黃土暗穴區(qū)域公路橋梁樁基豎向承載特性研究★

段俊峰 郭 瑞 洪 剛

(1.深圳市公園管理中心，廣東 深圳 510027；2.陜西理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，陜西 漢中 723001； 3.云南建投第四建設(shè)有限公司，云南 昆明 650023)

黃土暗穴區(qū)域公路橋梁樁基豎向承載特性研究★

段俊峰1郭 瑞2洪 剛3

(1.深圳市公園管理中心，廣東 深圳 510027；
2.陜西理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，陜西 漢中 723001； 3.云南建投第四建設(shè)有限公司，云南 昆明 650023)

結(jié)合某地區(qū)工程實例，分析了黃土暗穴的塌陷機理及其對公路橋梁樁基的危害模式，總結(jié)了近年來國內(nèi)外對黃土地區(qū)樁基豎向承載特性問題的理論分析、靜載試驗、原位試驗、模型試驗及數(shù)值計算等方面的研究現(xiàn)狀?；谏鲜鼋Y(jié)果，指出了黃土暗穴區(qū)域公路橋梁樁基豎向承載特性研究中亟待解決的一些關(guān)鍵問題，介紹了一種能夠有效提高黃土暗穴區(qū)域公路橋梁樁基豎向承載力的樁基形式——樹根樁基礎(chǔ)。

橋梁工程,公路橋梁樁基,豎向承載特性,樹根樁基礎(chǔ),黃土暗穴

0 引言

我國西部地區(qū)分布著大面積黃土，其分布面積達43萬km2[1]。黃土具有濕陷性，在自身重力及水流沖蝕作用下容易發(fā)育成黃土暗穴。黃土暗穴的存在大大降低了公路橋梁樁基豎向承載特性，進而影響橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用。我國西部地區(qū)已建或在建的許多公路大多穿越黃土地區(qū)，其橋梁基礎(chǔ)多采用樁基形式，但黃土暗穴情況下的樁基設(shè)計與施工技術(shù)顯然不同于非黃土暗穴情況。目前，國內(nèi)外關(guān)于黃土的研究多集中在濕陷性方面，黃土濕陷性對樁基承載特性影響的研究也已較為成熟，且黃土暗穴地基處理技術(shù)亦有不少成功的工程實例，但有關(guān)黃土暗穴對樁基豎向承載特性影響的研究未見報道。本文基于對黃土暗穴塌陷機理和黃土暗穴對公路橋梁樁基危害模式的分析，以及對黃土地區(qū)樁基豎向承載特性研究的總結(jié)，指出了黃土暗穴區(qū)域公路橋梁樁基豎向承載特性研究中亟需解決的關(guān)鍵問題，并介紹了一種適合于黃土暗穴區(qū)域的樁基形式。

1 黃土暗穴塌陷機理及對橋梁樁基危害模式分析

1.1黃土暗穴塌陷機理分析

1)潛蝕、沖蝕致塌。

黃土暗穴受潛蝕和沖蝕作用塌陷多發(fā)生于第四系中更新統(tǒng)細粒黃土中，由于土體中垂直節(jié)理和裂隙較為發(fā)育，致使坡面徑流沿土層中的節(jié)理和裂隙垂直下滲，直至遇到地下隔水層受阻而改變流向，并沿隔水層從高向低流動。由于隔水層上部土體所含顆粒細小且含有較多可溶鹽類，受地下徑流作用，隱藏于土體中的可溶鹽類溶解，細小土顆粒在水流的攜帶下隨之發(fā)生運動，從而引起隔水層上部土體發(fā)生機械潛蝕和化學(xué)潛蝕，土體中孔隙增多，在地下徑流長期作用下，其逐漸發(fā)展成暗穴，并沿地下徑流方向形成多個“串珠”洞穴，在地下徑流的反復(fù)沖刷下，“串珠”洞穴最終貫通。在強降雨條件下，黃土暗穴內(nèi)的充水強烈地沖蝕著洞壁，使洞壁土體崩解，暗穴逐漸擴大，從而致使位于其上的土層塌陷。

