巖溶地區公路橋梁基礎設計研究

劉 洋

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

隨著我國基礎交通設施的投資建設逐漸推進，公路工程作為振興經濟水平的關鍵基礎設施，其建設步伐也日益加快。由于我國各地區地形地貌較為復雜，其中巖溶地質分布范圍較為廣泛，危害程度大，可能發生巖溶塌陷等病害。目前，在巖溶地區修建公路橋梁往往不可避免。在巖溶地區的公路橋梁建設過程中，由于橋面受到車輛循環荷載和路面附加荷載的影響，可能使得溶洞塌陷，引起地層變形，破壞橋梁結構的安全性，從而對公路橋梁的運營產生不利影響，這些因素就決定了公路橋梁基礎的設計理念更加復雜，設計難度也更大。根據國內外相關學者的研究成果，巖溶地區的公路橋梁建設時往往采用樁基礎穿過不良地質層。但是溶洞的存在，會對橋梁樁基礎的承載能力產生一定程度的影響，與此同時可能導致橋梁樁基礎在施工時出現斜樁、塌孔、斷樁等事故。因此，研究巖溶地區的公路橋梁基礎如何確定基礎地基持力層厚度，如何選擇經濟合理的橋梁基礎形式等具有十分重要的意義。這樣不僅能夠提高公路橋梁基礎的修建質量，還可以為類似巖溶地區的公路橋梁的建設提供理論指導，從而推動橋梁工程建設水平的全面發展。

1 巖溶發育及巖溶橋梁基礎

1.1 巖溶的發育

所謂巖溶指可溶性巖石受到含有CO2的流水溶蝕，再加上沉積作用而形成的地貌。溶洞的結構變化較大，存在的形態也各有差異，主要有孔內大溶洞、斜面溶洞、陡半邊溶洞、石柱、石筍等，各形態依次如圖1所示。

圖1 常見的溶洞形態

1.2 巖溶地區公路橋梁基礎

(1)擴大基礎。巖溶地區公路橋梁在選擇擴大基礎時要遵循以下原則：第一，溶洞的覆蓋層厚度較小，土質較好，溶洞較小，可以選擇明挖基礎，揭露溶洞的充填物，從而對淺層溶洞、溶溝進行清除；第二，如果溶洞處在持力層范圍之內，可以根據溶洞大小選擇砂礫或漿砌片石填，必要時可在基礎內部加鋼筋網；第三，如果溶洞埋藏深度較大，溶洞中地基土以粘性土、砂類土等以細顆粒為主，且溶洞上覆土層的承載力不能滿足規范要求，可選擇灌漿、砂樁等方法進行加固。

(2)樁基礎。目前，樁基礎是解決公路橋梁巖溶地基效果最好的方法，也是巖溶地區最常見的公路橋梁基礎。樁基礎的形式主要有摩擦樁、嵌巖樁、擴大基礎與樁基礎混合等。

2 巖溶區頂板設計安全厚度討論

2.1 設計安全厚度的確定

巖溶區頂板設計安全厚度在確定時要綜合考慮樁基尺寸、持力層土質、施工技術等因素。根據建筑樁基技術規范可知：如果樁基礎下方存在軟弱下臥層，則巖溶區頂板設計安全厚度往往大于5倍樁基礎直徑。但隨著施工工藝的不斷進步，在公路橋梁基礎中，大直徑鉆孔灌注樁的應用日益廣泛。此時，如果建筑樁基技術規范要求的巖溶區頂板安全厚度計算，得到的安全厚度過大，實際工程中很難滿足要求。因此，研究巖溶區頂板設計安全厚度是基礎設計過程中十分關鍵的環節。參考相關研究成果可知：對于巖溶地區的橋梁樁基礎，如果樁基礎端部巖層的節理裂隙不發育、完整性較好，設計安全厚度可取樁基礎直徑的三倍且不小于3 m；如果樁基礎端部巖層的節理裂隙發育、巖石較破碎，設計安全厚度應當通過抗彎承載能力驗算來確定。

