巖溶地區橋梁樁基的設計研究

郝曉光

中交路橋技術有限公司，北京 100029

1 小碧大橋巖溶發育區橋梁的工程概況和設計

1.1 工程概況

小碧大橋是湖南省長沙到韶山至婁底高速公路上的一座大橋，處于婁底市境內，為了避開高達16m的溶洞，左右幅分開設立，左幅中心樁號為ZK96+760，孔跨為5×30+3×40+5×30，右幅中心樁號為YK96+760，孔跨為6×30+3×40+5×30，簡支轉結構連續，單幅橋寬12.75m。下部采取雙柱式墩臺，鉆孔灌注樁基礎，樁徑1.2m～2m，全橋樁基62根，最大樁設計28.0m。

橋區地質復雜，極易發育巖溶， 有暗河和多層溶洞，溶洞最高達16m。巖溶發育區帶主要有以下特征：

1）多為覆蓋型巖溶，填空物為流塑狀粘土的填充或半填充狀態，有極少空洞，巖溶頂板埋深普遍15m～20m；

2）巖溶以溶溝、溶槽為主，形態各異，溶洞發育良好。

小碧大橋地表層為第四系覆蓋，通常為5m～18m；石灰巖為下伏基巖。地表水多為巖溶水、基巖裂隙水和松散巖孔隙潛水。

1.2 基礎設計

1.2.1 樁底持力層安全厚度的計算方法

設計巖溶地區嵌巖樁樁基，應選擇溶洞的下方微風化或中風化基巖作為樁端支撐，并最好由上方巖溶的發育帶及溶洞層穿過。至于下覆很深的多層溶洞地帶，樁基不能完全穿過溶洞層，而樁端受力層是溶洞頂板巖層時，準確估算出持力層厚度是最重要的設計精華。

1）按溶洞頂板彎矩控制估算

當溶洞頂板巖層強度比較高、層理比較厚、且較為完整而洞跨較大時(大于3倍直徑)，彎矩是重要控制條件，可由梁板的受力狀況來算，持力層板厚最小為：H =[6 M /(q[σ])]0.5

式中： q為溶洞頂板本身重量加覆蓋層均布荷載(k N /m)；[σ]取灰巖1/10容許抗壓強度（MPa）；M為彎矩。

由頂層巖石的完慗度來分別按懸臂梁、固端梁、簡支梁3種情況計算：（1）如溶洞頂板周圍完整，樁基基底(即溶洞頂板跨中)有裂痕縫隙時 ，按懸臂梁計算 ，M = ql2/2+pl ；（2）如溶洞頂板周圍有裂縫，而樁基基底(即溶洞頂板跨中)較完整，按簡支梁計算 ，M = ql2/8 +pl /4；（3）如溶洞頂板均完整 ，按固端梁計算 ，M = ql2/12 +0.7 pl /4，樁尖對溶洞頂板的集中承受力用p表示。

2）按剪切應力控制估算

如溶洞頂板巖層完整、且巖體堅硬但洞挎較小時（小于3倍樁徑），溶洞頂板破壞的重要控制條件是抗剪切力 ∶H = (q +p )/(τl)式中：溶洞頂板自重及覆蓋土層均布荷載(k N/m)用q表示；樁尖對溶洞頂板的集中力（kN）為p ；而τ對于灰巖取1/ 12容許抗壓強度（MPa），為溶洞平面周長（m） 。

由上面兩種力學計算模式得知， 按溶洞頂板溶蝕、裂隙大小及是否完整，用摩擦樁和嵌巖樁兩種情況分析計算H大橋多層溶洞樁端持力層厚度。其中嵌巖計算無溶蝕、裂隙現象的持力層，而摩擦樁計算溶蝕、裂隙嚴重的溶洞頂板。

1.2.2 樁基設計

1）放置巖溶地點的溶槽、溶溝處的樁基礎，如樁穿過溶槽、溶溝內的填充土在溶槽底面或溶溝底巖層上時，可按支立于普通巖層上的柱樁分析法進行樁的內力研究。樁的軸向最大承載力則由溶槽或溶溝底巖層是否穩定性（包括強度、縫隙大小等）確定；