2)軟化致塌。

地表徑流沿土層中的節(jié)理、裂隙向下滲流，受其長時間作用，沿節(jié)理和裂隙兩側(cè)的黃土暗穴上覆土層浸水飽和，土顆粒間的膠結(jié)物溶解，摩擦力和凝聚力降低，引起粘土顆粒間的原始加固凝聚力降低，土顆粒開始產(chǎn)生移動，使得節(jié)理和裂隙兩側(cè)土體軟化，軟化后土體的抗剪強度比其天然狀態(tài)下有很大降低，其中粘聚力降低幅度最大，最大降低幅度是其天然狀態(tài)下的0.5倍多，內(nèi)摩擦角的降低幅度較小。當(dāng)黃土暗穴上覆土層節(jié)理和裂隙兩側(cè)土體的抗剪及抗拉強度降低至不足以承受暗穴上覆土體自重和外荷載之和時，暗穴上覆土層逐漸潰散和坍落，并最終完全塌陷。

3)荷載致塌。

雨水入滲后黃土暗穴頂部上覆土層飽和容重比其干燥狀態(tài)下增加了約30%～40%，從而致使暗穴頂部上覆土體的自重增大，再加上外部荷載，兩者的共同作用超過了黃土暗穴土拱自身的承載能力，致使暗穴頂部土層逐層剝落，在上覆土層自重及外荷載持續(xù)作用下，暗穴最終完全塌陷。

1.2黃土暗穴對橋梁樁基危害模式分析

黃土暗穴在形成之初，由于規(guī)模較小，其對位于沖溝內(nèi)的橋梁樁基影響較小，但隨著車輛動荷載和地下徑流的不斷作用，暗穴洞徑不斷擴大，當(dāng)其擴大到一定程度時，樁基開始下沉，引起橋面開裂。在車輛荷載和地下徑流的持續(xù)作用下，暗穴進一步發(fā)展，致使樁基沉陷加劇，甚至傾倒，從而導(dǎo)致整座橋梁倒塌破壞。根據(jù)上述分析可知，順溝向暗穴對公路橋梁樁基的致災(zāi)模式為：黃土暗穴發(fā)育→在車輛動荷載和地下水流作用下暗穴洞徑逐漸擴大→樁基下沉→橋梁垮塌破壞；順坡面暗穴對橋梁樁基的致災(zāi)模式為：黃土暗穴發(fā)育→在地下水流作用下上下暗穴貫通→橋梁樁基順坡面滑動→橋梁垮塌破壞。

2 研究現(xiàn)狀

自從20世紀70年代以來，許多學(xué)者和工程技術(shù)人員對黃土區(qū)樁基受力特性進行了較多研究，主要成果如下所述：馮忠居(2005)等[1]基于彈性理論建立了黃土濕陷性影響下橋梁樁基承載力模型，推導(dǎo)了濕陷性黃土中橋梁樁基承載力計算公式，并分析了不同濕陷系數(shù)、不同濕陷厚度下黃土區(qū)樁基承載力變化性狀。張展弢(2005)等[2]對黃土地基中靜壓樁的荷載傳遞機理進行了分析研究，利用現(xiàn)場試樁資料建立了修正系數(shù)Kc與樁端阻力間關(guān)系的經(jīng)驗公式。費鴻慶(2000)等[3]、馮進世(2004)等[4]通過靜載試驗對黃土地基中超長鉆孔灌注樁樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的發(fā)揮性狀進行了研究，指出黃土地區(qū)超長鉆孔灌注樁樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的發(fā)揮與樁施工工藝、樁長、樁周土層性質(zhì)及分布位置密切相關(guān)。謝星(2005)等[5]通過樁靜載荷試驗分析了黃土地基中旋挖鉆孔灌注長樁和泥漿護壁鉆孔灌注樁樁身軸力的傳遞規(guī)律、樁側(cè)摩阻力及樁端阻力的發(fā)揮性狀，指出兩種樁的荷載傳遞性狀均為側(cè)阻先于端阻發(fā)揮，在工作荷載下主要依靠側(cè)阻的發(fā)揮來提供承載力，樁端承擔(dān)的荷載比例很小。李晉2005等[6]提出了自重濕陷黃土地基單樁合理樁長的確定方法——疊加法，并用該方法系統(tǒng)地分析了樁周濕陷土層的工程特性、濕陷深度及樁體參數(shù)等因素對樁基承載性狀的影響。該研究利用有限元軟件分析了樁側(cè)阻力對樁端阻力的影響，但有關(guān)樁端阻力對樁側(cè)阻力的影響有待研究。黃強兵(2007)等[7]通過有限元法進行模擬計算，得出了橋梁安全時順溝向橋梁樁基下伏黃土暗穴的臨界埋深與其半徑之間關(guān)系式。

