试论桥梁岩溶地基的处理技艺
2016-10-21
我国西南地区岩溶发育丰富，抵制复杂，在西南地区修建铁路、公路就不可避免地会遇到岩溶地基。下面就沪昆客专1号大桥岩溶地基的处理做简要介绍。
一、岩溶的常见形态及类型
岩溶为可溶性岩层的特有现象，其表现形式有溶洞、溶槽、溶芽、溶沟等。它们是由地下水对可溶性岩石进行溶蚀和机械侵蚀作用而形成的地下空洞，其形态多样，大部分洞身曲折、支洞多，无经常流水，常见有不同高度重叠分布的大型复杂溶洞。桥梁应尽量避开溶洞群，特别是桥梁墩台。当由于某种原因不可避开、需要跨越时，要高度重视它对桥梁的危害性，针对具体溶洞情况采取相应的工程措施。
二、桥梁地基遇到溶洞时常用的处理方法
由于溶洞的规模和类型不同，它们对桥梁稳定性的影响程度也不同，当然对其处理的方法也应有所不同。
1、加固地基（扩大基础）
（1）当溶洞顶覆盖较薄，可采用清爆的方法，揭露溶洞充填物，以便清除、换填，或使充填物风干，提高地基的强度。溶洞若在基底设计高程附近或以上时，可采取换填方法处理，并要符合下式要求
H≥（Q/[σ]-b）/（2tanβ）
式中H———换填层厚度，m；
Q———换算荷载（kN/m）；
β———换填材料的压力分布角（°）；
[σ]———溶洞充填物的基本承载力（kPa）；
b———换填材料顶面宽度（m）（基础侧面加0.3m）。
同时，要求最小换填厚度不得小于2m。
（2）若溶洞位于持力层范围内时，清除覆土及原填充的土质，视溶洞宽窄分别打入小钢轨，用浆砌片石或混凝土填塞，设置钢筋混凝土盖板或基础内部加钢筋网。
（3）对于溶洞埋藏不深，洞中有较厚的碎块石堆积物，可采用压浆的方法使其固结。对于粘性土、砂类土等以细颗粒为主的堆积物地基，可采用旋喷桩方法加固。
（4）若溶洞位于基底以下一定距离，且符合完整顶板厚度与跨长之比小于2.0，或溶洞跨长大于8m、但厚跨比值大于2.0；顶板岩层完整性较好，溶洞形态大小探测清楚，一般认为地基不需加固。
2、桩基础
桩基础是处理桥梁岩溶地基最有效的方法。设计与施工时应注意的基本原则如下。
（1）当桥梁地基下的溶洞较大，埋藏较深，但又不满足顶板厚度检算要求时，只能采用桩基础。当岩面溶蚀高差大于1m或岩溶洞穴平面、剖面尺寸大于1m者，可溶性岩层埋深在8m以上，基底岩层部分缺角且无法嵌补，明挖或水下施工压浆有困难等情况均可使用桩基处理。
（2）钻（挖）孔桩在穿过溶洞进入完整基岩中深度不得小于5倍桩径，若实际值小于此项要求时，应结合地质资料进行加深或验算。
（3）对于桩尖下伏溶洞，是采取穿过溶洞还是桩尖立于溶洞顶，须根据检算和经验设计。一般情况若完整基岩顶板厚大于10m且顶板厚与溶洞孔径之比大于2时，基底以下溶洞可以不处理，否则应该采用桩基穿过溶洞。
（4）对于挖孔桩，在桩身与基岩相接的侧面上加打牵钉，当遇有流塑状粘性土体与有可能发生缩孔采用护壁仍不能保持断面尺寸者，桩身尺寸适当加大。
（5）置于岩溶地区溶槽或溶沟处的桩基础，当桩穿过溶槽、溶沟内的填充土支立于溶槽底面或溶沟底面的岩层上时，可按支立于一般岩层上的柱桩分析方法进行桩的内力分析。桩的轴向容许承载力应根据溶槽或溶沟底面岩层的好坏（包括强度和缝隙等情况）来确定。如果溶洞顶板很薄，而溶洞内的底面很深，且洞内填充土属于密实稳定，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时，可按摩擦桩进行设计。