2.2 設計安全厚度的影響因素分析

(1)巖溶發育、頂板裂隙發育

如果頂板巖層節理裂隙不發育、完整性較好，可以通過按抗沖切驗算、抗剪切驗算、抗彎拉驗算等公式來推導出巖溶頂板安全厚度。如果樁基礎端部巖層的節理裂隙發育、巖石較破碎，頂板巖層受到沖切作用力后可能會沿著節理裂隙破壞，則在使用上述驗算公式時，應該用巖石軟弱節理面的強度來替代巖石的強度。值得注意的是，巖溶頂扳的節理裂隙實際分布最精確的方法是鉆探，但鉆探法由于施工工期和施工成本的限制在工程中的應用較少。目前，壓漿法是確定巖溶頂扳的節理裂隙分布應用最廣泛的措施。

(2)頂板跨度、工作荷載

巖溶頂板跨度大小與頂板的抗沖切驗算關系不大，且對頂板的抗剪切驗算基本無影響。巖溶頂板跨度大小主要是與頂板的抗彎拉驗算密切相關，主要原因是頂板的彎矩與頂板跨度呈二次正相關系。即隨著巖溶頂板跨度的增加，頂板的最大彎矩也隨之提高，反之亦然。工作荷載的大小也是巖溶頂板設計安全厚度關鍵影響因素之一。一般而言，工作荷載的大小與巖溶頂板設計安全厚度呈線性正相關關系。即隨著工作荷載的增加，巖溶頂板設計安全厚度也不斷增加。

(3)上覆土層的摩阻力

上覆土層厚度不大，巖溶地區公路橋梁樁基礎通常設計為嵌巖樁，且大部分嵌巖樁均屬于摩擦樁的范疇。因此，在設計樁基礎時需要考慮上覆土層的摩阻力，即可以通過降低樁基的摩阻力來減小樁端應力，從而確保較小的巖溶頂板設計安全厚度就能滿足要求。

3 巖溶區公路橋梁樁基礎設計方法

3.1 巖溶區橋梁樁基設計原則

巖溶區公路橋梁樁基在設計時應當遵循以下經濟、技術方面的原則，如表1所示。

表1 巖溶區公路橋梁樁基設計原則

3.2 巖溶區橋梁樁基設計關鍵

(1)確定樁型、樁長、截面尺寸

在巖溶地區選擇樁的類型時應當充分考慮地形地質條件、施工設備、地下水位等因素，在此基礎上優先考慮挖孔樁和灌注樁。如果巖溶區域的地下水位較低且排水通暢，可選擇人工挖孔樁。樁基長度的確定一般與樁底持力層(樁基一般為嵌巖樁)的選擇密切相關。樁基截面尺寸可以根據樁的類型初步擬訂。

(2)確定樁基數量及位置

樁基根數的確定是根據豎向承載力允許值，利用以下公式得到

式中：N為樁的根數，F為樁基礎豎向力的設計值，G為承臺重量及各種附加荷載，R樁基的豎向承載力允許值。

樁基礎在平面的布置位置可以是三角形、方形、矩形、梅花型等，同時樁基礎在布置時應當盡可能使上部荷載的作用中心與樁基的平面形心在同一條軸線上。此外，單根樁基礎的間距要控制得當，巖溶地區的灌注樁間距可選1.5D，挖孔樁間距可選2.5D。原因在于：如果樁的間距過大，會造成樁的承臺造價過高，如果樁的間距過小，會導致樁的承載力不能滿足要求。

4 結 語

(1)巖溶的存在，對公路橋梁樁基礎的設計、施工等都會產生各種不利影響，主要體現在地基不均勻沉降、溶洞塌落、地下水不易排出等方面；(2)巖溶地區公路橋梁基礎的常見基礎有擴大基礎和樁基礎，橋梁基礎選擇時要對溶洞的規模大小和形態進行綜合考慮；(3)如果巖溶地區樁基礎端部巖層的完整性較好，設計安全厚度可取樁基礎直徑的三倍且不小于3 m。

如果樁基礎端部巖層的完整性較差，設計安全厚度應當通過抗彎承載能力驗算來確定；(4)設計安全厚度的影響因素主要有巖溶發育、頂板裂隙發育、頂板跨度、工作荷載、上覆土層的摩阻力等。此外，巖溶區橋梁樁基設計關鍵就是要確定樁型、樁長、截面尺寸、確定樁基數量及位置，且樁基礎在布置時應當盡可能使上部荷載的作用中心與樁基的平面形心在同一條軸線上，巖溶地區的灌注樁間距可選1.5D，挖孔樁間距可選2.5D。