3 黃土暗穴區(qū)樁基亟待解決的問題及處理方法

3.1亟待解決的問題

1)現(xiàn)有研究多針對非黃土暗穴(樁周土層處于完整狀態(tài))，而有關(guān)黃土暗穴區(qū)樁周土層中暗穴分布位置、形狀及暗穴與樁間徑距等因素對樁基豎向承載特性影響的研究較少。

2)濕陷變形是黃土的主要工程特性之一，在有暗穴情況下，其濕陷變形有別于無暗穴情況，而考慮黃土暗穴濕陷變形情況下，暗穴與濕陷變形間的關(guān)系及樁基豎向承載特性變化規(guī)律的研究較少。

3)如何準(zhǔn)確地確定出樁周土層中暗穴位置，并提出黃土暗穴區(qū)域樁基的設(shè)計技術(shù)指標(biāo)與施工方法，從而保證黃土暗穴區(qū)域橋梁樁基的施工安全和質(zhì)量，是目前實際工程中亟待解決的重要問題之一。

3.2解決方法

樹根樁基礎(chǔ)是一種用壓漿方法成樁的鉆孔灌注樁，其施工簡便、樁位靈活，且由于施工中采用二次高壓劈裂注漿工藝，使樁體可靠地錨固在土體中，能夠有效提高樁基承載力。我國于20世紀80年代開始樹根樁的試驗研究和應(yīng)用[8]，其施工方法如下所述：

1)樁孔定位。

樁孔定位一般分3次進行，開挖護筒前測量一次，埋設(shè)護筒后復(fù)測一次，待鉆機就位后進行第三次測量，檢查鉆機是否與樁心對準(zhǔn)。

2)成孔。

鉆機就位后，啟動鉆機開始成孔，為了防止塌孔，鉆進過程中應(yīng)根據(jù)地層變化及鉆進速度對泥漿壁厚度及時調(diào)整。

3)清孔。

清孔是樹根樁施工的一道重要工序，為保證清孔質(zhì)量，待成孔至設(shè)計深度后，將鉆桿提起20 cm左右，注入清水開動鉆機進行清孔作業(yè)，直至鉆孔中流出泥漿比重小于1.2。

4)鋼筋籠吊放。

將按要求制作完成的鋼筋籠搬運至孔口，用卷揚機起吊，待鋼筋籠吊直后，慢慢放入孔內(nèi)。

5)下壓漿管。

當(dāng)壓漿管下至距井底0.3 m～0.5 m時，用央持器將其夾緊使之懸空，開泵沖掉用于管底封口的黑膠布，進行第二次孔底清孔。

6)碎石回填。

將已計算好的干凈碎石填入鉆孔內(nèi)，回填過程中應(yīng)連續(xù)用注漿管向孔內(nèi)注入清水以置換泥漿，并輕震鋼筋籠以促使碎石下沉，且防止石子“架橋”和泥砂沉積孔口。