2）如橋梁墩臺下面的地基有上下成串的溶洞時，而又完全清楚了解溶洞最底層分布的狀況下，最好采用直徑≮ 115 m的鉆孔樁；

3）設計時應重視負摩擦力對樁基的影響。地基土石一般在受擾后都會在自重的影響下固結下沉，尤其是大量開采地下水而致使地基軟弱層與樁基固結下沉從而產生的向下摩擦力（即負摩擦力），使得樁基的軸向荷載力增加，并極有可能破壞樁基；

4）如基樁進入多層巖溶層支立于堅固的巖層上時，對多層巖溶層對樁側的摩阻影響不用考慮，可將摩阻影響當作安全儲備。這是由于巖溶層與樁側間的摩阻影響，與一般土與樁的摩阻影響有本質上的區別。如多層巖溶層與樁側粘結成一體，樁身軸向荷載怎樣分給單巖層，這個問題很復雜，極可能某一巖溶層與樁身粘結處，由于受力集中而首先發生摩阻破壞而致使整個樁基礎破壞。一般多層巖溶層對樁側的摩阻影響不用考慮，鉆孔灌筑樁施工時應想法將多層巖溶層與樁壁分隔開，按柱樁設計讓樁底的堅固巖層作為基樁承受的軸向荷載體。

2 巖溶地區龍塘互通C匝道橋基礎的樁基設計

位于湖南省龍塘鎮境內的龍塘互通C匝道橋是二連浩特～廣州、長沙～婁底兩條高速公路主干線相交的T型半定向式工程，其所在區域是明顯的喀斯特地質特性。

2.1 摩擦樁

由橋梁結構情況，運用單排樁和群樁擴大基礎。較薄的上覆土層、摩阻力提供不足、而溶洞頂板薄且分布較淺，無法達到嵌巖樁標準時，樁基則要穿過溶洞群。設計時樁身混凝土與巖石粘接要完好，并由以往相關試樁結論、巖石的抗剪強度，巖石的最大摩阻力遠超過普通土的最大摩阻力及樁底沉淀土的抗壓力。

2.2 嵌巖樁

對于地質的不同情況，樁基類型及嵌巖要求要因情況而定。

1）單排樁和群樁。這類樁基多用于地質情況相關不大的同一墩臺位，主要使用在橋梁樁基較寬及孔徑較大的橋梁，從而達到寬橋的橫向穩定性標準及較大單樁軸向受壓承載力的容許范圍。為力求各樁受力均衡，樁底必須在同一巖層，保證樁底以下2m的巖性完整，樁底巖石極限抗壓強度〔σ〕≥3.0mPa，嵌人弱風化巖深度≥1.0m。

2）獨柱單樁樁基。這種樁基多用于孔徑較小和橋梁寬度不大且墩位較深范圍內溶洞密集、而完整巖性隱藏較深的情況下。為了使樁柱有較大的抗彎度、橋梁穩定性好，上部應構造為3孔19.0m連續板，橋寬為8.50m時采用單樁獨柱樁基，樁柱直徑相同D≥1.50m。樁底以下不得小于3.0m，深度須具有完整的巖性，樁底巖石單軸極限抗壓強度為〔σ〕≥4.0mPa，嵌人弱風化巖深度h≥1.5m。

3）單樁軸向受壓容許承載力及嵌巖深度的確定橋規中規定，嵌巖樁單樁軸向受壓容許承載力[P] = (C1A+C2Uh)Ra ，式中 ——為嵌巖深度（不包括風化層）。

由此可知，樁底反力及樁的側摩阻力是樁承載力考慮重點。該公式完全適用于當清孔干凈，樁底支撐理想，樁的豎向位移很微小及樁底巖石完整且高強度時。而側摩阻力較小的土層如嵌巖深度以上的覆蓋層，土層側摩阻力影響可不作考慮，也可用這公式計算。

3 結論

因巖溶地區橋梁樁基礎的設計受地質、水文等因素影響很大，更改設計會給工程質量、投資、工期帶來損失。因此，要與建設、設計單位協調好。樁基的設計可根據施工的實際情況及勘探設計原則及時更改，從而順利完成樁基施工。

[1]張洪煦.巖溶地區橋梁的工程設計與研究[J].中國巖溶，2009(8).

[2]劉新發.橋梁樁基設計研究[J].城市建設，2009(1).