巖溶地區橋梁樁基設計分析

摘要 樁基礎若處于巖溶地區，溶洞影響樁基豎向形變，樁端巖溶頂板的穩定性較差，甚者溶洞坍塌，橋梁質量受到損害?；A沉降和結構不均勻會帶來形變，為降低形變，文章通過理論結合案例，對巖溶地區橋梁樁基的類型選擇、承載力影響因素以及多種類型的橋梁樁基設計進行了闡述，確保巖溶地區橋梁樁基工程質量。結果表明：橋梁樁基承載力受溶洞頂板厚度、溶洞跨度以及溶洞與樁軸線的偏心距離等因素影響。

關鍵詞 巖溶地區;橋梁;樁基設計

中圖分類號 U443.15 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）09-0172-03

引言

在巖溶地區，橋梁樁基礎不可避免地會遇到土洞、溶洞等不良地質問題。目前，巖溶勘察、樁基礎施工措施、樁頂板穩定性評價和樁基承載力特性研究等是熔巖地區樁基常見的工作方法，巖溶區橋梁樁基的設計實踐研究相對較少。巖溶地區橋梁樁基通常存在樁周板頂厚度不夠的問題，在橋梁自重及行車等其他荷載的作用下，頂板被壓碎，樁基礎承載能力損失從而使橋梁結構破壞。對巖溶地區的橋梁樁基礎進行合理地設計、施工控制，可確保樁基礎的工程質量，樁基礎有足夠的承載能力，建造出質量安全可靠的橋梁工程。

1 巖溶地區橋梁樁基設計原則及步驟

1.1 樁基礎設計原則

（1）經濟、合理，且可以安全儲備。

（2）樁基與橋梁上部結構的鉸接完好，容許承載力和變形滿足規范要求。

（3）設計考慮施工技術，成樁過程的影響因素，樁基能在現有施工條件下成樁[1]。

1.2 樁基設計步驟

（1）分析得出的地質勘察資料，根據勘察資料制定合理的設計方案。

（2）根據設計方案及實際情況核算確定樁基類型、根數、位置以及尺寸。

（3）樁基強度、穩定性、變形檢測。

（4）根據檢測結果，計算、修正初步設計方案，使其符合規范要求，確定最終設計方案。

（5）不斷進行實地檢測，根據實際情況不斷變更設計，以求設計樁基礎能達到最佳的承載能力[2]。

2 巖溶地區橋梁樁基類型及設計要點

2.1 樁基類型的選擇

2.1.1 摩擦樁

巖溶地區的溶洞分布較淺，溶洞頂板過薄嵌巖樁的設計滿足不了承載力的要求[3]。當穿過溶洞群時，樁基的長度按照摩擦樁計算。樁基設計要假設混凝土樁身與巖石鉸接好，在試驗樁成樁后進行樁基抗剪強度檢測。基巖的裂縫含有豐富的水分，在施工過程中，可能發生滲水、漏漿等問題。

在摩擦樁的設計中，不計算樁端抗力作用，成樁后逐樁驗算，遇溶洞多的地質時，根據檢測樁的實際情況，進行補樁以達到設計樁基承載力。樁基漏漿形式如表1所示。

2.1.2 嵌巖樁

嵌巖樁的形式有單排樁和群樁，具有單樁軸向承載力大、橫向穩定性好等特點，適合于橋面寬且孔徑大的橋梁樁基，嵌巖樁樁底須位于同一巖層，基巖完整層厚度≥4 m，同時滿足樁底地區地質情況基本相同。樁底基巖極限抗壓強度>3.0 MPa，若嵌入層位弱風化灰巖則嵌入深度應>3 m，并在成樁后檢測樁基的強度、承載力、穩定性等，根據實際檢測情況進行補樁，確定墩臺樁基方案。

2.2 樁基設計要點

（1）樁基設計在巖溶發育地區，采用地質雷達物探和逐樁鉆孔勘探結合相互校核，逐樁檢驗，對照已有的臨近樁基，掌握節理發育情況，明確溶洞的深度、高度以及內有填充物等，為樁基設計提供可靠依據。

（2）將持力層基巖進行土工試驗，確定基巖的飽和極限抗壓強度;溶洞內填充物進行土工試驗，確定填充物的物理力學性能，并檢測其容重、孔隙率和含水量等，為樁基施工處理巖溶提供依據。

