山區不良地質橋梁基礎優化設計研究

周柏宇 張春麗

摘要 山區典型不良地質條件主要有山區深厚覆蓋層、軟質巖、強風化巖、斷層破碎帶、斜坡地段、溶洞等。文章基于山區不良地質條件下橋梁設計特點，通過分析山區不良地質條件下橋梁基礎設計階段存在的難點，提出山區不良地質橋梁基礎的優化設計方法，可為山區橋梁基礎的設計優化提供參考。

關鍵詞 山區不良地質;巖溶地區;橋梁基礎;優化設計

中圖分類號 U443.1 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）13-0105-03

0 引言

目前，隨著我國在交通工程領域的不斷發展，公路橋梁工程作為其重要組成部分，取得了迅猛發展。然而，由于我國存在大量山區，區域內地質情況各異，存在著眾多不良地質，如山區深厚覆蓋層、軟質巖、強風化巖、斷層破碎帶、斜坡地段、溶洞等，這些不良地質分布范圍廣泛且危害程度大。公路橋梁工程不斷向縱深化發展，部分橋梁必須穿越山區不良地質。在山區不良地質修建公路橋梁，與一般地質條件相比有其特殊性。由于不良地質體的承載力不足，在上部荷載作用下，不良地質會對橋梁工程的安全性造成影響[1]。因此，對山區不良地質條件下橋梁基礎開展優化設計勢在必行。

1 山區不良地質條件下橋梁基礎設計的難點

山區地質構造復雜，不良地質條件集中體現，對山區公路橋梁的安全性影響較大。山區深厚覆蓋層、軟質巖、強風化巖、斷層破碎帶、斜坡地段、溶洞、濕陷性黃土等不良地質條件，都影響公路橋梁的安全性。在復雜地質條件下橋梁樁基礎設計過程中，主要存在以下幾點問題：

（1）區別于其他基礎設計，山區橋梁基礎樁長較長。橋梁基礎設計規范對樁端持力層土層性質與類型有明確的規范。而上述不良地質情況中的山區深厚覆蓋層、軟質巖、強風化巖等，勘察設計時均要求其不得作為樁基持力層，從而相對增加了樁長，有時甚至造成超長樁。山區相對堅硬的巖石基礎，以及陡峭的地形，提高了樁基施工的難度，而樁長增長就更加大了樁基礎施工難度。樁端溶洞頂板厚度的選擇，應充分考慮樁長因素，千篇一律的定性設計規則會大幅增加施工難度和降低工程進度，且常出現樁基設計過度的情況，從而會延長工期，提高工程造價，降低施工質量[2]。

（2）針對山區濕陷性黃土，要考慮結構不均勻沉降帶來的不良后果。規范中要求樁長必須穿透濕陷性土層，到達符合要求的持力層土層。而且一般設計人員在面對濕陷性黃土樁基設計時，出于結構安全考慮，有時忽略濕陷性土層換填土的側摩阻力，同時又計算了土層產生的負摩阻力，導致計算樁長增大。這種設計方法，特別是對山區橋梁樁基礎設計來講，大大提高了基礎造價，違背了工程結構設計經濟性原則。

（3）對于深厚覆蓋層的橋梁樁基礎設計，地勘提供的數據對確定土層參數取值指導意義不大，設計人員基于安全考慮，常常取其較小值，甚至不考慮側阻力，導致對樁基側摩阻力的過低估計，以及對樁長或樁截面的計算結果偏大。

（4）我國部分山區，比如貴州等，多熔巖分布地帶。針對巖溶區樁基設計，設計師常常缺乏對問題具體的分析與思考，遇到巖溶便慣性采用穿透溶洞式，未考慮不貫穿的可行性辦法，造成樁長的增加等。

（5）山區少見平坦路段，多斜坡路段，針對斜坡路段上的橋梁基礎設計研究和試驗較少，在斜坡橋梁的設計中，一般將其簡化為平地，與實際情形存在較大出入，給橋梁工程的安全性帶來了不利影響。圖1為斜坡路段上的橋梁基礎。

