山西省復(fù)雜地質(zhì)條件橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

杜 夏 菲

(1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024； 2.山西長(zhǎng)治公路勘察設(shè)計(jì)院,山西 長(zhǎng)治 046000)

0 引言

山西地形地質(zhì)較為復(fù)雜，主要地質(zhì)為粉土與粉質(zhì)粘土，斜坡地段對(duì)于公路工程的影響非常突出。橋梁工程對(duì)于我省基礎(chǔ)建設(shè)的影響巨大，所占造價(jià)的比重也很高，根據(jù)往年統(tǒng)計(jì)，橋梁工程的造價(jià)在公路工程總造價(jià)中所占的比重高達(dá)40%左右，在橋梁工程中，基礎(chǔ)占據(jù)的比重也很大。目前我國(guó)對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件下橋梁設(shè)計(jì)的相關(guān)研究人員較少，而這部分的研究?jī)?nèi)容與規(guī)范上所涉及的內(nèi)容區(qū)別較大，而且相關(guān)規(guī)范也較少，從業(yè)人員缺乏相關(guān)依據(jù)，因此如何在保證安全的前提下，經(jīng)濟(jì)地設(shè)計(jì)橋梁基礎(chǔ)是非常值得研究的問(wèn)題。

1 山西省橋梁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

多年以來(lái)，我省的專家對(duì)于橋梁的設(shè)計(jì)理論進(jìn)行了大量的試驗(yàn)與研究，也得到了一些可以指導(dǎo)實(shí)踐的研究成果。然而，我省地質(zhì)比較復(fù)雜，樁基的極限承載能力要求較高，山區(qū)交通不發(fā)達(dá)，運(yùn)輸設(shè)備艱難，試驗(yàn)成本高，因此所做的試驗(yàn)數(shù)量有限，專家對(duì)于黃土地區(qū)的樁基承載機(jī)理還沒(méi)有得出確切的結(jié)論，對(duì)于山區(qū)復(fù)雜地區(qū)橋梁基礎(chǔ)樁基的設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)計(jì)方法也沒(méi)有系統(tǒng)研究，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中存在一些情況。

我國(guó)橋梁規(guī)范要求樁基底端伸入中等風(fēng)化層以上的基巖，單軸抗壓強(qiáng)度小于2 MPa的按照摩擦樁進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算，而大于2 MPa的基巖、穩(wěn)定的堆積體等不能夠作為穩(wěn)定的樁基承載體，因此要求設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)穿過(guò)這些巖層，這樣就增加了樁基的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度；為了安全考慮，我國(guó)復(fù)雜地區(qū)的樁基一般都設(shè)計(jì)為嵌巖樁，在地基勘察報(bào)告中給出的樁基側(cè)阻力數(shù)值范圍較大，不能提供參考依據(jù)，因此在設(shè)計(jì)中經(jīng)常選擇最小值，甚至不考慮側(cè)阻力，造成嵌巖的深度增加，而且由于側(cè)阻力的存在，施工難度較大，對(duì)材料造成大量浪費(fèi)；在樁基設(shè)計(jì)過(guò)程中還存在巖溶區(qū)的特殊情況，一般設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)為穿透巖溶區(qū)的設(shè)計(jì)方法，并沒(méi)有考慮對(duì)巖溶區(qū)相對(duì)承載力較高的頂板進(jìn)行合理利用；由于地質(zhì)的復(fù)雜性，很多樁基的設(shè)計(jì)施工不得不在斜坡上，斜坡的受力特性相較平坦場(chǎng)地，樁基的承載特性更加復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不足，加上斜坡樁基設(shè)計(jì)理論還不成熟，利用平坦場(chǎng)地上的規(guī)范進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)就會(huì)造成與實(shí)際情況偏差較大，甚至存在很大的技術(shù)失誤，給橋梁樁基帶來(lái)了一定的安全隱患。

2 復(fù)雜地質(zhì)條件下橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)

