巖溶地基條件下橋梁樁基設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

收稿日期：2024-01-22

作者簡(jiǎn)介：劉雙林（1987—），男，本科，工程師，研究方向：公路與橋梁設(shè)計(jì)。

摘要 為了解決巖溶地基條件下進(jìn)行橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)問(wèn)題，文章以貴州省黔東南州錦屏縣新化大橋工程為例，結(jié)合工程區(qū)域巖溶地基條件對(duì)橋梁樁基設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行研究分析。通過(guò)對(duì)橋梁上、下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及橋面設(shè)計(jì)的要點(diǎn)和技術(shù)指標(biāo)設(shè)定，結(jié)合工程地質(zhì)勘察報(bào)告，基于巖溶地基條件下橋梁樁基設(shè)計(jì)的原則，考慮樁基承載能力及變形要求，合理進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)可以有效提高橋梁的承載力和穩(wěn)定性，為巖溶地基條件下的橋梁樁基設(shè)計(jì)提供了方案支撐和技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞 巖溶地基；新化大橋；樁基設(shè)計(jì)；技術(shù)指標(biāo)；設(shè)計(jì)要點(diǎn)

中圖分類(lèi)號(hào) U443.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）11-0108-03

0 引言

在巖溶地基條件下進(jìn)行橋梁樁基設(shè)計(jì)，需要綜合考慮地質(zhì)條件、工程要求和施工條件等方面因素。橋梁樁基設(shè)計(jì)前，必須對(duì)工程區(qū)域開(kāi)展地質(zhì)勘察，以了解巖溶地基的具體分布、規(guī)模、形態(tài)以及巖溶發(fā)育程度等情況，還要掌握工程區(qū)域的地下水水位、流向和變化規(guī)律等信息[1]。根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果和工程要求，巖溶地基中一般選用的樁基類(lèi)型包括端承樁和摩擦樁，其中端承樁適用于巖溶較發(fā)育、樁基承載力要求較高的區(qū)域；摩擦樁適用于巖溶不發(fā)育、樁基承載力要求較低的區(qū)域。

1 工程概況

新化大橋位于貴州省東南部，黔東南苗族侗族自治州錦屏縣新化鄉(xiāng)境內(nèi)。原橋?yàn)? m×30 m空腹式等截面懸鏈線無(wú)鉸石拱橋，矢跨比F/L=1/6，拱圈厚度0.8 m。由于原橋修建年代較早且橋梁設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載等級(jí)低，近年來(lái)現(xiàn)行交通量又不斷增加，已經(jīng)不能滿(mǎn)足安全通行要求，必須進(jìn)行危橋改造。改造后的橋梁主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：跨徑和橋型呈3 m×30 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T形梁橋，橋梁全長(zhǎng)100 m，全寬10 m，汽車(chē)荷載等級(jí)為公路-I級(jí)，橋面橫坡設(shè)計(jì)車(chē)道為雙向2%，橋面縱坡設(shè)計(jì)為+0.5%、0.0%、?0.5%，設(shè)計(jì)洪水頻率為1/50，橋頭引道公路等級(jí)為四級(jí)。橋梁橫斷面（跨中）如圖1所示。

2 工程區(qū)域地質(zhì)特征

橋梁建設(shè)區(qū)內(nèi)特殊地質(zhì)主要為巖溶地基，兩岸橋臺(tái)基礎(chǔ)均位于巖溶發(fā)育區(qū)橋位區(qū)，地貌類(lèi)型為河流階地地貌，兩岸地形平緩，新化岸為新化鄉(xiāng)集鎮(zhèn)，隆里岸橋頭為居民區(qū)，地形標(biāo)高363.30～374.74 m，相對(duì)高差11.14 m。根據(jù)大橋《地質(zhì)勘察報(bào)告》顯示，橋位場(chǎng)地地層巖性與巖土構(gòu)成如下。