2 山區不良地區橋梁基礎優化設計

2.1 黃土覆蓋層場地橋梁樁基優化設計

在橋梁基礎設計過程中，現行規范對橋梁樁基的型式有具體規定：同一地段的橋梁設計不得同時采用端承型樁與摩擦型樁（圖2為樁基礎類型），有特殊設計需求除外，而規范并沒有明確規定不同地質情況下采用的樁基類型，設計人員一般依靠工程地質和設計經驗確定樁基類型。在工程勘察中，一般認為碎石土、塊石和強風化巖具有較好的承載力，可以作為橋梁基礎的持力層，一般選擇中風化程度以上的巖層作為持力層。然而，在我國北部山區，巖層上部覆蓋厚度較大的黃土覆蓋層，對于這種地質情況，勘察單位在充分掌握覆蓋層物理力學性質的前提下，應判斷黃土覆蓋層能否作為橋梁樁基持力層[3]。

若覆蓋層厚度大于40 m或樁基的長寬比大于20時，按照規范設計人員可以將樁體按摩擦樁設計，從而優化樁基設計，降低工程造價。若設計的樁基型式為嵌巖樁，同時硬質巖層以上覆蓋有較厚的黃土層，則需要對樁長進行優化設計。在依據文獻資料的前提下，結合工程案例和設計經驗，若樁端為硬質巖石，樁體嵌入巖石過長反而不利于樁端承載力的發揮。針對此情況，規范中有著如下規定：若樁體嵌入土體長度h≥4/α（α為樁土變形系數）時，分析受力時，樁長在（0，4/α）范圍內的部分可不考慮，深度大于4/α的樁體彎矩為零。若樁體此時所提供的豎向承載力滿足要求，樁體則不用嵌入硬質巖石。考慮到山區存在的碎石土較多，當覆土層深度較大時，可以合理優化樁體嵌入巖層的長度。當樁體長度在20～

40 m或樁長比在10～20之間時，可以結合巖石強度和覆土層深度，開展橋梁樁基的合理優化設計。

2.2 軟質巖和強風化巖地帶橋梁樁基優化設計

軟質巖和強風化巖的承載力有限，在樁身承載力滿足上部荷載要求的情況下，應采取增大樁身長度的措施，范圍為3～5d（d為樁徑），樁體嵌入巖層深度不應大于7d。綜合分析不同山區地質勘察報告可知，軟質巖的側摩阻力大約為120 kPa，因此在山區橋梁樁基設計中建議樁體嵌入巖層深度控制在3～5d之間[4]。

在軟巖和強風化巖地帶橋梁樁基設計中，如果采用的樁型為摩擦型樁，應考慮不同樁基的沉降，重視差異沉降，盡量在設計中做到承臺與樁基一一對應;承臺設置應盡量避開破碎地帶。為提高安全儲備，在設計階段采用樁端后壓漿的措施，使樁基承載力進一步提高。如圖3所示，為強風化巖層設計的橋梁樁基礎。

2.3 溶洞與斜坡地段橋梁樁基優化設計

溶洞地區橋梁樁基設計的主要原則為“宜淺不宜深，優先保證承重頂板安全厚度”，綜合考慮巖層特征、上部荷載及樁長等因素，樁基嵌入巖層深度不得小于50 cm。然而，在實際的地形條件中，溶洞分布不是均質整齊的，設計過程采用的溶洞頂板厚度值與實際情況往往不相同，二者之間存在差異時，應根據地勘報告確定，甚至于對該區域重勘或詳勘。若溶洞頂板提供的承載力遠遠超過上部荷載時，樁基則不需要穿過溶洞，從而實現對樁長的優化設計，降低工程造價。圖4為樁底溶洞及樁的懸空。

