巖溶地基條件下橋梁樁基設計要點分析

收稿日期：2024-01-22

作者簡介：劉雙林（1987—），男，本科，工程師，研究方向：公路與橋梁設計。

摘要 為了解決巖溶地基條件下進行橋梁基礎設計的難點問題，文章以貴州省黔東南州錦屏縣新化大橋工程為例，結合工程區域巖溶地基條件對橋梁樁基設計要點進行研究分析。通過對橋梁上、下部結構設計以及橋面設計的要點和技術指標設定，結合工程地質勘察報告，基于巖溶地基條件下橋梁樁基設計的原則，考慮樁基承載能力及變形要求，合理進行樁基設計可以有效提高橋梁的承載力和穩定性，為巖溶地基條件下的橋梁樁基設計提供了方案支撐和技術保障。

關鍵詞 巖溶地基；新化大橋；樁基設計；技術指標；設計要點

中圖分類號 U443.1文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）11-0108-03

0 引言

在巖溶地基條件下進行橋梁樁基設計，需要綜合考慮地質條件、工程要求和施工條件等方面因素。橋梁樁基設計前，必須對工程區域開展地質勘察，以了解巖溶地基的具體分布、規模、形態以及巖溶發育程度等情況，還要掌握工程區域的地下水水位、流向和變化規律等信息[1]。根據地質勘察結果和工程要求，巖溶地基中一般選用的樁基類型包括端承樁和摩擦樁，其中端承樁適用于巖溶較發育、樁基承載力要求較高的區域；摩擦樁適用于巖溶不發育、樁基承載力要求較低的區域。

1 工程概況

新化大橋位于貴州省東南部，黔東南苗族侗族自治州錦屏縣新化鄉境內。原橋為3 m×30 m空腹式等截面懸鏈線無鉸石拱橋，矢跨比F/L=1/6，拱圈厚度0.8 m。由于原橋修建年代較早且橋梁設計汽車荷載等級低，近年來現行交通量又不斷增加，已經不能滿足安全通行要求，必須進行危橋改造。改造后的橋梁主要技術標準：跨徑和橋型呈3 m×30 m裝配式預應力混凝土T形梁橋，橋梁全長100 m，全寬10 m，汽車荷載等級為公路-I級，橋面橫坡設計車道為雙向2%，橋面縱坡設計為+0.5%、0.0%、?0.5%，設計洪水頻率為1/50，橋頭引道公路等級為四級。橋梁橫斷面（跨中）如圖1所示。

2 工程區域地質特征

橋梁建設區內特殊地質主要為巖溶地基，兩岸橋臺基礎均位于巖溶發育區橋位區，地貌類型為河流階地地貌，兩岸地形平緩，新化岸為新化鄉集鎮，隆里岸橋頭為居民區，地形標高363.30～374.74 m，相對高差11.14 m。根據大橋《地質勘察報告》顯示，橋位場地地層巖性與巖土構成如下。

2.1 覆蓋層

第四系填筑土（Qme）：橋結構塊石混凝土，結構呈中密—密實狀態，形態稍濕，屬于硬土Ⅲ級。第四系沖洪積（Qa1+p1）泥沙：呈黃褐色，有明顯的黏著感，結構呈稍密—中密狀態，形態飽和，屬于普土Ⅱ級。第四系沖洪積（Qa1+p1）卵石土：呈雜色，卵石主要成分為灰巖，粒徑尺寸為4～8 m，磨圓度較好，結構呈稍密—中密狀態，形態較飽和，鉆孔顯示厚度為2.5～8.6 m，主要分布于河道上，屬于普土Ⅱ級。

2.2 基巖

橋梁區域下伏基巖為二疊系下統茅口組（P1m）灰巖，按風化程度劃分為強風化和中風化兩種類型，其中強風化灰巖為灰色，其節理裂隙很發育，節理間隙被黏土充填，巖體較為破碎，巖質也較為松軟，巖芯多呈塊狀或碎塊狀，采取率一般為70%左右，鉆探揭露厚4.4～7 m，為軟石Ⅳ級。中風化灰巖呈深灰或灰黑色，呈中厚層狀，巖體完整且巖質較硬，巖芯多呈柱狀或短柱狀，采取率一般為93%，為次堅石Ⅴ級。橋臺工程地質縱面如圖2所示。