2.1 覆蓋層

第四系填筑土（Qme）：橋結(jié)構(gòu)塊石混凝土，結(jié)構(gòu)呈中密—密實(shí)狀態(tài)，形態(tài)稍濕，屬于硬土Ⅲ級(jí)。第四系沖洪積（Qa1+p1）泥沙：呈黃褐色，有明顯的黏著感，結(jié)構(gòu)呈稍密—中密狀態(tài)，形態(tài)飽和，屬于普土Ⅱ級(jí)。第四系沖洪積（Qa1+p1）卵石土：呈雜色，卵石主要成分為灰?guī)r，粒徑尺寸為4～8 m，磨圓度較好，結(jié)構(gòu)呈稍密—中密狀態(tài)，形態(tài)較飽和，鉆孔顯示厚度為2.5～8.6 m，主要分布于河道上，屬于普土Ⅱ級(jí)。

2.2 基巖

橋梁區(qū)域下伏基巖為二疊系下統(tǒng)茅口組（P1m）灰?guī)r，按風(fēng)化程度劃分為強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化兩種類(lèi)型，其中強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r為灰色，其節(jié)理裂隙很發(fā)育，節(jié)理間隙被黏土充填，巖體較為破碎，巖質(zhì)也較為松軟，巖芯多呈塊狀或碎塊狀，采取率一般為70%左右，鉆探揭露厚4.4～7 m，為軟石Ⅳ級(jí)。中風(fēng)化灰?guī)r呈深灰或灰黑色，呈中厚層狀，巖體完整且?guī)r質(zhì)較硬，巖芯多呈柱狀或短柱狀，采取率一般為93%，為次堅(jiān)石Ⅴ級(jí)。橋臺(tái)工程地質(zhì)縱面如圖2所示。

圖2 橋臺(tái)工程地質(zhì)縱面圖

3 巖溶地基條件下橋梁樁基設(shè)計(jì)原則

根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果和樁基類(lèi)型計(jì)算樁基的承載力，需要考慮工程區(qū)域地基巖溶發(fā)育程度、樁身截面尺寸、樁長(zhǎng)、樁底持力層等因素，還要考慮施工誤差、基礎(chǔ)沉降等因素的影響。結(jié)合調(diào)整樁徑、樁長(zhǎng)、樁間距等參數(shù)對(duì)樁基設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，提高樁基的承載力和穩(wěn)定性。樁基作為上、下部結(jié)構(gòu)與地基之間的連接部分，由于上部結(jié)構(gòu)的荷載作用，會(huì)使樁基與土層之間產(chǎn)生一定的相對(duì)位移情況，要按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）中橋梁作用的分類(lèi)對(duì)樁基開(kāi)展設(shè)計(jì)[2]。

3.1 巖溶地基條件下的樁基荷載

公路橋梁設(shè)計(jì)中橋梁承受的作用可以分為永久作用、可變作用、偶然作用和地震作用。永久作用即在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期間，其值不隨時(shí)間變化，或其變化與平均值相比可以忽略不計(jì)，如結(jié)構(gòu)自重、土壓力、預(yù)加應(yīng)力等。可變作用即在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期間，其值隨時(shí)間變化，且其變化與平均值相比不可以忽略不計(jì)的荷載，如汽車(chē)荷載、汽車(chē)制動(dòng)力、風(fēng)荷載等。偶然荷載一般是指結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用期內(nèi)偶然出現(xiàn)（或不出現(xiàn)），其數(shù)值很大、持續(xù)時(shí)間很短的荷載。

3.2 巖溶地基條件下的樁基類(lèi)型選擇

由于樁基承受著橋梁上部建筑與通行車(chē)輛等各種荷載，樁基的選擇要充分考慮工程地質(zhì)狀況和環(huán)境的影響，這些因素會(huì)影響樁基的支撐方式、截面大小、長(zhǎng)度和樁基的施工用量和施工方法。根據(jù)承載力性狀分類(lèi)，可將樁基分為端承樁與摩擦樁[3]。在巖溶地區(qū)，當(dāng)巖層埋深較淺時(shí)，可以采用端承樁；當(dāng)基巖面起伏很大基巖埋深較大或基巖下溶洞發(fā)育強(qiáng)烈，或樁端沒(méi)有較好的持力層時(shí)，可以采用摩擦樁。端承樁通常需要深入土層深處并設(shè)置在堅(jiān)硬的巖層上，依靠下方巖層的支撐來(lái)承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)的荷載，這種樁體通常不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移現(xiàn)象，也不會(huì)產(chǎn)生摩擦力；摩擦樁通常應(yīng)用于土層較厚的區(qū)域，在樁基長(zhǎng)度無(wú)法抵達(dá)硬土層或者其他可靠持力層時(shí)，樁的荷載就主要依靠樁身和周?chē)翆又g的摩擦力承擔(dān)，此時(shí)樁端處土層或者巖層的反力較小[4]。工程項(xiàng)目位于巖溶發(fā)育區(qū)，溶洞埋深較淺，樁基設(shè)計(jì)采用端承樁嵌入溶洞以下的完整基巖內(nèi)，樁基設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)表