由于設(shè)計(jì)人員缺乏設(shè)計(jì)依據(jù)，因此在進(jìn)行山區(qū)復(fù)雜地質(zhì)的樁基設(shè)計(jì)中往往帶有一定的盲目性，在實(shí)際的工程中也設(shè)計(jì)出來(lái)很多超長(zhǎng)樁基。我省的地質(zhì)特點(diǎn)大致可以分為4類：黃土覆蓋層、軟質(zhì)巖、斷層破碎帶、斜坡地段。黃土覆蓋層主要包括黃土、粘土、碎石土等等，分布的厚度較大，有的甚至能達(dá)到60 m～80 m。黃土的側(cè)阻力一般能夠達(dá)到100 kPa以上，因此對(duì)于樁基設(shè)計(jì)中的承載力貢獻(xiàn)還是很大的，我省的公路橋梁設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)一般都缺乏對(duì)于樁基側(cè)阻力參數(shù)的測(cè)定，為了節(jié)約成本，地基勘察單位只檢測(cè)一兩個(gè)點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)給出一個(gè)區(qū)間，使得實(shí)際情況與計(jì)算值存在很大誤差。如何選擇側(cè)阻力值成為了樁基設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，只有明確側(cè)阻力才能夠明確設(shè)計(jì)參數(shù)，從而對(duì)橋梁樁基的基礎(chǔ)形式、樁的持力層以及深度進(jìn)行合理的選擇。

在我省的軟質(zhì)巖上進(jìn)行樁基施工后與硬質(zhì)巖上施工完成后的情況有所區(qū)別，這些區(qū)別主要在樁基的受力與破壞形式上，軟質(zhì)巖的單軸抗壓強(qiáng)度較低、側(cè)阻力也較低，所以在進(jìn)行軟質(zhì)巖上樁基深度設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮實(shí)際荷載與樁基的承載能力，對(duì)于強(qiáng)風(fēng)化層，一般側(cè)阻力較大，所以應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)中充分考慮到側(cè)阻力對(duì)承載能力的影響后決定是否采用直接穿透的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果阻力足夠，就應(yīng)當(dāng)縮短設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)，充分發(fā)揮側(cè)阻力的作用，降低工程成本。如果存在斷層還應(yīng)當(dāng)考慮斷層斜度對(duì)于樁基承載能力的影響。

對(duì)于巖溶場(chǎng)地，設(shè)計(jì)規(guī)范要求穿透溶洞，將樁端放置在較穩(wěn)定的巖石上。但是有些地方溶洞較多，不可能一一穿透，這樣工程造價(jià)很高，浪費(fèi)較大，就應(yīng)當(dāng)詳細(xì)探明巖石溶洞的發(fā)育情況并結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)中板、拱的理論對(duì)溶洞的頂板承載力進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，當(dāng)然這樣的計(jì)算具有不確定性，所以應(yīng)當(dāng)結(jié)合試驗(yàn)的方法進(jìn)一步研究，合理確定溶洞的安全頂板厚度。

我省的山地比較多，一些比較陡的斜坡表面都是巖石，所以在進(jìn)行橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中最多考慮的都是嵌巖樁，斜坡地段進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的實(shí)際情況是比較特殊的，與平坦場(chǎng)地情況完全不同，因?yàn)樾逼碌臉痘粌H僅要承擔(dān)承臺(tái)與橋墩傳遞來(lái)的豎向荷載，還要承擔(dān)水平荷載。由于斜坡存在高低差，因此橋墩額外受到土體對(duì)橋墩本身的推力，使得斜坡側(cè)的樁基受力規(guī)律比較復(fù)雜，這個(gè)力的作用范圍比較難以確定，而且由于斜坡與橋墩之間的互相作用以及有車輛經(jīng)過(guò)受到的動(dòng)荷載，使得橋墩所處的位置容易引起橋墩發(fā)生彎曲或者其他非線性的變形情況。在斜坡地段進(jìn)行橋梁樁基設(shè)計(jì)的時(shí)候必須要考慮：

