湘西岩溶地区桥梁桩基础设计
2016-09-26
喀斯特地貌是指具有溶蚀力的水对石灰岩等可溶性岩石进行溶蚀等作用所形成的地表和地下形态的总称，又称岩溶地貌。湘西土家族苗族自治州属于云贵高原东侧的武陵山区，以喀斯特地貌分布广、面积大。如何进行溶洞区地质勘探、确定桩底持力层标高，如何做出优秀的基础设计方案，是桥梁设计人员必须高度重视的问题。
1 工程概述
杭瑞高速公路湖南省凤大段属国家规划高速公路网中18条东西横线中的第12条，是湖南省高速公路网规划中“五纵七横”中的第一横。本项目的王家寨1号大桥，中心桩号K1+780.0（左幅），结构尺寸8×30+10×40m，预应力砼连续T梁，先简支后连续，为尽量避开溶洞，左右幅独立分开设置，单幅桥宽11m。下部结构采用柱式、矩形空心墩，桥台采用柱式台、U型桥台。挖孔灌注桩基础，桩径1.5m~2.2m，全桥共设计桩基108根，设计最大桩长46m。
桥址处地形地质条件复杂，处于坚硬碳酸盐岩工程地质亚区，含碳酸盐岩溶水，部分地质勘探钻孔揭示存在多层溶洞。全桥桥位处地质覆盖层从上往下为：①第四系残坡积碎石、粉质粘土，坡顶植被茂密；粉质粘土灰黄色、灰黑色，稍湿，硬塑，主要由黏粒组成，局部含碎石。层厚0.5~1.9m，地勘单位推荐承载力=[fa0]=180Kpa，极限摩阻力[qik]=35Kpa。②寒武系中统奥溪组泥灰岩、灰岩，局部基岩裸露。中风化灰岩，灰色、灰白色，主要矿物成分为方解石，隐晶质结构，薄中厚层构造，节理裂隙发育，岩芯破碎，呈碎块状，少量短柱状，在整个桥址区大量分布。最大层厚30.6m。推荐承载力=[fa0]=1000Kpa，极限摩阻力[qik]=300Kpa。本区溶洞最多层数达8层，一般在3-7层，最大溶洞高度12.5m。
2 岩溶区地质勘探的要求及特点
岩溶区的桥梁桩基地质勘探中，溶洞的发育情况，如大小、填充物、顶板厚度等将影响到设计的深度及整个工程的造价，因此本项目在地勘初期就提出了明确要求：一般应每个墩台处有地质钻孔，当物探证实桩基处溶洞较发育时，必须一桩一孔，对于桩底溶洞发育较大的，如本桥的8-1#桩基，其中一段溶洞高达12.5m，可在桩基外围环向4-5m处设置地勘钻孔，以准确探明桩基直径范围内一定深度的岩溶发育情况，用以复核计算桩基的横向抗倾稳定性等是否满足规范要求。
3 岩溶区桩基础设计理论的研讨
岩溶地区端承嵌岩桩设计，一般应尽量考虑穿过岩溶发育带，选择溶洞下部弱风化基岩作为桩端部持力层。但是，如本桥的9-1#桩基，地勘钻孔总深度为60m范围内桩基多次穿越多层溶洞，正确估算桩端溶洞顶板安全厚度是岩溶地区多层溶洞桩基设计的核心问题。
3.1 按溶洞顶板剪切应力控制估算 当溶洞顶板岩层完整、岩体强度较高但溶洞跨径较小时（一般小于3倍桩直径），抗剪切力士溶洞顶板破坏的主要控制条件，最小持力层厚度H公式如下：H=(q+P)/(α*l)
式中：q为溶洞顶板自重加覆盖土层均布荷载（KN/m）；P为桩尖对溶洞顶板的集中力（KN）；α对于灰岩取1/12容许抗压强度（MPa），l为溶洞平面周长。
3.2 按控制弯矩估算 当溶洞顶板岩层比较完整、强度较高、洞跨较大时，弯矩是主要控制条件，可按梁板受力情况，公式如下：H=[6M/q*[σ]]0.5
式中：M为弯矩；q为溶洞顶板自重加覆盖土层均布荷载（KN/m）；[σ]取灰岩1/10容许抗压强度（MPa）。
根据顶板岩石的完整性，分别按以下三种情况计算：
①当溶洞顶板四周有裂缝，桩基础底部(即溶洞顶板跨中)完整时，按简支梁计算：M=ql2/8+pl/4。②当溶洞顶板四周完整，桩基础底部有裂缝时，按悬臂梁计算：M=ql2/2+pl。③当溶洞顶板均比较完整时，按固端梁计算：M=ql2/12+0.7pl/4。式中：P为桩尖对溶洞顶板的集中力（KN）；根据以上两种力学模式计算，王家寨1号桥多层溶洞桩端持力层厚度，分两种情况考虑：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，考虑安全一定的安全系数后，决定采用4-5m的弱风化灰岩完整顶板，作为桩基终孔最小控制溶洞顶板厚度。