圖2 橋臺工程地質縱面圖

3 巖溶地基條件下橋梁樁基設計原則

根據地質勘察結果和樁基類型計算樁基的承載力，需要考慮工程區域地基巖溶發育程度、樁身截面尺寸、樁長、樁底持力層等因素，還要考慮施工誤差、基礎沉降等因素的影響。結合調整樁徑、樁長、樁間距等參數對樁基設計進行優化，提高樁基的承載力和穩定性。樁基作為上、下部結構與地基之間的連接部分，由于上部結構的荷載作用，會使樁基與土層之間產生一定的相對位移情況，要按照《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）中橋梁作用的分類對樁基開展設計[2]。

3.1 巖溶地基條件下的樁基荷載

公路橋梁設計中橋梁承受的作用可以分為永久作用、可變作用、偶然作用和地震作用。永久作用即在結構設計基準期間，其值不隨時間變化，或其變化與平均值相比可以忽略不計，如結構自重、土壓力、預加應力等。可變作用即在結構設計基準期間，其值隨時間變化，且其變化與平均值相比不可以忽略不計的荷載，如汽車荷載、汽車制動力、風荷載等。偶然荷載一般是指結構的設計使用期內偶然出現（或不出現），其數值很大、持續時間很短的荷載。

3.2 巖溶地基條件下的樁基類型選擇

由于樁基承受著橋梁上部建筑與通行車輛等各種荷載，樁基的選擇要充分考慮工程地質狀況和環境的影響，這些因素會影響樁基的支撐方式、截面大小、長度和樁基的施工用量和施工方法。根據承載力性狀分類，可將樁基分為端承樁與摩擦樁[3]。在巖溶地區，當巖層埋深較淺時，可以采用端承樁；當基巖面起伏很大基巖埋深較大或基巖下溶洞發育強烈，或樁端沒有較好的持力層時，可以采用摩擦樁。端承樁通常需要深入土層深處并設置在堅硬的巖層上，依靠下方巖層的支撐來承擔上部結構的荷載，這種樁體通常不會產生相對位移現象，也不會產生摩擦力；摩擦樁通常應用于土層較厚的區域，在樁基長度無法抵達硬土層或者其他可靠持力層時，樁的荷載就主要依靠樁身和周圍土層之間的摩擦力承擔，此時樁端處土層或者巖層的反力較小[4]。工程項目位于巖溶發育區，溶洞埋深較淺，樁基設計采用端承樁嵌入溶洞以下的完整基巖內，樁基設計參數如表1所示。

表1 橋梁樁基礎設計參數表

墩臺號 墩臺高/m 孔跨/m 樁基布置 樁長/m

0 5 30 5 ?1.5 m 23

1 7 2 ?1.6 m 12

2 7 2 ?1.6 m 12

3 5 5 ?1.5 m 23

3.3 巖溶地基條件下的樁基間距設定

巖溶地基條件下，橋梁樁基的間距要求是確保樁基施工安全和質量的關鍵因素之一，橋梁樁基的間距要根據實際情況進行合理的設計和控制。根據不同的施工方法，如挖孔灌注樁和擴底鉆灌注樁，間距的合理范圍也不同。為了確保橋梁樁基的穩定性和安全性，還要考慮其他因素的影響，例如要根據樁端基巖的厚度、溶洞的大小等因素先進行抗彎強度驗算，還要綜合考慮地質條件、樁基類型、施工方法、基礎結構以及巖溶發育程度和規律等多種因素進行設計和控制，確保施工質量和安全。如果巖溶發育較為復雜，存在大型溶洞或連通性較好的溶洞網絡，樁基間距應適當增大，以避免樁基施工時發生漏漿、塌孔等事故。為了減小承臺體積和項目造價，可以適當減小樁基間距，但需要滿足施工工藝要求和樁基承載力要求。根據不同的樁基類型和施工方法，樁基間距的要求也有所不同。例如，對于人工挖孔樁，由于施工難度較大，樁基間距一般不宜小于2倍的樁徑；而對于擴基樁，樁基間距應根據擴基段的設計直徑和施工工藝要求確定，確保施工質量和安全。

