巖溶地區基礎型式新技術探討

摘要：文章簡要介紹適合巖溶地區的一種基礎新型式——螺旋樁，并在理想狀態下對螺旋樁進行簡單分析、探討。

關鍵詞：巖溶；螺旋樁；單樁承載力；水平承載力

中圖分類號：U416文獻標識碼：A

文章編號：1674-1145（2009）03-0101-02

在多種地質作用下，巖溶地區侵蝕及堆積地貌的形態特征有溶蝕、落水洞（Inghiottitoio）、溶洞（Karst cave）等，經過漫長的地質時代，形成巖溶盆地、峰林、石鐘乳等。由于特殊地貌形態，在工程建設領域，巖溶被定義為一種不良地質現象，被列為特殊路段、困難路段。技術人員對此重視程度高，工作力度、強度加大，技術分析深度、處理加深，投資增多，巖溶區對工程建筑的危害也是比較大的。對交通安全產生不利影響，給社會造成人身及財產損失。

一、巖溶區的地基基礎型式新技術探討

在巖土工程勘察中，盡管巖溶作為一種不良地質現象，但是，巖溶區構筑物卻沒有選擇更新、更先進的地基基礎型式，還是通常慣用的摩擦樁、嵌巖樁、墩基礎、沉井基礎、地下連續墻等。以往的基礎結構型式缺點多：復雜，笨重，施工難度大，代價高，不美觀等。而且，很大程度上，設計變更造成工程勘察與基礎設計不能很好地同步。對于浩大的工程，產生的影響是很大的。

由此，特提出適應巖溶地區的一種新型地基基礎型式——螺旋樁。螺旋樁的工作原理是“螺絲釘”原理。螺旋樁是一種螺旋式進入土體、巖體的樁基礎。它是通過土與樁的樁側阻力、土與樁的樁間阻力及樁端阻力來承擔上部結構傳遞的荷載。詳見螺旋樁及結構要素示意（圖1）。

螺旋樁主要有三部分要素組成，樁帽、樁軸心、螺紋。

螺旋樁的優點很多，它通過螺旋式進入土體、巖體，進入過程中，壓實、緊密樁周圍土體、巖體，增大周圍土體、巖體與樁側接觸面積，縮小樁周土體、巖體的孔隙、空隙，擴大周圍土體、巖體與樁側產生的阻力，減小樁端阻力。由此可見，巖溶區的溶洞對樁影響小，溶洞塌陷或者樁端沒能在基巖問題也不大。意思就說，減小了樁最下端對完整基巖及基巖達到完整程度厚度的依賴性。除此，螺旋樁的樁長要比正常的短，美觀，簡單，輕便，代價低等。一旦應用，相信應用廣泛，發展迅速，備受歡迎。

螺旋樁的缺點不容忽視。首先，本技術缺少理論數據、實際模擬。樁螺旋進入土體后，對土體、巖體造成破壞，發生變形，需要對周圍巖、土體內部顆粒對樁體、樁身受力情況需進一步分析。另外，螺旋樁對施工機械、樁的材料及樁的結構設計提出更高要求。螺旋樁的材料及結構設計需要能夠使樁很好地螺旋進入，而且螺旋進入后，能夠很好的與巖、土發生受力作用。需要進一步研究。

巖溶區的地基基礎型式新技術——螺旋樁，認識還不夠成熟。現在只對簡單狀態、理想狀態下的螺旋樁進行分析、探討。

（一）施工方法

螺旋樁的施工方法可以有兩種。一是混凝土預制樁。混凝土預制樁是將樁在現場或工廠預制好，然后用機械將其螺旋把樁送入土中就位；二是通過螺旋鉆先把孔鉆好，然后將螺旋樁旋入土中就位。

上述兩種形式的施工程序詳見圖2、圖3。

（二）單樁承載力

1.豎向載荷下單樁的工作性能。對單樁工作性能的研究是單樁承載力理論分析的基礎，通過樁土相互作用分析，了解樁土間的載荷傳遞途徑和單樁承載力的構成及其發展過程，以及單樁的破壞機理等，對正確評價單樁軸向承載力設計值具有指導意義。