（6）当桥梁墩台下地基有呈上下成串分布的溶洞时，在充分探明溶洞最下层分布的前提下，宜采用直径不小于1.5m的钻孔桩。若上面成串分布的溶洞均较小，且有填充物，可先在钻孔至空洞时，先行压浆加固填充物，待其凝固达到一定强度后，再依次往下钻孔压浆，直至按摩擦桩计算所需的桩长。若成串的空洞比较大，或溶洞大小探明困难，填充物较松散或没有，也必须采用先钻孔、抛石、压浆填充空洞，再依次往下钻孔、压浆。但此时必须按柱桩进行计算，除非能确保空洞填充、压浆密实，否则不能计算桩周摩阻力。
（7）设计时应重视桩基负摩擦力的影响。一般地基土石在扰动之后都会在自重的作用下固结下沉，特别是由于大量开采地下水而导致地基软弱层相对桩基固结下沉，因而产生一个向下的摩擦力，即负摩擦力，从而增加了桩基所承受的轴向荷载，甚至可能导致桩基破坏。因此施工时，考虑在中性点（负摩擦力和正摩擦力分界点）以上用油毛毡或钢套管（管内抹油）作隔离层，消除负摩擦力的影响。克服负摩擦力的方法与解决岩溶层桩基破坏方法相似，但本质不同。
（8）当基桩穿过多层岩溶层支立于坚固的岩层上时，不应考虑多层岩溶层对桩侧起摩阻作用，因为岩溶层与桩侧之间的摩阻作用，在本质上不同于一般土与桩侧之间的摩阻作用。如果多层岩溶层与桩侧之间粘结成一体，桩身轴向荷载如何分配给每一岩层，是一个非常复杂的问题，很可能在某一岩溶层与桩身粘结处，因受力集中首先出现摩阻破坏而导致整个桩基础破坏。因此，通常不仅不应考虑多层岩溶层对桩侧的摩阻作用，而且在钻孔灌筑桩施工过程中应采取措施（例如采用麻布或油毛毡作隔层），将多层岩溶层与桩壁之间分隔开，使基桩承受的轴向荷载全部作用于桩底的坚固岩层上，按柱桩设计。如果根据受力条件，桩基底面可以支立于溶洞中的填充土内时，则可考虑溶洞中填充土对桩身侧壁的摩阻作用，如同一般摩擦桩一样设计。此时，顶面岩溶层与桩之间亦应采取隔离措施，不得考虑桩身与该顶面岩溶层之间的摩阻作用。
（9）施工时，地下的溶洞一般较难填充满，当钻孔至空洞顶板时，如果再往下钻，下护筒时较易发生倾斜，导致桩身偏移。以沪昆客专龙海屯1号大桥岩溶桩基为例，该桥桥位处地基中溶洞满布，8个桥墩基础都遇到大小不一的溶洞。在施工时，当钻至离溶洞顶部1m左右时，准备了足够多的小片石及粘土，粘土要做成泥球（直径15～20cm）；对于半充填和无充填物的溶洞组织了足够的水源，在1～1.5m范围内变换冲程，逐渐将洞顶击穿，随时防止卡钻；对于空溶洞或半充填的溶洞，在击穿洞顶之前，派专人密切注意护筒内泥浆面的变化，一旦泥浆面下降，迅速补水，然后根据溶洞的大小按1：1的比例回填粘土和片石，进行冲砸堵漏。要注意的是，只有当泥浆漏失现象全部消失后才能转入正常钻进，如此反复使钻孔顺利穿越溶洞；对于特大型空溶洞或半充填的溶洞，为了防止孔壁坍塌，采用套筒隔离上部松软地层的方法进行处理，本桥钻孔桩均配备了8～10m的钢护筒防止坍孔；对于溶洞内充填物为软弱粘性土或淤泥，进入溶洞后应向孔内投入粘土、片石混合物（比例1∶1）冲砸固壁。另外，也可采用大直径桩，并尽可能多地往桩孔中填充粒径不一的块石、碎石。由于空洞较大，不可能填满，抛入空洞中的块石、碎石按塌落度理论堆积，当堆至板顶以上一定高度时，再往石堆中间断性地压水泥浆。此时不排除水泥浆跑出一部分到石堆外的情况，但石堆在不断压浆的作用下肯定会粘结到一起，待其石堆强度达到一定程度时，可继续往下钻孔，并同时下钢护筒。这样，可较好地保证桩身的位置。对于这种桩基，桩底须嵌入溶洞底板完整岩层，桩周摩阻力亦不能计算。
总之，岩溶地基对桥梁的危害性非常大，设计与施工时必须高度重视。当遇到岩溶地基时，首先必须探明其规模、类型，再对症下药。本文只是根据经验作一个简要的介绍，实际应用中，还要具体问题具体分析。但有一点必须强调，桥梁岩溶地基只能一次整治，不能避重就轻分阶段进行，否则会后患无穷。
参考文献：
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