巖溶地區某橋梁基樁設計與計算實例分析

郭闊

（吉林省交通規劃設計院，吉林 長春 130021）

巖溶地區某橋梁基樁設計與計算實例分析

郭闊

（吉林省交通規劃設計院，吉林 長春 130021）

隨著樁基施工技術與設計方法研究的不斷深入，巖溶地區橋梁樁基的設計理論、施工技術及處治方法的研究也日益重要。結合具體的工程實踐，系統總結了巖溶區樁基設計理論應用及巖溶病害處理措施，并應用于具體工程實踐，取得了良好效果。

巖溶；橋梁基樁；設計；實例分析

0　引言

端承樁是指樁端進入堅硬的持力層，如石灰巖、花崗巖等的一類樁體，其形式主要以大直徑鉆孔灌注樁為主。端承樁以單樁承載力高，樁體沉降小而被廣泛應用于各大工程中。然而端承樁需要使樁端達到一定的入巖深度，因此入巖后的施工難度也大大增加。已有試驗證明：在入巖深度為2倍樁徑處，出現嵌固力最大值，隨著入巖深度的增加，嵌固力呈螺旋線形消減；入巖深度達到5倍樁徑后，嵌固力已基本消失。巖溶地區端承型樁設計則有自己的特點，雖然國家規范還沒有明確的規定，但是實際工程設計中端承型樁的嵌巖深度一般為1.5 d（樁徑）左右，樁端持力層完整頂板基巖厚度不得小于3 d（樁徑）。盡管如此，巖溶地區的樁基設計中很多時候會出現滿足了嵌巖深度，但不能滿足持力層頂板厚度，滿足了持力層頂板厚度又不能滿足嵌巖深度的尷尬局面。因此，對于巖溶地區的端承樁在嵌巖深度的優化取值上顯得更加困難，也更加重要。

1　巖溶地區端承樁設計

1.1巖溶地區端承樁設計理念

實際工程中的大直徑鉆孔灌注樁，由于泥皮、成樁質量等影響因素的存在，嵌巖段樁側摩阻力并不能發揮到最佳狀態，因此在端承樁的設計中更應該注重樁端阻力的發揮。特別對于不良地質條件下樁端嵌巖深度和頂板厚度雙制約情況發生時，更應該做出合理的嵌巖設計。在綜合分析完整基巖和雙制約情況下端承樁的承載力特性后對巖溶地區的端承樁設計做以下建議：

（1）巖溶地區端承樁樁基選形以圓形截面樁為主，技術支持條件下宜采用“糖葫蘆”形變截面樁、螺旋形截面樁、樁端擴大頭樁[1]。

（2）巖溶地區端承樁樁基樁徑應根據設計承載力確定，并兼顧樁端持力層溶洞影響。

（3）巖溶地區端承樁樁長設計應根據地質條件確定。當完整基巖厚度小于3倍樁徑，基巖裂隙發育時，樁端應穿越溶洞進入下層基巖。

（4）巖溶地區端承樁嵌巖深度確定應遵循“宜淺不宜深，優先保證頂板安全厚度”的原則。嵌巖深度可根據基巖的特點在1 d～3 d范圍內取最優化值。

（5）盡量減小泥皮的不良影響，當頂板厚度接近臨界值時，可適當保留樁底一部分沉渣，發揮最大的樁身側摩阻力，減小樁端承力。特別是對于長度小于30 m的短樁，應考慮樁側摩阻力的發揮情況。

（6）對于引江、海工程，若上覆蓋層為較厚的淤泥質土，土性較差，應適當地增加樁端嵌巖厚度，宜取3 d～6 d，一方面保證嵌巖段的側摩阻力，另一方面有效地提高樁基的抗傾覆能力，減少樁基的偏位。