2.樁的荷載傳遞。在螺旋樁頂軸向荷載作用下，樁身將發生彈性壓縮，同時樁頂荷載通過樁身傳遞到樁底，致使樁底土層也發生壓縮變形，這兩者之和構成樁頂軸向位移。由于樁與樁軸土體緊密接觸，當樁相對于土向下位移時，將產生土對樁向上作用的樁側摩阻力及螺旋間土對螺紋產生樁間支撐力。在樁頂荷載沿樁身向下傳遞的過程中，必須不斷克服這種摩阻力及支撐力，故樁身截面軸向力隨深度逐漸減小，傳至樁底截面的軸向力為樁頂荷載減去全部樁側摩阻力及螺旋間土對螺紋產生樁間支撐力。它與樁端阻力大小相等、方向相反。樁通過樁側摩阻力、樁間支撐力、樁端阻力將荷載傳遞給土體。或者說，土對樁的支撐力由樁側摩阻力、樁間支撐力及樁端阻力三部分組成。

詳見單樁軸向荷載傳遞示意（圖4）。

如圖4所示，豎直單樁在樁頂軸向力N0=Q作用下，樁身任一深度z處橫截面上所引起的軸力Nz將使該截面向下位移δz，樁端下沉δl，導致樁身側面與樁周土之間相對滑移，其大小制約著土對樁側向上作用的摩阻力τz的發揮作用。有深度z處樁端微元dz上力的平衡條件：

N_z–τ_zμp dz – (N_z+d N_z) –qπr²= 0

可得樁側摩阻力τz 與樁身軸力Nz、樁間阻力q之間的關系為：

τz = –1/μ_p[ d N_z/ dz + qπ（r –r₁）²/ dz]

式中τ_z也就是樁側單位面積上的荷載傳遞量，μ_p為樁軸心的半徑r₁。樁側總阻力Q_s+ 樁間總阻力Qq + 樁端阻力Qp = Q。

由于樁身截面位移δ_z應為樁頂位移δ₀= s與z深度范圍內的樁身壓縮量之差，

所以：σ_z= s–1/A_pE_p∫0ⁿN_zd_z

式中ApEp 為樁身橫截面面積和彈性模量，若取z=l，則上式變為樁端位移表達式。

3.單樁的破壞模式。螺旋樁在軸向荷載作用下，其破壞模式主要取決于樁周土的抗剪強度、樁端支撐情況、樁尺寸及樁的類型等條件。有以下幾種破壞模式：屈曲破壞、整體剪切破壞、刺入破壞及扭斷破壞。

（三）螺旋樁的水平承載力

在水平荷載和彎矩的作用下，樁身撓曲變形，并積壓樁側土體，土體則對樁側產生水平抗力，其大小和分布與樁的變形、入土深度以及圖紙條件等因素有關。在破壞以前，樁身的水平位移與土的變形是協調的，相應的樁身產生內力。隨著位移和內力的增大，對于低配筋率的灌注樁而言，通常樁身首先出現裂縫，然后斷裂破壞；對于抗彎性能好的混凝土預制樁，樁身雖未斷裂，但樁側土體明顯開裂和隆起，樁的水平位移將超出建筑物容許變形值，使樁處于破壞狀態。

影響螺旋樁水平承載力的因素很多，如樁的斷面尺寸、剛度、材料強度、入土深度、間距、樁頂嵌固程度以及土質條件和上部結構的水平位移容許值等。實踐證明，樁的水平承載力遠低于豎向承載力。

確定單樁水平承載力的方法很多，比如：單樁的水平荷載試驗、水平荷樁的理論分析等。

二、結語

巖溶是經過多種地質作用下，在漫長的地質年代下，形成的一種特殊產物，是一種不良地質現象。為此，在現今21世紀經濟高速發展的時代，工程建設行業、領域也面臨嚴峻挑戰。所以，針對巖溶地區的溶洞穩定性、工程地質特征等提出更高要求，對巖溶區的地基基礎型式面臨重大改革、創新。上述談論的論題還有待于進一步討論，另外，提及到的螺旋樁，有很大的創作空間，有待于深一步研究。一旦應用，相信應用廣泛，發展迅速，倍受歡迎。

參考文獻

[1]公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范ＭJTGD6

2-2004．交通部發布，2004．

[2]公路橋涵地基與基礎設計規范JTJ 024-85．交通部發布，2007．

[3]王秀麗主編：基礎工程[M]．重慶大學出版社，2001．

作者簡介：耿雙軍（1982- ），男，中交通力建設股份有限公司助理工程師，研究方向：巖土工程、地質災害防治。