4 岩溶区桩基础设计注意事项
①岩溶地区的岩石裂隙发育，含有丰富的碳酸盐类水，桩基础施工可能会出现深水、漏浆，桩底部浮渣土难以清楚干净，所以在设计阶段，对于桩基底部为强风化类岩层，十分松散又夹杂以大量粘性土的，一般不计桩尖抗力的作用，以策安全。②对于单个尺寸较大的溶洞或多层溶洞基本连通，溶洞的横向直径大于3倍桩基直径的，采用片石或素混凝土回填用量大，且难以填充密实，设计单位应在图纸中增加钢护筒数量，以替代传统的低标号混凝土护壁。③按桥规相关规定计算单桩承载力时，不应考虑多层溶洞对桩基侧面的摩阻力作用，仅将这种摩阻力视为安全储备。因为这种多层岩溶层与桩侧面的摩阻力作用，有区别于一般的较完整土体与桩侧之间的摩阻关系。特别是，当多层溶洞层与桩基侧面之间粘结成一体，桩身所受的轴向荷载如何分配给单一岩层，难以计算，很可能在某一岩溶层与桩身粘结处，因受集中力而出现摩阻破坏，进而影响整个桩基础的受力情况。因此，通常不考虑多层岩溶层对桩基侧面的摩阻力作用，而且在灌注桩施工过程中，应采取相应措施，（如采用麻布或油毛毡作为隔层），将多层溶洞层与桩基侧壁之间隔开，使得桩基础所受的轴向荷载全部作用于桩基底部的弱风化坚硬岩层上，并按嵌岩桩设计计算。④设计单位在桥梁图纸说明、招标清单中，桩基础的施工工艺宜优先采用人工挖孔灌注桩。人工挖孔的工人可以随时观测桩基内的岩石风化程度、地下水、溶洞发育等情况，这样对岩溶和桩底持力层的判断比较直观且随时可采取补救措施。人工挖孔可根据持力层的需要调整扩大桩头直径，充分利用桩身混凝土强度，经济性好。由于特殊原因，如地下水旺盛或软弱覆盖层过厚，无法采用人工挖孔时，再考虑采用正循环冲击钻法。多例证明正循环冲击钻法易于保证护壁质量和处理溶洞，对于抑制混凝土浇筑数量的扩大有着良好的效果。⑤按地基基础设计理论，桩基础常用的有两种形式：摩擦桩、端承桩。端承桩、及嵌岩性端承桩安全性高、抗震性好，是首选的桩基类型。当覆盖土层的摩阻力不足以提供桩基的竖向承载力，或不能满足沉降要求时，须采用端承桩或嵌岩性端承桩，桩基的承载力可按规范公式计算；此类桩基的设计难点是如何确定桩底岩层的厚度，在以前通常大多设计单位认为桩底有连续3倍桩径的完整弱风化、中风化岩体是安全的，但无严格定量的理论依据。桩基底部的溶洞顶板安全厚度可按本文所推荐公式复核计算。⑥在岩溶地区采用摩擦桩有两种情况：一种是覆盖层的摩阻力足以提供桩基的竖向承载力，桩基不进入溶洞区；另一种则是桩底进入溶洞区并终孔在薄顶板或充填物中的情况，此时计入覆盖层及溶洞充填物和溶洞岩体的摩阻力。前一种与普通桩基的设计计算没有太大区别，但要注意保证桩底与溶洞间土层及岩体的厚度；后一种摩擦桩的计算则要根据具体情况变通应用规范公式，设计的难点是：合理选取溶洞区桩侧土的极限摩阻力及桩底支承力如何计入。
5 结语
在岩溶地区进行桥梁桩基设计，设计单位应充分重视前期地勘阶段中对溶洞发育形状、分布规律的探测，在两阶段施工图设计中，严格按桥规进行桩基受力计算。桩底持力层标高的确定可结合本文所述的溶洞顶板安全厚度估算方法进行计算。施工期间，对复杂的桩基溶洞，驻工地设计服务人员还应多去现场查看桩基开挖情况，结合超前钻、地质雷达等，及时对桩基长度进行跟踪计算调整。
本项目后期的静载试验证明，设计单位的设计方案是安全、经济、合理的。
参考文献：
[1]王家寨1号大桥工程地质勘察报告.HCK106-6.核工业长沙工程勘察院.2008.
[2]公路桥涵地基与基础设计规范.JTGD63-2007.
[3]国家杭州至瑞丽高速公路湖南省凤凰到大兴段.施工图设计图纸.北京.华杰工程咨询有限公司.2009.
[4]丘斌.岩溶地区桥梁桩基设计.铁道建筑.2004.