墩臺(tái)號(hào) 墩臺(tái)高/m 孔跨/m 樁基布置 樁長(zhǎng)/m

0 5 30 5 ?1.5 m 23

1 7 2 ?1.6 m 12

2 7 2 ?1.6 m 12

3 5 5 ?1.5 m 23

3.3 巖溶地基條件下的樁基間距設(shè)定

巖溶地基條件下，橋梁樁基的間距要求是確保樁基施工安全和質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，橋梁樁基的間距要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和控制。根據(jù)不同的施工方法，如挖孔灌注樁和擴(kuò)底鉆灌注樁，間距的合理范圍也不同。為了確保橋梁樁基的穩(wěn)定性和安全性，還要考慮其他因素的影響，例如要根據(jù)樁端基巖的厚度、溶洞的大小等因素先進(jìn)行抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算，還要綜合考慮地質(zhì)條件、樁基類(lèi)型、施工方法、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以及巖溶發(fā)育程度和規(guī)律等多種因素進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制，確保施工質(zhì)量和安全。如果巖溶發(fā)育較為復(fù)雜，存在大型溶洞或連通性較好的溶洞網(wǎng)絡(luò)，樁基間距應(yīng)適當(dāng)增大，以避免樁基施工時(shí)發(fā)生漏漿、塌孔等事故。為了減小承臺(tái)體積和項(xiàng)目造價(jià)，可以適當(dāng)減小樁基間距，但需要滿(mǎn)足施工工藝要求和樁基承載力要求。根據(jù)不同的樁基類(lèi)型和施工方法，樁基間距的要求也有所不同。例如，對(duì)于人工挖孔樁，由于施工難度較大，樁基間距一般不宜小于2倍的樁徑；而對(duì)于擴(kuò)基樁，樁基間距應(yīng)根據(jù)擴(kuò)基段的設(shè)計(jì)直徑和施工工藝要求確定，確保施工質(zhì)量和安全。

3.4 樁基單樁豎向極限承載力設(shè)計(jì)計(jì)算

樁基是橋梁的重要基礎(chǔ)部分，樁基的設(shè)計(jì)條件和限制都存在一定差異，設(shè)計(jì)過(guò)程中既要考慮橋梁自身基礎(chǔ)軸心受力和偏心受力的影響，還要考慮自然環(huán)境因素的影響。根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3363—2019）第6.3.7條[5]，對(duì)支撐在基巖上或嵌入基巖中的鉆孔樁進(jìn)行受壓承載力計(jì)算，其單樁軸向受壓承載力特征值Ra可按式（1）計(jì)算：

（1）

式中，c1——根據(jù)巖石強(qiáng)度、巖石破碎程度等因素而確定的端阻力發(fā)揮系數(shù)；Ap——樁端截面面積（m2）；frk——樁端巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）。在樁基的設(shè)計(jì)過(guò)程中承載力的計(jì)算非常關(guān)鍵，樁基承載能力計(jì)算是驗(yàn)算樁基設(shè)計(jì)滿(mǎn)足規(guī)范要求的有力支撐，是確定樁基穩(wěn)定性的重要保障，對(duì)整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的安全使用至關(guān)重要[6]。為驗(yàn)算該工程實(shí)例中樁基設(shè)計(jì)滿(mǎn)足規(guī)范要求，對(duì)每個(gè)樁基進(jìn)行了承載能力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 橋梁樁基礎(chǔ)承載力安全系數(shù)表

