巖溶區橋梁樁基施工技術及設計方法研究

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巖溶地區地質條件復雜，處治難度大，因而在巖溶地區建設橋梁樁基的影響因素眾多。如果對巖溶地區樁基地層特點及破壞機理不清楚，施工技術和設計理念不合理，可能導致橋梁結構整體塌陷，影響行車安全和橋梁運營壽命等[1]。近年來，國內外學者及工程師通過理論公式計算、室內模型試驗等方法探討了巖溶區橋梁樁基破壞機理和處治措施等，并提出了一些有價值的研究成果，但是溶洞跨度及形態、頂板裂隙發育程度等難以探明，仍沒有形成一套系統性的理論來指導巖溶區的樁基建設，實際工程中以工程類比法為主，設計方案偏保守。因此，分析巖溶區橋梁樁基施工技術及設計方法具有十分重要的工程意義。

1 巖溶區樁基地層特點及計算理論

（1）巖溶地層特點。巖溶現象是指水對地層中的可溶性巖石（如石灰巖、白云巖等）進行以化學溶蝕作用為特征的綜合地質作用及由此產生的地質現象。巖溶發育十分復雜，主要表現為溶洞形式，具有埋藏淺、分布密集、頂板強度低、受地下水文影響大等特點，因而在巖溶地區修建橋梁樁基礎存在一定的潛在危險，如地基承載力不足、鉆孔成樁時涌水或突水等，容易導致樁基塌陷失穩[2]。

（2）樁底端巖體破壞模式。巖溶地區的樁基礎豎向承載力與樁底溶洞尺寸大小、頂板厚度、巖體裂隙、巖溶處理方法等因素密切相關。根據巖體破壞機理和結構面類型的不同，可將樁端巖體破壞分為單軸壓縮破壞、剪切破壞、劈裂破壞三種形式，如圖1所示。

圖1 巖溶區樁端巖體破壞模式

由圖1可知，當樁端巖體結構面間距不超過基礎寬度B時，巖體主要受到豎向壓應力作用，會出現單軸壓縮破壞；當樁端巖體結構面間距小且處于閉合狀態時，巖體可能出現整體剪切破壞或局部剪切破壞，其剪切破壞不只是因巖體自身的彈塑性變形而引起的，還可能是巖體節理裂隙所致；當樁端巖體結構面間距遠大于基礎寬度B時，樁基會直接刺入巖體，出現劈裂式破壞。

（3）巖溶樁基承載特性。在巖溶發育地區，巖層一般是抗壓強度較大的灰巖，在進行巖溶頂板承載能力計算時，可將其視為“梁板模型”[3]。具體可劃分為以下三種情況：第一，巖溶頂板跨中存在裂隙，支座位置巖石完整性和硬度較好，按懸臂梁計算；第二，巖溶頂板堅固，一處支座位置有較多裂隙，按簡支梁計算；第三，當巖溶頂板和兩側山體連為一體時，按兩臂固定梁計算。

2 巖溶區橋梁樁基施工技術

巖溶區的橋梁樁基施工是確保項目整體進度和建設水平的關鍵環節，但是巖溶區地質復雜，樁基成孔難度較大，樁基承載力也難以保證，因此必須嚴格控制樁基施工過程。

2.1 鉆孔灌注樁施工要點

巖溶區橋梁樁基施工主要采用的是反循環鉆孔灌注樁，其施工流程如下：埋設護筒→制備泥漿→鉆孔→孔底清渣→放入鋼筋籠→灌注混凝土→成樁檢測[4-5]。

（1）埋設護筒。護筒直徑一般要大于樁基直徑，其端部應盡可能埋入透水性較差的黏土層，以避免地下水滲入鉆孔內，從而影響孔內外的靜水壓力平衡，防止塌孔。如果黏土層距離樁頂設計標高較遠，也可將護筒底埋入砂礫層中，此時應在護筒外側分層回填透水性差的黏土或粉土夯壓密實，并確保孔壁水壓能穩定在0.02MPa以上。

（2）制備泥漿。制備護壁泥漿時膠體率不得超過95%，含砂率要小于4%，同時還應根據土層特點選擇合理的泥漿比重。如果泥漿比重過大，則樁孔鉆挖效率較低；如果泥漿比重過小，則泥漿難以充分發揮鉆孔護壁功能。在黏土中鉆挖時，土層透水性小，泥漿比重控制在1.02～1.04即可。在砂礫土層鉆挖，由于其透水性強，容易塌孔，需要適當提高泥漿比重，可取1.05～1.08。