巖溶地區橋梁基礎優化設計和處理措施如下：減小樁長，樁體不穿透溶洞頂板。提高對地質勘察的重視程度，采用多種手段相結合的方式探明區域內的溶洞情況，根據地質情況確定橋孔的選擇。若根據地勘報告，溶洞頂板厚度較大且上部覆蓋層較厚，這種類型的溶洞便不會再繼續擴散，在設計中可以將樁長縮短，樁端處于溶洞頂端即可，樁體無須穿越溶洞內部。為避免穿透溶洞頂板，縮短樁長的措施見表1。

若溶洞上部的巖層具備較好的完整度，層理發育好，具備足夠的承載力，當溶洞跨徑為樁徑的3倍以上時，溶洞頂板的彎矩是主要影響因素，通過計算分析溶洞頂板的受力，可以得到頂板的安全厚度。最小頂板厚度H按下式確定[5]：

若溶洞上部的巖層完整程度較好，層理發育好，具備足夠的承載力，當溶洞跨徑為樁徑比值小于3時，可通過溶洞頂板受到的剪切應力計算出頂板安全厚度H。

在斜坡地段對橋梁基礎優化設計時，應保證坡體的自然穩定性或采取加固措施后可以成為穩定體。應對斜坡體開展受力分析，避免將樁端設置于滑動面上部，避免滑坡事故對橋梁樁基的影響，使橋梁樁基具備足夠的穩定性。當前，針對斜坡地段上橋梁基礎的設計正處于起步階段，沒有規范參考，設計人員多依據設計經驗和工程實際開展優化設計。為了保證橋梁基礎的安全性能和提高設計的可行性，可將其簡化為樁基承載力影響范圍的計算。根據相關文獻，橋梁樁基處的樁前土體與斜坡體的臨空面距離為3倍樁徑以上，樁前土體不產生水平抗力，因此，對斜坡段上的橋梁基礎開展優化設計時，應保證橋梁樁基處的樁前土體與斜坡體的臨空面距離值不小于3倍樁徑。

巖溶區樁基礎設計應在探明溶洞的分布特征、位置、規模及類型后進行科學分析后進行，與實際情況結合起來。因此，如何有效利用好溶洞探測技術為工程建設服務是當前的重點研究方向，亦是未來一段時間橋梁工程、巖土工程及物探技術聯合解決的難題。

3 工程案例分析

貴州某公路連接線位于巖溶發育區，大量橋梁樁基穿過巖溶區域。該工程中的所有橋梁均采取鉆孔灌注樁。前期勘探時，部分巖溶區域未發現，在鉆孔過程中，孔內出現涌水、漏漿等問題，發現潛在溶洞。最常見的溶洞處理方法是回填，但如何回填、回填何種材料是施工的關鍵問題。該工程中主要采用石黏土作為回填材料。

在現場后續施工中，鉆孔樁施工中出現了卡鉆、塌鉆的現象，導致施工進度緩慢。在設計優化中采用了縮短樁長的第二種措施，利用群樁效應并結合地質先導孔的措施將這一問題進行解決。

4 結論

當前，山區不良地質情況主要有山區深厚覆蓋層、軟質巖、強風化巖、斷層破碎帶、斜坡地段、溶洞、濕陷性黃土等。該文通過對山區典型地質不良條件下橋梁樁基設計存在的難點進行分析，提出在山區不同不良地質條件下橋梁基礎的優化設計建議，保證橋梁基礎工程具備經濟性和合理性，為山區不良地質橋梁基礎的設計提供參考。

參考文獻

[1]賴慶文， 孫紅林. 山區巖石地基基礎設計問題探討[J]. 建筑結構， 2016（23）： 56-57.

[2]唐祖寧. 高強度基巖上橋梁嵌巖樁嵌巖深度的確定方法[J]. 中國市政工程， 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]. 中南大學學報（自然科學版）， 2012（7）： 17-19.

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

[5]王景山， 苗保民. 巖溶地區橋梁基礎設計研究[J]. 公路交通科技（應用技術版）， 2011（8）： 255-256+261.