1)樁基形式為嵌巖樁時(shí)樁基的嵌巖深度。

2)斜坡作用于樁基的不利荷載的方向以及大小。

3)加強(qiáng)運(yùn)營(yíng)期間的防護(hù)措施。

3 復(fù)雜地質(zhì)條件橋梁樁基設(shè)計(jì)

1)黃土覆蓋層場(chǎng)地橋梁樁基設(shè)計(jì)。

在我國(guó)的橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)樁基的設(shè)計(jì)形式做出了規(guī)定，即除了特殊設(shè)計(jì)需要采用同類型樁基，不得在一個(gè)地段的設(shè)計(jì)當(dāng)中同時(shí)使用端承樁與摩擦樁。現(xiàn)行的規(guī)范對(duì)于地質(zhì)與樁基形式采用之間的關(guān)系并不明確，沒(méi)有對(duì)什么情況下使用摩擦樁，什么情況下使用端承樁做出明確的規(guī)定，因此在實(shí)際的勘察中往往把碎石土、塊石以及強(qiáng)風(fēng)化巖當(dāng)做橋梁樁基的持力層，作為樁基持力層的一般都是中風(fēng)化以上的巖層。在我省的實(shí)際情況下，應(yīng)當(dāng)促使勘察設(shè)計(jì)報(bào)告中對(duì)黃土覆蓋層是否能夠當(dāng)做摩擦樁的持力層做出評(píng)價(jià)。如果覆蓋層大于40 m或者樁基的長(zhǎng)寬比大于20時(shí)設(shè)計(jì)摩擦樁依據(jù)規(guī)范規(guī)定進(jìn)行。

如果地基硬質(zhì)巖層上面覆蓋的黃土層比較厚，在設(shè)計(jì)采用嵌巖樁的時(shí)候需要對(duì)深度進(jìn)行合理的選擇。通過(guò)對(duì)眾多相似案例數(shù)據(jù)的采集與分析，以及大量的參考文獻(xiàn)研究表明：如果設(shè)計(jì)深度的基巖是硬質(zhì)巖，那么設(shè)計(jì)的嵌巖深度如果太深反而不能夠更好地發(fā)揮樁端的承載力。在規(guī)范中針對(duì)這方面內(nèi)容也有相關(guān)的規(guī)定，如果樁基插入土體中的深度h≥4/α?xí)r，樁身長(zhǎng)度在4/α深度范圍內(nèi)的樁身效應(yīng)可以不計(jì)入受力當(dāng)中，而在4/α深度以下的樁基彎矩設(shè)計(jì)為0，如果滿足豎向承載力，則不需要嵌入中風(fēng)化基巖。由于我省碎石土較多，因此當(dāng)覆蓋層厚度較大時(shí)嵌巖深度可以適當(dāng)減小。當(dāng)樁長(zhǎng)在20 m～40 m之間或者長(zhǎng)徑比在10～20之間，可以綜合考慮巖石的強(qiáng)度和完整性，結(jié)合覆蓋層厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2)軟質(zhì)巖和強(qiáng)風(fēng)化巖地帶。

由于軟質(zhì)巖的硬度較小，因此在承載力滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，樁長(zhǎng)要適當(dāng)伸長(zhǎng)，一般要在3d～5d之間，最大的嵌巖深度不宜超過(guò)7d。結(jié)合我省幾條公路的巖土地勘報(bào)告對(duì)巖土參數(shù)的取值情況，軟質(zhì)巖的側(cè)阻力大約在120 kPa之間，單軸抗壓強(qiáng)度大于10 MPa。所以建議我省的橋梁樁基嵌巖深度取值范圍在3d～5d之間。在軟巖和風(fēng)化巖地段采用摩擦樁時(shí)應(yīng)當(dāng)注意各個(gè)樁基之間的沉降差異。在設(shè)計(jì)中選擇墩—承臺(tái)—樁基。盡可能避免將承臺(tái)放置在破碎地帶內(nèi)，為了加強(qiáng)設(shè)計(jì)安全儲(chǔ)備，也可以采用樁端后壓漿技術(shù)提高樁基承載力，減小沉降。

