巖溶區(qū)橋梁樁基施工技術(shù)及設(shè)計(jì)方法研究

中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250029

巖溶地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，處治難度大，因而在巖溶地區(qū)建設(shè)橋梁樁基的影響因素眾多。如果對(duì)巖溶地區(qū)樁基地層特點(diǎn)及破壞機(jī)理不清楚，施工技術(shù)和設(shè)計(jì)理念不合理，可能導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)整體塌陷，影響行車安全和橋梁運(yùn)營(yíng)壽命等[1]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及工程師通過(guò)理論公式計(jì)算、室內(nèi)模型試驗(yàn)等方法探討了巖溶區(qū)橋梁樁基破壞機(jī)理和處治措施等，并提出了一些有價(jià)值的研究成果，但是溶洞跨度及形態(tài)、頂板裂隙發(fā)育程度等難以探明，仍沒(méi)有形成一套系統(tǒng)性的理論來(lái)指導(dǎo)巖溶區(qū)的樁基建設(shè)，實(shí)際工程中以工程類比法為主，設(shè)計(jì)方案偏保守。因此，分析巖溶區(qū)橋梁樁基施工技術(shù)及設(shè)計(jì)方法具有十分重要的工程意義。

1 巖溶區(qū)樁基地層特點(diǎn)及計(jì)算理論

（1）巖溶地層特點(diǎn)。巖溶現(xiàn)象是指水對(duì)地層中的可溶性巖石（如石灰?guī)r、白云巖等）進(jìn)行以化學(xué)溶蝕作用為特征的綜合地質(zhì)作用及由此產(chǎn)生的地質(zhì)現(xiàn)象。巖溶發(fā)育十分復(fù)雜，主要表現(xiàn)為溶洞形式，具有埋藏淺、分布密集、頂板強(qiáng)度低、受地下水文影響大等特點(diǎn)，因而在巖溶地區(qū)修建橋梁樁基礎(chǔ)存在一定的潛在危險(xiǎn)，如地基承載力不足、鉆孔成樁時(shí)涌水或突水等，容易導(dǎo)致樁基塌陷失穩(wěn)[2]。

（2）樁底端巖體破壞模式。巖溶地區(qū)的樁基礎(chǔ)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(guān)。根據(jù)巖體破壞機(jī)理和結(jié)構(gòu)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(qū)樁端巖體破壞模式

由圖1可知，當(dāng)樁端巖體結(jié)構(gòu)面間距不超過(guò)基礎(chǔ)寬度B時(shí)，巖體主要受到豎向壓應(yīng)力作用，會(huì)出現(xiàn)單軸壓縮破壞；當(dāng)樁端巖體結(jié)構(gòu)面間距小且處于閉合狀態(tài)時(shí)，巖體可能出現(xiàn)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(jié)理裂隙所致；當(dāng)樁端巖體結(jié)構(gòu)面間距遠(yuǎn)大于基礎(chǔ)寬度B時(shí)，樁基會(huì)直接刺入巖體，出現(xiàn)劈裂式破壞。

（3）巖溶樁基承載特性。在巖溶發(fā)育地區(qū)，巖層一般是抗壓強(qiáng)度較大的灰?guī)r，在進(jìn)行巖溶頂板承載能力計(jì)算時(shí)，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(jì)算；第二，巖溶頂板堅(jiān)固，一處支座位置有較多裂隙，按簡(jiǎn)支梁計(jì)算；第三，當(dāng)巖溶頂板和兩側(cè)山體連為一體時(shí)，按兩臂固定梁計(jì)算。

2 巖溶區(qū)橋梁樁基施工技術(shù)

巖溶區(qū)的橋梁樁基施工是確保項(xiàng)目整體進(jìn)度和建設(shè)水平的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但是巖溶區(qū)地質(zhì)復(fù)雜，樁基成孔難度較大，樁基承載力也難以保證，因此必須嚴(yán)格控制樁基施工過(guò)程。

2.1 鉆孔灌注樁施工要點(diǎn)

巖溶區(qū)橋梁樁基施工主要采用的是反循環(huán)鉆孔灌注樁，其施工流程如下：埋設(shè)護(hù)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(cè)[4-5]。

（1）埋設(shè)護(hù)筒。護(hù)筒直徑一般要大于樁基直徑，其端部應(yīng)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(nèi)，從而影響孔內(nèi)外的靜水壓力平衡，防止塌孔。如果黏土層距離樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高較遠(yuǎn)，也可將護(hù)筒底埋入砂礫層中，此時(shí)應(yīng)在護(hù)筒外側(cè)分層回填透水性差的黏土或粉土夯壓密實(shí)，并確保孔壁水壓能穩(wěn)定在0.02MPa以上。

