護壁施工時，地層巖土凝聚力越大，對護壁泥漿重度的要求越小；內摩擦角越大，對護壁泥漿重度的要求越大；峰叢附加地應力計算高度越大，對護壁泥漿重度的要求越大；鉆孔深度越大，對護壁泥漿重度的要求越小。巖土層的內摩擦角應≥10°；峰叢洼地和覆蓋層中0～15 m范圍樁段不適合于泥漿護壁，可采用鋼護筒強支護，提高樁孔護壁的穩(wěn)定性。

參考文獻

［1］李修虎.橋梁樁基在巖溶地區(qū)的施工技術探究［D］.合肥：安徽理工大學，2014.

［2］母進偉，雷明堂，梁軍林，等.巖溶路基病害與處置技術國內外研究現狀［J］.中國巖溶，2005（2）：89-95.

［3］朱方睿. 江西巖溶地區(qū)橋梁樁基承載性能數值分析研究［D］.南昌：南昌大學，2015.

［4］楊先武，錢葉青，鄭春霞.喀斯特峰林峰叢地貌形態(tài)表達研究綜述［J］.地理與地理信息科學，2017，33（4）：22-27.

［5］羅書文，呂 勇，吳克華，等.桂林峰林平原、峰叢洼地殘留中生代地層空間展布形成機制探討［J］.中國巖溶，2021，40（5）：805-814.

［6］胡鵬飛.巖溶地區(qū)水中超厚卵石樁基施工技術研究［J］.珠江水運，2016，403（7）：72-73.

［7］郜江俊，肖 豹，蔣春桂，等.巖溶區(qū)樁基施工技術探析［J］.工業(yè)建筑，2022，52（4）：223.

［8］石振明，沈丹祎，彭 銘，等.巖溶地區(qū)樁基施工溶洞處理技術——以吉安永和大橋樁基施工為例［J］.工程地質學報，2015，23（6）：1 160-1 167.

［9］王金安，李 飛.復雜地應力場反演優(yōu)化算法及研究新進展［J］.中國礦業(yè)大學學報，2015，44（2）：189-205.

［10］龐 彪.軟巖山區(qū)不規(guī)則地形樁基單樁豎向承載力有限元分析［J］.西部交通科技，2021，177（10）：59-62.

收稿日期：2023-03-20