3)溶洞與斜坡地段橋梁樁基設(shè)計(jì)。

碰到溶洞應(yīng)當(dāng)遵循“淺不深，優(yōu)先保證承重頂板厚度”的原則，在進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)的時(shí)候充分考慮基巖特征、樁基的荷載以及樁身長(zhǎng)度等因素進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)，樁基設(shè)計(jì)的嵌巖深度一般情況下不應(yīng)小于0.5 m，在實(shí)際情況中，溶洞的邊界條件是比較復(fù)雜的，所以在設(shè)計(jì)中考慮溶洞頂板的厚度與實(shí)際情況可能會(huì)有一部分偏差，如果存在偏差，就應(yīng)當(dāng)結(jié)合地勘報(bào)告進(jìn)行確定。如果溶洞的頂板厚度滿足樁基承載力的要求，就不用穿透溶洞，從而達(dá)到優(yōu)化樁長(zhǎng)，減少浪費(fèi)的目的。

在斜坡地段進(jìn)行設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)確保坡體的自然穩(wěn)定或者加固后成為穩(wěn)定的坡體，在設(shè)計(jì)的時(shí)候盡量避免將樁基支撐在滑動(dòng)的坡體上，樁端必須插入滑動(dòng)面以下的地基中保證地基的穩(wěn)定性。由于目前斜坡地段的研究正在進(jìn)行，針對(duì)斜坡地段的設(shè)計(jì)沒(méi)有成型的設(shè)計(jì)方法以及相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參考，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了避免設(shè)計(jì)中的失誤提高安全性，可以將其簡(jiǎn)化為確定對(duì)樁基進(jìn)行有效錨固以及確定樁基承載力影響范圍的計(jì)算，將斜坡條件下的樁基設(shè)計(jì)等同于平地的樁基設(shè)計(jì)。單樁的影響范圍大致為3d，根據(jù)研究，樁前土在橋梁樁基與陡坡的臨空面距離大于3d時(shí)，樁前土不提供水平抗力，因此在我省進(jìn)行斜坡上橋梁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先保證樁基的外側(cè)與坡面之間的距離不小于3d。

4 結(jié)語(yǔ)

我省公路設(shè)計(jì)面對(duì)的地形條件復(fù)雜，因此橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與一般的規(guī)范上所規(guī)定的地質(zhì)條件下的設(shè)計(jì)有所區(qū)別，目前我省對(duì)于該條件下橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的理論還不成熟，缺乏經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)，因此針對(duì)遇到的實(shí)際問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)通過(guò)研究、試驗(yàn)的方法提出對(duì)應(yīng)的措施，保證橋梁施工的安全與經(jīng)濟(jì)，結(jié)合規(guī)范、文獻(xiàn)與研究成果，做好橋梁設(shè)計(jì)工作。

[1] 趙啟華,唐清華.破碎帶上樁基后壓漿技術(shù)應(yīng)用[J].交通科技,2013(2)：37.

[2] 唐祖寧.高強(qiáng)度基巖上橋梁嵌巖樁嵌巖深度的確定方法[J].中國(guó)市政工程,2012(4)：46.

[3] 趙明華,尹平保,楊明輝,等.高陡斜坡上橋梁樁基受力特性及影響因素分析[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012(7)：17-19.

[4] 趙明華,張 銳,胡柏學(xué),等.巖溶區(qū)樁端下伏溶洞頂板穩(wěn)定性分析研究[J].公路交通科技,2009(9)：21-23.

[5] 王吉英.關(guān)于巖溶地區(qū)樁基設(shè)計(jì)的探討[J].北方交通,2007(12)：56-59.