1.2巖溶地區樁基設計理論

由于巖溶發育造成的復雜工程地質條件，橋梁設計時的有關地基設計參數如何取值一直為設計者所關注。合理的參數值，既可保證橋梁工程的質量，又可降低工程造價。通常情況下，巖溶地區的樁基設計考慮兩種情況：（1）巖溶現象只在埋深較淺的局部出現，樁基可以穿過溶洞嵌入完整的持力層內，樁尖以下沒有溶洞，與一般的端承樁差別不大[2]。（2）溶洞埋深較深或者多層溶洞出現，樁基貫穿所有溶洞困難，樁底持力層除了要有嵌巖深度外，還要考慮樁底巖層的抗沖切力，保證樁尖至溶洞頂有一定安全厚度，這一安全厚度設計中甚至要達到5倍樁徑。上述設計處理方案能夠滿足一般巖溶發育情況，但當巖溶特別發育，如多層溶洞出現，鉆孔深度30 m左右尚無厚度8 m以上的完整巖層時，就無法在滿足嵌巖深度1 d～2 d的同時保證5倍樁徑的溶洞頂板厚度。

對樁位下較深范圍內，有密集型溶洞和完整巖性埋置較深的情況，或者溶洞分布較淺、頂板較薄無法滿足端承樁要求時，可考慮采用摩擦樁，并應考慮基礎的不均勻沉降。此時，頂面巖溶層與樁之間亦應采取隔離措施，不得考慮樁身與該頂面巖溶層之間的摩阻作用[3]。置于巖溶地區溶槽或溶溝處的樁基礎，當樁穿過溶槽、溶溝內的填充土支立于溶槽底面或溶溝底面的巖層上時，不應考慮多層巖溶層對樁側起摩阻作用，僅將這種摩阻作用視作安全儲備。通常不僅不應考慮多層巖溶層對樁側的摩阻作用，而且在鉆孔灌注樁施工過程中應采取措施將多層巖溶層與樁壁之間分隔開，使基樁承受的軸向荷載全部作用于樁底的堅固巖層上，可按支立于一般巖層上的柱樁分析方法進行樁的內力分析。樁的軸向容許承載力應根據溶槽或溶溝底面巖層的穩定性包括強度和縫隙等情況確定。巖溶地區的巖石裂隙發育，賦存豐富的裂隙水和巖溶水，樁基施工可能會出現滲水、漏漿，樁底沉淀土難以清除，在設計中應不計樁尖抗力的作用，以策安全。此外，設計時應重視樁基負摩擦力的影響[4]。一般地基土石在擾動之后都會在自重的作用下固結下沉，特別是由于大量開采地下水而導致地基軟弱層相對樁基固結下沉，因而產生一個向下的摩擦力，即負摩擦力，從而增加了樁基所承受的軸向荷載，甚至可能導致樁基破壞。因此施工時，考慮在中性點以上消除負摩擦力的影響。克服負摩擦力的方法與解決巖溶層樁基破壞方法相似，但本質不同。對于巖溶地區的嵌巖樁，目前相關規范還沒有規定樁底以下完整基巖的厚度。因此，要結合實際情況，采用適當的樁基形式和計算方法。當橋梁墩臺下地基有呈上下成串分布的溶洞時，在充分探明溶洞最下層分布的前提下，宜采用直徑小于1.5 m的鉆孔灌注樁。若上面成串分布的溶洞均較小，且有填充物時，可在鉆孔至空洞時，先行壓漿加固填充，待其凝固到一定強度后再依次往下鉆孔壓漿，直至按摩擦樁計算所需的樁長[5]。

2　工程概況

2.1巖溶塌陷現象

某施工中的引橋長度為865 m，共28跨，0#～23#墩上部為30 m小箱梁，23#～28#墩上部為35 m小箱梁。跨徑組合為(23×30+5×35)m。下部結構均采用分幅T型板墩，30 m跨采用2.5 m厚承臺配2根D160 cm的鉆孔灌注樁，35 m跨采用3 m厚承臺配2根D180 cm的鉆孔灌注樁，均按端承樁設計，如圖1所示。樁基要求進入單軸抗壓強度大于10 MPa的微風化巖石，嵌巖深度為1.5倍樁徑，持力層不低于4 m。引橋0#～16#墩區域發生地面沉陷，影響范圍沿路線方向長約500 m，寬60 m，總共發生五處較大地面沉陷，其中6#墩附近的地面沉陷最大最嚴重，直徑約50 m。橋位附近的魚塘和養豬場也有不同程度的影響。15#墩塌如圖2所示。