7)注漿。

采用高壓泥漿泵將水灰比為0.4～0.5的水泥漿注入填滿碎石的孔內(nèi)，注漿壓力為2.0 MPa～4.0 MPa，直至水泥漿溢出孔外為止，注漿過程中應(yīng)邊注漿邊向外拔壓漿管直至樁頂。

4 結(jié)語

1)黃土暗穴的塌陷機理主要有潛蝕與沖蝕致塌、軟化致塌及荷載致塌三種形式，潛蝕和沖蝕致塌較為普遍；位于沖溝內(nèi)的黃土暗穴按所處位置不同可分為：順溝向暗穴和順坡面暗穴兩種形式，其對橋梁樁基致災(zāi)模式大致相同。

2)樁周土層中暗穴分布位置、形狀及暗穴與樁間徑距等因素是黃土暗穴區(qū)樁基設(shè)計施工中應(yīng)重點考慮問題之一。

3)從受力機制和結(jié)構(gòu)形式可知，樹根樁基可以有效地提高黃土暗穴區(qū)樁基豎向承載力，減少因暗穴塌陷對樁基承載力造成的影響，但該樁型力學(xué)特性和施工工藝仍有待進一步完善。

[1] 馮忠居,馮瑞玲,趙占廠,等.黃土濕陷對橋梁樁基承載力的影響[J].交通運輸工程學(xué)報,2005,5(3):60-63.

[2] 張展弢,馮志焱.西安黃土地區(qū)靜壓樁荷載沉降特性與分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2005,24(14):2548-2533.

[3] 費鴻慶,王 燕.黃土地基中超長鉆孔灌注樁工程性狀研究[J].巖土工程學(xué)報,2000,22(5):576-580.

[4] 馮進世,柯 瀚,陳云敏,等.黃土地基中超長鉆孔灌注樁承載性狀試驗研究[J].巖土工程學(xué)報,2004,26(1):110-114.

[5] 謝 星,王東紅,趙法鎖,等.黃土地區(qū)兩種成孔工藝鉆孔灌注長樁承載力性狀對比研究[J].西安科技大學(xué)學(xué)報,2005,25(1):42-46.

[6] 李 晉,謝永利,馮忠居.自重濕陷黃土地區(qū)合理樁長初探[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2005,24(9):1629-1634.

[7] 黃強兵,彭建兵.黃土邊坡暗穴對公路橋梁的致災(zāi)機理分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2007(4):1-5.

[8] 陳國政.濕陷性黃土地區(qū)樹根樁試驗研究[J].地基基礎(chǔ)工程,1994,4(1):35-38.

Researchprogressofverticalbearingcapacityofpilefoundationofhighwaybridgeintheareaofloess★

DuanJunfeng1GuoRui2HongGang3

(1.ShenzhenParkService,Shenzhen510027,China;2.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723001,China;3.YunnanConstructionInvestmentFourthConstructionCo.,Ltd,Kunming650023,China)

Combined with a project example in Xi’an area,the collapse mechanism and harm mode to the pile foundation of highway bridge on the loess hidden hole were analyed in this paper. The worldwide research progress in the theoretical calculation methods, field tests, model tests and numerical simulation of vertical bearing capacity of pile foundation in the area of loess were summarized. Based on the above results, The main problems on vertical bearing capacity of pile foundation in the area of loess researches are put forward. The root piles is introduced, which can effectively improve the vertical bearing capacity of pile foundations, in the area of loess.

bridge engineering, highway bridge pile foundation, vertical bearing capacity, root piles pile foundation, the loess hidden hole

U445.551

A

1009-6825(2017)27-0130-03

2017-07-11★:陜西理工大學(xué)校人才啟動項目(SLGOD16-11)

段俊峰(1975- )，男，工程師