（3）地下水位較低的山區，橋梁樁基多采用人工挖孔成樁的方式，勘察時運用地質雷達物探手段探明溶洞情況。

（4）條件允許的情況下，優先考慮明挖基礎的基礎形式。

3 巖溶區樁基承載力影響因素分析

3.1 頂板厚度對樁基承載力的影響

樁基設計的核心問題取決于樁側摩阻力，樁側摩阻力直接決定樁極限承載力。當樁基較長時，極限承載力70%由側摩阻力占據。而樁土的相對滑移距離是樁側摩阻力的影響因素，樁土相對滑移距離大，則樁側摩阻力就大。當頂板厚度較小時，由于樁土相對滑移小于樁側摩阻力的最小相對滑移距離，因此導致了樁基承載力減小，從而頂板發生破壞。若增加頂板厚度至3倍直徑以上時，頂板端承力和相對滑移距離顯著提高，側摩阻力隨之增大。頂板厚度對側摩阻力影響較大，從而影響樁極限承載力，在樁端處存在少量的沉渣可以調整樁體的剛度，起到有利作用，增加樁土的相對滑移距離[4]。

3.2 洞跨對樁基承載力的影響

當溶洞洞跨較小時，樁端承載力較大，溶洞處于樁端應力作用以內，受均勻圍壓效果，沖切起不到作用，無法破壞，此時溶洞洞跨對樁基承載力影響最小。因此，在溶洞洞跨較小時，可以采用樁端擴頭設計或者適當調整樁徑來提高樁基的承載能力。當溶洞洞跨為2倍直徑時，樁端承載力快速減小，主要體現在樁端對頂板的沖切破壞。溶洞洞跨在不斷增大時樁基的極限承載力反而會下降?？梢赃@樣認為，溶洞跨度對樁基承載力的影響變化趨于一個臨界值，超過臨界值時影響反而會降低，此臨界值主要受頂板厚度和樁端應力擴散角影響。

3.3 溶洞與樁軸線的偏心距離對樁基承載力的影響

當偏心距離小于3倍直徑時，溶洞與樁軸線的偏心距離對樁基承載力的影響小，承載力參數變化不大;當溶洞與樁軸線的偏心距離大于3倍直徑時，樁端應力擴散無法起到作用。當溶洞與樁軸線的偏心距離4倍直徑時，隨著偏心距的增加，樁端承載力顯著提高。當溶洞與樁軸線的偏心距離5倍直徑時，溶洞對樁基承載力的影響基本不用考慮。由上述得知，提高樁基承載力可以采取樁端周圍溶洞壓漿或者合理定位樁基位置[5]。

4 巖溶區樁基礎設計注意事項

（1）巖石裂隙發育含有大量的碳酸鹽類水，滲水、漏漿現象時有發生，設計階段不考慮樁尖抗力，避免強風化類巖層的松散作用。

（2）單個溶洞直徑≥3倍樁基直徑時，設計階段增設鋼護筒數量替代混凝土護壁的支護效果，降低素混凝土的用量。

（3）計算單樁承載力時，多層巖溶層與樁側面的摩阻力作用難以計算，視為安全儲備，采用油毛氈隔開多層溶洞層與樁基側壁按嵌巖樁設計計算。

（4）人工挖孔直接觀測樁基內的情況，判斷巖溶和樁底持力層，隨時采取調整擴大樁頭直徑的措施，及時補救，經濟性好。有特殊情況無法采用人工挖孔時，比如：軟弱覆蓋層過厚或者地下水旺盛，采用正循環沖擊鉆法。

（5）樁基礎設計分為摩擦樁、端承樁。首選端承樁，具有安全性高、抗震性好等特點。如無法滿足沉降要求，再采用摩擦樁，嚴格按照公式復核計算樁底巖層的厚度，設計摩擦樁。

（6）設計摩擦樁有兩種類型，第一，樁基不進入溶洞區，與普通樁基的設計計算相同。第二，樁底進入溶洞區，摩擦樁的計算要合理選取溶洞區樁側土的極限摩阻力及樁底支承力。

5 案例應用

5.1 工程概況

某橋梁是位于湖北省的一座大橋，橋面連續，單幅橋寬9 m，全橋共計樁基80根，單根最長樁47.0 m，樁徑1.6～1.9 m。由于溶洞地區橋梁樁基施工難度大，采取左右幅獨立分開設計，盡量避開溶洞。橋梁上部采用連續箱梁構造，下部采用柱式墩臺構造。整橋48根樁基處于溶洞區，巖溶發育，厚度大，溶蝕強烈。橋區所在地層自上而下為第四系洪沖積層、角礫巖和下二迭系灰巖，基巖起伏大。溶洞層數最多12層，最高12 m，一般在9～10層，溶洞最高約10 m。該橋區還有一段斷層面傾向西的正斷層，且盤巖層破碎，落差6 m左右。