3.4 樁基單樁豎向極限承載力設計計算

樁基是橋梁的重要基礎部分，樁基的設計條件和限制都存在一定差異，設計過程中既要考慮橋梁自身基礎軸心受力和偏心受力的影響，還要考慮自然環境因素的影響。根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG 3363—2019）第6.3.7條[5]，對支撐在基巖上或嵌入基巖中的鉆孔樁進行受壓承載力計算，其單樁軸向受壓承載力特征值Ra可按式（1）計算：

（1）

式中，c1——根據巖石強度、巖石破碎程度等因素而確定的端阻力發揮系數；Ap——樁端截面面積（m2）；frk——樁端巖石飽和單軸抗壓強度標準值（kPa）。在樁基的設計過程中承載力的計算非常關鍵，樁基承載能力計算是驗算樁基設計滿足規范要求的有力支撐，是確定樁基穩定性的重要保障，對整個橋梁結構的安全使用至關重要[6]。為驗算該工程實例中樁基設計滿足規范要求，對每個樁基進行了承載能力計算，計算結果如表2所示。

表2 橋梁樁基礎承載力安全系數表

墩臺號 樁基類型 基樁

承載力/kN 基樁豎向力

設計值/kN 安全系數

0 端承樁 29 359 5 280 5.56

1 33 404 9 311 3.59

2 33 404 9 311 3.59

3 29 359 5 280 5.56

表2計算結果顯示，橋梁各樁基的安全系數均大于1，表明該橋梁的樁基設計能夠滿足建設標準和要求。

3.5 巖溶地基條件下的樁基施工技術設計

在巖溶地基條件下，巖溶的分布情況和埋深情況可通過地質勘察報告得知，但巖溶的形狀及大小是很難明確的，這就給樁基施工帶來了一定困難。因此，需要根據巖溶的發育情況、巖溶見洞率和巖溶大小等方面特征，采取不同的施工方法。常用方法有回填法和套內護筒嵌入法，兩種方法各有優缺點，要結合工程地質條件、項目情況及施工條件擇優選擇，既要保障施工質量又不能造成資源浪費。工程實例中，橋臺處溶洞形狀及大小無法有效明確，故樁基設計采用穿過溶洞，施工采用套內護筒嵌入法。樁基施工務必要達到設計要求的嵌巖深度和地基承載能力，也要注意基巖易水解軟化的情況，樁基成孔后應及時進行混凝土灌注施工。在樁基施工之前，還要提前檢查樁底沉渣情況，樁底沉渣深度不得大于5 cm。

4 巖溶地基條件下橋梁樁基施工分析

巖溶地基條件下橋梁樁基施工質量控制，既要解決橋梁樁基鉆孔問題，又要優化橋梁樁基灌注施工質量控制，通過控制樁基施工方法和樁基成孔方式來提高橋梁樁基施工效果。在巖溶地基條件下，橋梁樁基施工中鉆孔失誤的概率大大增加，當鉆孔突然出現塌孔現象時，要及時停止鉆孔并查明原因，避免巖溶過大造成二次塌孔，必要時要調整樁基施工方法及成孔方式。為了控制橋梁樁基承載力，要優化灌注樁施工質量，避免樁基擠壓，控制好樁基之間的距離，通過控制導管拔管的速度來規避樁基發生斷裂等險情。考慮溶洞對鉆孔的影響，設計時要重點關注溶洞的具體分布情況，要通過現場勘察分析，及時調整優化施工設計方案，可以采用加長樁基鋼護筒的方式穿過溶洞，確保樁基順利成孔，為樁基后續施工的有效推進奠定基礎。

5 結語

在巖溶地基條件下，橋梁樁基設計是確保橋梁安全和穩定的關鍵因素，要綜合考慮多種因素并進行詳細的勘察和計算，通過優化設計、選擇適合的樁基類型和施工工藝、加強施工監測等因素，確保樁基的施工質量和安全。該文以貴州省黔東南州錦屏縣新化大橋工程為例，對巖溶地基條件下橋梁樁基設計進行了探討，包括樁基類型、設計原則、計算方法、施工方法等方面進行了研究。通過對比分析，總結出不同地質條件下樁基設計的最優方案，通過合理的樁基設計施工，減小了橋梁的沉降和變形，提高了橋梁的使用壽命和安全性，可以為類似工程提供參考和借鑒。

參考文獻

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