墩臺(tái)號(hào) 樁基類(lèi)型 基樁

承載力/kN 基樁豎向力

設(shè)計(jì)值/kN 安全系數(shù)

0 端承樁 29 359 5 280 5.56

1 33 404 9 311 3.59

2 33 404 9 311 3.59

3 29 359 5 280 5.56

表2計(jì)算結(jié)果顯示，橋梁各樁基的安全系數(shù)均大于1，表明該橋梁的樁基設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和要求。

3.5 巖溶地基條件下的樁基施工技術(shù)設(shè)計(jì)

在巖溶地基條件下，巖溶的分布情況和埋深情況可通過(guò)地質(zhì)勘察報(bào)告得知，但巖溶的形狀及大小是很難明確的，這就給樁基施工帶來(lái)了一定困難。因此，需要根據(jù)巖溶的發(fā)育情況、巖溶見(jiàn)洞率和巖溶大小等方面特征，采取不同的施工方法。常用方法有回填法和套內(nèi)護(hù)筒嵌入法，兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，要結(jié)合工程地質(zhì)條件、項(xiàng)目情況及施工條件擇優(yōu)選擇，既要保障施工質(zhì)量又不能造成資源浪費(fèi)。工程實(shí)例中，橋臺(tái)處溶洞形狀及大小無(wú)法有效明確，故樁基設(shè)計(jì)采用穿過(guò)溶洞，施工采用套內(nèi)護(hù)筒嵌入法。樁基施工務(wù)必要達(dá)到設(shè)計(jì)要求的嵌巖深度和地基承載能力，也要注意基巖易水解軟化的情況，樁基成孔后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行混凝土灌注施工。在樁基施工之前，還要提前檢查樁底沉渣情況，樁底沉渣深度不得大于5 cm。

4 巖溶地基條件下橋梁樁基施工分析

巖溶地基條件下橋梁樁基施工質(zhì)量控制，既要解決橋梁樁基鉆孔問(wèn)題，又要優(yōu)化橋梁樁基灌注施工質(zhì)量控制，通過(guò)控制樁基施工方法和樁基成孔方式來(lái)提高橋梁樁基施工效果。在巖溶地基條件下，橋梁樁基施工中鉆孔失誤的概率大大增加，當(dāng)鉆孔突然出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象時(shí)，要及時(shí)停止鉆孔并查明原因，避免巖溶過(guò)大造成二次塌孔，必要時(shí)要調(diào)整樁基施工方法及成孔方式。為了控制橋梁樁基承載力，要優(yōu)化灌注樁施工質(zhì)量，避免樁基擠壓，控制好樁基之間的距離，通過(guò)控制導(dǎo)管拔管的速度來(lái)規(guī)避樁基發(fā)生斷裂等險(xiǎn)情?？紤]溶洞對(duì)鉆孔的影響，設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)關(guān)注溶洞的具體分布情況，要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察分析，及時(shí)調(diào)整優(yōu)化施工設(shè)計(jì)方案，可以采用加長(zhǎng)樁基鋼護(hù)筒的方式穿過(guò)溶洞，確保樁基順利成孔，為樁基后續(xù)施工的有效推進(jìn)奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)語(yǔ)

在巖溶地基條件下，橋梁樁基設(shè)計(jì)是確保橋梁安全和穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，要綜合考慮多種因素并進(jìn)行詳細(xì)的勘察和計(jì)算，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)、選擇適合的樁基類(lèi)型和施工工藝、加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)等因素，確保樁基的施工質(zhì)量和安全。該文以貴州省黔東南州錦屏縣新化大橋工程為例，對(duì)巖溶地基條件下橋梁樁基設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，包括樁基類(lèi)型、設(shè)計(jì)原則、計(jì)算方法、施工方法等方面進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)比分析，總結(jié)出不同地質(zhì)條件下樁基設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案，通過(guò)合理的樁基設(shè)計(jì)施工，減小了橋梁的沉降和變形，提高了橋梁的使用壽命和安全性，可以為類(lèi)似工程提供參考和借鑒。

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