5.2 地質勘察

橋梁樁基礎設計前要進行巖溶地質勘察，主要勘察地質水文、氣候等環境特征、巖溶發育及分布情況、巖層發育節理等，為橋梁樁基的設計、施工提供依據。地質勘察時探孔直徑比樁基礎的直徑小，勘察時個別溶洞并不能準確被勘察到，僅采用逐樁鉆孔勘察無法真實反映巖溶發育情況和分布規律[6]。橋梁樁基≥1.5 m時，每個樁設置3個地質鉆探孔。在樁基周圍設置鉆探孔，在一定深度的直徑范圍研究巖溶發育分布情況。結合本橋梁工程，開工前分析詳細勘察資料，組織人員進行物探，根據物探情況，進行逐樁地質鉆孔探測，根據詳細的地質鉆孔探測資料進行樁基設計變更，力求樁基的經濟、安全、可靠，部分鉆孔勘察柱狀圖如圖1所示。

5.3 樁基設計

該工程案例地質存在暗河和多層溶洞，須穿越多處溶槽、溶溝、上下成串溶洞，因此從多方面影響因素考慮，具體設計如下：

5.3.1 溶槽或溶溝處的橋梁樁基設計

溶槽底面或溶溝底面的橋梁樁經過一般巖層上的內力分析方法，根據溶槽或溶溝底面巖層的強度和縫隙計算樁的軸向允許承載力，本橋樁基穿過的溶洞頂板薄，但是溶槽或溶溝底面足夠深且填充土密實，達到一定的強度[7]。橋梁樁基立于溶槽底面或溶溝底面的巖層上，穿過溶槽、溶溝內的填充土，不置于溶洞的底板上，按摩擦樁設計。

5.3.2 地基上下成串溶洞的橋梁樁基設計

橋梁地基穿過成串分布的溶洞時，探明溶洞最下層分布情況，采用直徑1.5 m的鉆孔樁。上下成串溶洞小并且有填充物時，先采取鉆孔壓漿加固填充至空洞，等待一段時間后，漿體凝固再往下鉆孔壓漿，按摩擦樁計算樁長。上下成串溶洞大并且無填充物時，可先行鉆孔，然后拋石、壓漿，等待一段時間后，再往下鉆孔壓漿，按照柱樁進行計算所需的樁長。

5.3.3 負摩擦力影響的樁基設計

由于自重的作用，擾動的基土石都會發生固結下沉，經過開采地下水后，發生地基軟弱層相對樁基固結下沉，下沉會產生負摩擦力，即一個向下的摩擦力。負摩擦力加劇了樁基的軸向荷載，嚴重會導致樁基破壞。樁基設計要重視負摩擦力問題，可以在中性點以上增設隔離層，隔離層材料選用油毛氈，克服負摩擦力，以此消除負摩擦力的影響。

5.3.4 穿進多層巖溶層的樁基設計

多層巖溶層對樁側的摩阻作用是一個復雜的力學體系，將多層巖溶層的摩阻作用視作安全儲備。當多層巖溶層與樁側粘連一起，可能先發生摩阻破壞，從而導致樁基礎破壞，樁身軸向荷載可能集中在某一巖溶層與樁身粘結處。在鉆孔灌注樁施工過程中，采用油毛氈進行隔離，多層巖溶層對樁側的摩阻作用不予考慮，軸向荷載完全作用于樁底的巖層上，按照柱樁設計。

6 結論

在巖溶地區修建橋梁，由于復雜的地質環境，修建橋梁遇上巖溶地區難以避免。溶洞地區橋梁樁基的設計影響因素多變，該文結合具體案例闡述巖溶地區橋梁樁基的設計要點，得出以下結論：

（1）溶洞頂板厚度對樁基承載能力有顯著影響，若增加頂板厚度至3倍直徑以上時，頂板端承力和相對滑移距離顯著提高，側摩阻力隨之增大。

（2）溶洞跨度對樁基承載力的影響變化趨于一個臨界值，此臨界值為2倍直徑，超過臨界值時影響反而會降低，此臨界值主要受頂板厚度和樁端應力擴散角影響。

（3）溶洞與樁軸線的偏心距離小于3倍直徑時，樁基承載力較小，承載力參數變化不大;當溶洞與樁軸線的偏心距離大于3倍直徑時，隨著偏心距的增加，樁端承載力顯著提高。

參考文獻

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收稿日期：2022-03-17

作者簡介：朱詩勇（1987—），男，碩士，工程師，研究方向：橋梁設計。