圖1　引橋端承樁設計圖

圖2　15#地面墩塌

引橋14#B樁沖進至標高-37.821 m，地質鉆探資料顯示為-38.66～-37.86 m為溶洞，全填充，充填粉質黏土夾砂，發生嚴重漏漿事故，孔內水頭標高一下損失20 m左右，沖機操作手迅速將錘往上提，提3 m左右沖錘已拉不動，同時施工人員發現樁基鋼護筒開始往下沉，下沉距地面約3 m周圍地層也開始慢慢下沉。該孔位由于有溶洞，根據項目部的施工方案，該孔在開沖前下沉鋼護筒13.5 m，然后對該處溶洞進行孔內溶洞單孔壓漿處理，共壓了99.1 t水泥漿。凌晨一點十分，管理人員發現在距6#墩樁位約30 m處的混凝土路面15#墩右幅墩位開始下沉，路面開始變形，接著該處地面也開始大面積慢慢下沉，范圍越來越寬，最終發展為直徑約40 m的大坑。約半小時后，施工人員發現3#～7#墩范圍內地面有不同程度的開裂，并伴隨著慢慢下陷，最終都發展為幾十米直徑范圍的大坑，其中6#墩附近的預制場地面下陷最為嚴重。另外，橋位外的魚塘和養豬場也有不同程度的坍塌。

2.2引橋樁基溶洞分布情況

（1）O#～18#墩地質鉆探資料：20～30 m粉（細）砂層、2～10 m中粗砂、風化巖、微風化巖。覆蓋層砂層厚，自穩性差，巖層裂隙發育，溶洞相對較少，但個別溶洞超深。10#B樁有層深10.3 m，取樣均為微風化灰巖，在終孔位置(-51.865 m)發生漏漿，估計裂縫較發育，18#C溶洞呈串珠狀分布，層深1～3 m，擴散深度深達37.7 m的溶洞。

（2）19#～23#墩：征地原因，地質未鉆探。

（3）24#～27#墩地質鉆探資料：20 m粉（細）砂層、15 m卵石層、巖層；覆蓋層砂層厚，自穩性差；巖層裂隙發育，溶洞較發育區；基本每條樁基都鉆探發現存在溶洞，少則一二層溶洞，多則八九層溶洞。

3　巖溶樁基驗算分析及塌陷災害處置

塌陷前引橋各橋墩施工情況匯總如下（同一橋墩位置樁基編號以沿路線前進方向從左向右依次為A、B、C、D）。+1.6 m樁基：50條，集中在1#～15#墩，1#ABCD、2#BCD、3#ABCD、4#AJ13CD、5#ACD、6#ABCD、7#ABCD、8#ABCD、9#ABCD、10#ACD、11#D12#ABCD、13#ABCD、14#ACD、15#B。+1.8 m樁基：6條，24#ABD、27#ACD（南引橋16#～28#墩，除24#、28#墩，其余墩未施工）；承臺12個，1#墩、3#墩、4#墩左右幅，6#墩、7#墩、8#墩左右幅。墩身：3個，3#墩左右幅，4#墩左幅。由于地面塌陷時樁側土體對樁身的作用機理及力的大小沒有相應的理論及計算公式，塌陷時沙層分層流動的情況未知，塌陷后土體的內力布置狀況未知，難以準確分析樁身的實際受力情況。本次樁基驗算分析采用包絡理念，試算在不同假定狀況下的樁基受力，力爭能相對合理地模擬樁基實際受力狀態，得出相對較為合理的評價。樁基建模采用綜合分析程序MIDAS/Civil 2006，樁基按m法進行分析，分析采用了三種計算模式進行模擬。