（2）制備泥漿。制備護(hù)壁泥漿時(shí)膠體率不得超過(guò)95%，含砂率要小于4%，同時(shí)還應(yīng)根據(jù)土層特點(diǎn)選擇合理的泥漿比重。如果泥漿比重過(guò)大，則樁孔鉆挖效率較低；如果泥漿比重過(guò)小，則泥漿難以充分發(fā)揮鉆孔護(hù)壁功能。在黏土中鉆挖時(shí)，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(qiáng)，容易塌孔，需要適當(dāng)提高泥漿比重，可取1.05～1.08。

（3）鉆挖速度。巖溶區(qū)橋梁樁基在成孔時(shí)要根據(jù)地層特點(diǎn)、項(xiàng)目工期和進(jìn)度要求等選擇合適的鉆孔速度，如表1所示。

表1 不同地區(qū)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(qū)樁基施工的難點(diǎn)，如果選擇的施工方法不當(dāng)，容易引起施工困難或成樁質(zhì)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(duì)樁基范圍內(nèi)的巖溶發(fā)育情況進(jìn)行充分調(diào)查，并準(zhǔn)備足量的片石、泥漿等，以便漏漿時(shí)可以及時(shí)處治。當(dāng)鉆挖至溶洞附近時(shí)，孔內(nèi)泥漿液面迅速降低，應(yīng)用片石填充樁孔，待泥漿液面基本穩(wěn)定再鉆孔。如果溶洞規(guī)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(jié)束再鉆挖。同時(shí)，巖溶區(qū)樁基施工還容易發(fā)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(dāng)，或樁基鉆挖成孔期間遇到堅(jiān)硬石塊，對(duì)鉆桿產(chǎn)生了一定程度的磨損，從而引起掉鉆。

當(dāng)樁基成孔過(guò)程中發(fā)生掉鉆時(shí)，施工人員應(yīng)立即查明原因，并制訂相應(yīng)的解決方案。對(duì)于普通掉鉆事故，可根據(jù)鉆具掉落位置、深度等選擇打撈鉤、活套等打撈；當(dāng)鉆頭上有較多坍落物時(shí)，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(jìn)行處理。

3 巖溶區(qū)橋梁樁基設(shè)計(jì)方法

3.1 工程實(shí)例

文章以某公路大橋?yàn)檠芯繉?duì)象分析巖溶區(qū)橋梁樁基的設(shè)計(jì)方法。該橋梁全長(zhǎng)428.5m，橋梁跨徑為14m×30m，橋梁結(jié)構(gòu)為裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，橋墩為雙柱式墩，基礎(chǔ)采用直徑為1.8m和2.0m的嵌巖樁，溶洞發(fā)育區(qū)采用直徑為1.6m的群樁。巖土勘察報(bào)告中提到，在樁號(hào)K43+615附近存在溶洞（洞跨比值小于0.5），頂板巖體為中風(fēng)化灰?guī)r，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(jì)算溶洞頂板安全厚度時(shí)，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行了以下假設(shè)：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(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算公式如下：

溶洞頂板安全厚度的計(jì)算公式如下：

巖土勘察報(bào)告資料提供的頂板厚度為5.0m，計(jì)算安全厚度為2.49m，該巖溶區(qū)域樁基礎(chǔ)處于穩(wěn)定狀態(tài)。嵌巖深度+頂板厚度≤6d，嵌巖樁嵌巖深度確定應(yīng)遵循“宜淺不宜深，優(yōu)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(jié)論

文章探究了巖溶地區(qū)樁基的承載特性、破壞模式、施工關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)計(jì)步驟、溶洞頂板安全性分析等方面內(nèi)容，主要得到了以下結(jié)論：（1）巖溶樁基礎(chǔ)承載力與樁底溶洞尺寸、頂板厚度、巖體裂隙等因素有關(guān)，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(xiàn)漏漿、掉鉆等問(wèn)題，施工人員應(yīng)立即查明原因，并制訂相應(yīng)的處治措施。（3）巖溶樁基承載力計(jì)算一般會(huì)忽略嵌巖段的側(cè)摩擦阻力，僅將其作為安全系數(shù)儲(chǔ)備。（4）樁基布置可采用方形或梅花形布置，中心間距不宜過(guò)大或過(guò)小，且要滿足溶洞頂板安全厚度的要求。