浅谈岩溶地区桩基设计
2016-09-26
前言
通常情况下，岩溶地区的桩基设计考虑两种情况：①岩溶现象只在埋深较浅的局部出现，桩基可以穿过溶洞嵌入完整的持力层内，桩尖以下没有溶洞，与一般的嵌岩桩差别不大。②溶洞埋深较深或者多层溶洞出现，桩基贯穿所有溶洞困难，桩底持力层除了要有嵌岩深度外，还要考虑桩底岩层的抗冲切力，保证桩尖至溶洞顶有一定安全厚度，这一安全厚度设计中甚至要达到5倍桩径。
上述设计处理方案能够满足一般岩溶发育情况，但当岩溶特别发育，例如多层溶洞出现，钻孔深度30多米尚无厚度8m以上的完整岩层时，就无法在满足嵌岩深度1～ 2d的同时保证5倍桩径的溶洞顶板厚度。
1 桩基设计的一般原则
由于岩溶及隐伏岩溶发育，如何确定桩基持力层标高、确定施工方案，是本项目桥梁设计的重点，必须充分重视。设计应根据逐桩钻孔的地质资料，合理确定桩基型式和桩长，以及处治措施。
一般，桩基设计遵循以下原则：
（1）对于溶蚀、裂隙严重的溶洞顶板，按摩擦桩计算，对于无溶蚀、裂隙现象的持力层，溶洞顶板按嵌岩桩计算，考虑安全系数后，以3～4m 微风化完整顶板，作为桩基最终最小控制溶洞顶板厚度。
（2）对于独立的、非串通的溶洞，一般采用充填片石、压浆填充的方式进行处理，但必须确保空洞充填密实，此时可考虑溶洞段的桩周摩阻力，否则，不能考虑桩周摩阻力。
（3）对于大型的、串通且无充填或充填为流塑状物质的溶洞，则应考虑采用钢护筒跟进的处理措施。
（4）对于串珠桩溶洞，一般采用充填片石、压浆填充的方式进行处理。若无明显完整基岩持力层，则按摩擦桩进行考虑。
（5）桩长计算时，给予合理的安全储备。
（6）如果溶洞顶板很薄，而溶洞内的底面很深，且洞内填充土密实稳定，具有足够强度，则桩底可穿过溶洞的顶板置于溶洞内的填充土层内而不置于溶洞的底板上，桩基可按摩擦桩设计。
2 嵌岩桩的单桩容许承载力计算公式
根据行业标准《建筑桩基技术规范》 JGJ94- 2008 第5.3.9条及对应条文说明，其嵌岩桩单桩竖向极限承载力标准值计算公式为：
上述公式中 是嵌岩段侧阻力； 端阻力修正系数； 是嵌岩段侧阻和端阻综合系数，与嵌岩深径比 、岩石软硬程度和成桩工艺有关。
3 桩底持力层（桩尖以下溶洞顶板）厚度的讨论
目前岩溶地区桩基设计中，常采用的溶洞顶板安全厚度是5倍桩径，很多情况下显得过于保守。根据文献，确定岩溶地区桩基持力岩层的安全厚度，一般采用计算模型是将持力层视为一刚性底板，其上作用垂直荷载，根据溶洞顶板的冲切破坏可近似求算岩层持力层厚度。溶洞顶板内桩基冲切的计算简图如图1，这里按钢筋混凝土板受冲切构件公式计算，设应力扩散角a= 45 。
取石灰岩的抗拉强度设计值 f = 0.8MPa，则给定抗冲切安全系数K、桩基直径d及桩底处的竖向力P即可求解持力层最小厚度h。依据上述公式验算，一般情况下桩端以下作为持力层的厚度大约为2.5～ 3倍桩径。
影响持力层厚度的主要因素有：岩溶的发育情况、顶板岩层的节理裂隙及胶结情况、桩径大小、桩基成孔工艺及施工工艺水平（如沉渣厚度）及基桩的设计荷载大小等。这些因素中岩溶发育情况等相关岩土力学特性是最难以确定的。因此岩溶地区桩基的设计在数值计算分析的基础上必须结合详细的地质勘察资料，桩基设计才能有效合理。
4 岩溶地区桩基设计的要点
在岩溶地区进行嵌岩桩的设计应注意如下要点：
（1）对于岩溶强烈发育区在地质勘察阶段应做到逐桩钻孔，并与地质雷达等物探结果相互校验，逐桩判断，相临近的桩基相互对照，调查岩层的节理发育情况、溶洞的深度、高度、溶洞内填充物类型等，为设计提供可靠依据。
（2）对持力岩层及溶洞填充物进行土工试验，确定岩层的饱和极限抗压强度、填充物的物理力学性能，检测容重、含水量、空隙率等，为岩溶处理提供依据。
（3）根据溶洞分布情况、持力层强度及节理发育情况，采用适当的桩基承载力计算公式，合理确定桩底深度。
对于持力层埋深浅、强度较高、节理不发育、桩基成孔方法可以做到清孔很干净的情况，可忽略覆盖土层的总侧阻力，仅考虑嵌岩桩段的嵌固侧阻力和桩端端承力，这时要求的溶洞顶板安全厚度应不小于3倍桩径，同时不小于3m，桩基嵌岩深度1～1.5倍桩径当溶洞平面尺寸较小，溶洞顶板安全厚度可取3倍桩径即可；当溶洞平面尺寸较大时，溶洞顶板安全厚度应适当加大。对于持力层埋深较深、采用钻（冲）孔方式成孔，这时应考虑覆盖土层的总侧阻力。对于桩长30m以上仍然没有合适的持力层、岩层节理非常发育的情况下，可按摩擦桩设计，并适当考虑一定的持力层厚度。
（4）山区地下水位较低的桩基尽量采用人工挖孔成孔，结合地质雷达等物探手段，有利于探明溶洞的实际情况。
（5）有条件的情况下应优先采用明挖基础的基础形式。
5 岩溶地区桩基施工的处理方案
（1）若溶蚀发育轻微，或溶洞发育有一定规模，但洞内有填充物，没有裂隙发育，施工时漏浆量小。则可直接冲孔，但需要加大泥浆比重，加强护壁。钻穿溶洞时，反复在该位置填加片石和黄土挤密填筑溶洞，直至停止漏浆。
（2）若溶洞发育明显，洞内无填充物，或填充物松散，埋置深度大，无较大裂隙穿过，施工时明显漏浆。应注意在进入溶洞顶板以上1～ 2m范围后采用短进尺，密切注意漏浆情况，如漏浆应迅速用片石黄土等填充堵漏，并及时补浆，直至不再漏浆。
（3）如溶洞非常发育，有的为多层溶洞，并有明显裂隙发育，施工时漏浆量大。采用全护筒跟进至岩层顶面，防止因漏浆量大导致覆盖层严重塌孔。采用小直径钻头击穿溶洞顶板，然后用低标号素混凝土对溶洞进行回填，回填密实并达到一定强度后，再开始正常钻进施工。
（4）对于溶洞尺寸较大或多层溶洞基本连通，采用片石或素混凝土用量大或难以填充密实的极特殊情况，才有必要采用钢护筒跟进至溶洞底板。
6 结语
岩溶地区桩基设计施工中的处理措施较正常基础设计情况要复杂多变，同时还伴随着一定的不安全因素，因此，只有不断总结和积累设计施工经验，才能确保桩基设计和施工过程中的安全性及合理性。
参考文献：
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