計算模式一：樁基處在塌陷后斜坡坡面上的情況，接近此類情況的樁基共11根，具體為3# ABCD、5#ACD、6#AB、7#AB。

計算模式二：樁基處于塌陷中心區域，周圍塌陷后地面線較為平整，樁基外露一定高度的情況。接近此類情況的樁基共4根，具體為4#ABCD。

計算模式三：樁基處于塌陷區之外范圍，地面未出現明顯垮塌（或沉降）的情況。此類情況的樁基共35根，具體為1#ABCD、2#BCD、6#CD、7#CD、8#ABCD、9#ABCD、10#ACD、11#D、12#ABCD、13#ABCD、14#ACD、15#B等。

每種計算模式按承臺是否施工分成I類和Ⅱ類。I類為承臺未施工的情況，其按單根樁建模分析；Ⅱ類為承臺已施工的情況，由于橫橋向樁頂（承臺）發生偏位，需建立樁與承臺的框架模型計算分析。綜合計算分析，初步判定27根樁基未超過理論極限強度，23根樁基已超過理論極限強度。

4　巖溶樁基處理

4.1已施工樁基的不糾偏利用措施

對偏位較小，未超過理論極限強度的樁基，可直接利用；對偏位稍大，但未超過理論極限強度的樁基，采用在樁周旋噴樁處理后利用，地表承臺周圍回填碎石土并壓實。對部分橫向偏位較大需打掉承臺釋放彎矩的樁基，采用樁周旋噴處理，填充樁側空隙[6]。

4.2已施工樁基的糾偏后利用措施

對回填前后驗算均未超過理論極限強度，在與運營荷載組合后，驗算超過理論極限強度的樁基，需將樁基糾偏在容許的偏位范圍內后利用。通過樁頂或承臺施加與偏位反向力等措施，使樁基復位。反力點可考慮鄰近反方向樁、計算后已廢棄樁、地面堆載等作為糾偏拉力反力點，在樁基偏位反方向側鉆孔，解除一定深度的樁周土體約束。糾偏后先旋噴反方向側后，再進行鉆孔回填，以保證樁基穩定。

4.3補樁處理措施

對需糾偏的樁基，由于處在塌陷區范圍之外或回填完成，根據現場糾偏的情況，糾偏效果不理想，據此改用補樁處理方案。

5　結　語

巖溶地質中的樁基施工復雜而充滿許多不明因素,必須在施工前、施工中和施工后采取有效措施進行控制、檢查,以保證樁基質量,消除隱患。

（1）加強設計及施工前的地質鉆探,盡可能提供詳實的地質資料,做到一樁一鉆,個別樁位則要一樁多鉆[7]。

（2）對于溶洞、失漿、坍孔、傾斜巖面等情況,要制定有針對性的切實有效的措施。

總之，在處理溶洞時應根據實際地質情況，綜合考慮各種因素，選用安全、經濟、合理有效的設計及施工處理方法，以保證工程質量和施工安全，縮短工期，降低工程造價。

[1]周磊.巖溶區嵌巖樁承載特性及其設計方法研究[D].長沙：湖南大學,2010.

[2]李修虎.橋梁樁基在巖溶地區的施工技術探究[D].合肥：安徽理工大學,2014.

[3]何鵬祥.巖溶區橋梁樁基施工技術及設計方法研究[D].長沙：湖南大學,2002.

[4]劉曉明,何青相,趙明華.巖溶地基上橋梁樁基設計優化方法研究與實例[J].中南大學學報：自然科學版,2014（5）:1653-1658.

[5]尹平保.陡坡段樁柱式橋梁樁基設計計算方法及試驗研究[D].長沙：湖南大學,2013.

[6]蘇冠峰.多層巖溶區橋梁基樁豎向承載性狀試驗研究[D].中南林業科技大學,2015.

[7]龔先兵,趙明華,楊明輝,等.巖溶區橋梁基樁極限承載力的突變求解方法[J].公路交通科技,2012（11）:53-57，74.

U443.15

B

1009-7716（2016）10-0080-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.10.024

2016-06-28

郭闊（1983-），男，遼寧鐵嶺人，工程師，從事橋隧設計工作。