（3）鉆挖速度。巖溶區橋梁樁基在成孔時要根據地層特點、項目工期和進度要求等選擇合適的鉆孔速度，如表1所示。

表1 不同地區橋梁樁基成孔速度

2.2 穿越溶洞成孔施工

穿越溶洞是巖溶地區樁基施工的難點，如果選擇的施工方法不當，容易引起施工困難或成樁質量不合格，造成橋梁整體塌陷等事故。

鉆孔穿越溶洞之前，需要對樁基范圍內的巖溶發育情況進行充分調查，并準備足量的片石、泥漿等，以便漏漿時可以及時處治。當鉆挖至溶洞附近時，孔內泥漿液面迅速降低，應用片石填充樁孔，待泥漿液面基本穩定再鉆孔。如果溶洞規模大，為了提升封堵效果，可選擇C20混凝土（添加速凝劑）封堵，混凝土初凝結束再鉆挖。同時，巖溶區樁基施工還容易發生掉鉆的情況，主要原因在于埋鉆與卡鉆后施工人員操作不當，或樁基鉆挖成孔期間遇到堅硬石塊，對鉆桿產生了一定程度的磨損，從而引起掉鉆。

當樁基成孔過程中發生掉鉆時，施工人員應立即查明原因，并制訂相應的解決方案。對于普通掉鉆事故，可根據鉆具掉落位置、深度等選擇打撈鉤、活套等打撈；當鉆頭上有較多坍落物時，必須采用空心沖擊鉆將坍落物清理干凈，再選擇打撈工具進行處理。

3 巖溶區橋梁樁基設計方法

3.1 工程實例

文章以某公路大橋為研究對象分析巖溶區橋梁樁基的設計方法。該橋梁全長428.5m，橋梁跨徑為14m×30m，橋梁結構為裝配式預應力混凝土T梁，橋墩為雙柱式墩，基礎采用直徑為1.8m和2.0m的嵌巖樁，溶洞發育區采用直徑為1.6m的群樁。巖土勘察報告中提到，在樁號K43+615附近存在溶洞（洞跨比值小于0.5），頂板巖體為中風化灰巖，頂板厚度為5.0m，跨度為10.1m，寬度為5.0m。

3.2 溶洞頂板安全性分析

溶洞的厚跨比值小于0.5，彎矩為主要控制條件，可以采用抗彎估算法。計算溶洞頂板安全厚度時，對模型參數進行了以下假設：第一，溶洞尺寸固定，其中的填充物視為有利因素；第二，荷載為靜力荷載，不考慮構造應力場的影響；第三，溶洞上覆土層為各向同性材料。

樁底附加荷載彎矩M0的計算公式如下：

式中：q0為樁底附加荷載，kN；d為樁基直徑，m；l為溶洞跨度，m。

樁底附加荷載q0的計算公式如下：

式中：F為樁底反力，取2600kN。

溶洞頂板覆土荷載彎矩Mg1的計算公式如下：

式中：qg1為溶洞頂板覆土荷載，kN。

溶洞自重荷載彎矩Mg2的計算公式如下：

式中：qg2為溶洞頂板自重荷載，kN。

溶洞頂板總荷載彎矩M的計算公式如下：

溶洞頂板安全厚度的計算公式如下：

巖土勘察報告資料提供的頂板厚度為5.0m，計算安全厚度為2.49m，該巖溶區域樁基礎處于穩定狀態。嵌巖深度+頂板厚度≤6d，嵌巖樁嵌巖深度確定應遵循“宜淺不宜深，優先保證頂板安全厚度”的原則，樁基嵌入頂板厚度取1.0m。

4 結論

文章探究了巖溶地區樁基的承載特性、破壞模式、施工關鍵技術、設計步驟、溶洞頂板安全性分析等方面內容，主要得到了以下結論：（1）巖溶樁基礎承載力與樁底溶洞尺寸、頂板厚度、巖體裂隙等因素有關，其破壞類型可分為單軸壓縮破壞、剪切破壞、劈裂破壞三種。（2）鉆孔穿越溶洞期間，容易出現漏漿、掉鉆等問題，施工人員應立即查明原因，并制訂相應的處治措施。（3）巖溶樁基承載力計算一般會忽略嵌巖段的側摩擦阻力，僅將其作為安全系數儲備。（4）樁基布置可采用方形或梅花形布置，中心間距不宜過大或過小，且要滿足溶洞頂板安全厚度的要求。