巖溶地區(qū)公路橋梁樁基設(shè)計(jì)分析

文/趙睿、趙康

1 前言

在對(duì)橋梁樁基進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，查明地下巖溶分布及其發(fā)育程度，確定適宜的樁基類型及其豎向承載力，以此保證樁基質(zhì)量對(duì)設(shè)計(jì)人員而言是必須引起重視的問(wèn)題。

2 工程概況

某高速公路地處云貴高原東北部，場(chǎng)區(qū)屬溶蝕-侵蝕低中山地貌單元，屬中等切割的侵蝕-溶蝕中山地貌和溶蝕槽谷及溶蝕峰叢相間地貌。場(chǎng)區(qū)地面標(biāo)高介于974.1～1144.7m，相對(duì)高差約170.6m。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：雙向六車(chē)道高速公路，設(shè)計(jì)速度100km/h，路基寬33.5m；荷載等級(jí)：公路-Ⅰ級(jí)；屬于典型巖溶發(fā)育、斜坡地形。

3 設(shè)計(jì)問(wèn)題

3.1 樁基承載性狀分析

樁基承載性狀分析是指對(duì)巖溶地質(zhì)中樁基受力性能與影響因素的分析。根據(jù)以往研究成果，對(duì)于巖溶地質(zhì)條件下的樁基，其受力性狀主要具有以下特點(diǎn)：首先，樁基的受力性狀與成樁方法、上層巖土特性、樁長(zhǎng)與樁徑之比、持力層巖性有關(guān)；其次，龔成中通過(guò)對(duì)巖溶地區(qū)樁基承載特性的研究分析指出，對(duì)于樁長(zhǎng)和樁徑之比在20 以上的樁，其受力主要是樁側(cè)摩擦力，樁端力相對(duì)較小，即具有摩擦樁特性；再次，對(duì)于樁徑較大但樁長(zhǎng)較小的樁，由于變形很小，所以承載力由樁端巖層提供，其受力屬于端承樁或嵌巖樁；最后，樁基承載力會(huì)受到很多因素的影響，如溶洞高程、大小、頂板厚度、邊界條件、裂隙、填充、樁基之間的相對(duì)偏位、圍巖特性等。在實(shí)際的樁基設(shè)計(jì)工作中，對(duì)樁基的受力性質(zhì)進(jìn)行分析，綜合考慮可能對(duì)施樁基受力造成影響的因素，保證設(shè)計(jì)安全性與合理性，是設(shè)計(jì)人員需要關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題，同時(shí)也是一個(gè)難點(diǎn)所在[1]。

3.2 承載力計(jì)算

規(guī)范針對(duì)樁基提出的承載力，并確定方法有一定適用條件。對(duì)摩擦樁而言，其承載力由兩部分構(gòu)成，即樁側(cè)摩阻力與樁端支撐力。其中，摩阻力和樁基與巖土之間的相對(duì)位移及地層自身摩阻力直接相關(guān)；對(duì)嵌巖樁而言，其承載力由三部分構(gòu)成，分別為上覆巖土的側(cè)摩阻力、進(jìn)入巖層后的摩阻力及樁端巖層提供的端阻力，具體的承載力大小會(huì)受到以下因素的影響：上覆巖土物理力學(xué)特征、樁長(zhǎng)與樁徑之比、嵌巖深度、持力層特性。因特殊巖溶的存在，樁基荷載傳遞及受力性狀都不清晰，且承載力計(jì)算不可采用規(guī)范公式進(jìn)行，由此工作人員要做到具體問(wèn)題具體分析，否則將導(dǎo)致樁基局部破壞。除此之外，在承載力計(jì)算過(guò)程中還應(yīng)充分考慮樁基質(zhì)量，對(duì)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)折減[2]。

3.3 樁基嵌巖深度

《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3363－2019）提出，對(duì)于嵌巖深度不超過(guò)0.5m的樁，需對(duì)其承載力進(jìn)行適當(dāng)折減，但對(duì)具體深度沒(méi)有強(qiáng)制要求，這樣會(huì)給習(xí)慣于采用規(guī)范公式進(jìn)行計(jì)算的人員造成不便；另外，規(guī)范針對(duì)河床巖層有沖刷現(xiàn)象的樁基嵌固給出了明確要求，同時(shí)還提出了嵌巖深度相關(guān)計(jì)算公式。但由于規(guī)范針對(duì)嵌巖樁給出的定義還不夠明確，所以在嵌巖深度上，不同專家及人員有不同的看法，部分專家及人員認(rèn)為增大嵌巖深度能提高樁基承載力，該觀點(diǎn)雖然有試驗(yàn)依據(jù)，但試驗(yàn)和得出的成果都存在一定局限性的，還沒(méi)有可大范圍推廣應(yīng)用的依據(jù)；還有的專家及人員認(rèn)為嵌巖深度不能過(guò)大，否則會(huì)造成浪費(fèi)，特別是在硬質(zhì)巖層當(dāng)中?；诖耍谠O(shè)計(jì)工作中，要根據(jù)工程實(shí)際情況，結(jié)合包含樁長(zhǎng)與樁徑之比、上覆巖土特性與巖層堅(jiān)硬程度等在內(nèi)的各項(xiàng)因素確定適宜的嵌巖深度，這也可能是規(guī)范未對(duì)樁基嵌巖深度給出明確規(guī)定的主要原因，以此給樁基的設(shè)計(jì)人員預(yù)留一定考慮空間；另外，還應(yīng)區(qū)別對(duì)待常規(guī)地質(zhì)條件與巖溶地質(zhì)條件的樁基嵌巖深度，充分考慮巖溶具有的各項(xiàng)特點(diǎn)，保證所確定的嵌巖深度的合理性[3]。

4 設(shè)計(jì)原則和要點(diǎn)

首先，勘察要分成多個(gè)階段進(jìn)行，不同階段有不同的側(cè)重點(diǎn)。在初勘階段，需將側(cè)重點(diǎn)放在巖溶探明上，確定是否有巖溶發(fā)育，為基礎(chǔ)形式的確定提供參數(shù)，主要采用物探的方法，輔以必要的鉆孔；在詳勘階段，需要以初勘成果為基礎(chǔ)，借助不同的物探方法對(duì)整個(gè)場(chǎng)地實(shí)施詳細(xì)物探，以此探明巖溶形態(tài)分布與巖層特性。對(duì)于巖溶發(fā)育地質(zhì)，應(yīng)做到一樁一孔；而對(duì)于巖溶特別發(fā)育地質(zhì)，當(dāng)樁徑達(dá)到1.5m 以上時(shí)，應(yīng)防止“一孔之見(jiàn)”導(dǎo)致誤判，并且在現(xiàn)場(chǎng)勘查過(guò)程中還必須嚴(yán)格遵循各項(xiàng)規(guī)程與工藝要求開(kāi)展原位測(cè)試，初勘人員與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員都應(yīng)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行查看，同時(shí)和初步設(shè)計(jì)資料及周邊既有建筑現(xiàn)有地質(zhì)資料進(jìn)行對(duì)比，有效加強(qiáng)地質(zhì)研究工作，整體把握?qǐng)龅貛r溶，繪制橫縱剖面圖，為設(shè)計(jì)人員提供可靠的地質(zhì)資料[4]。

充分研究地質(zhì)勘察資料，明確巖溶狀況，優(yōu)化初步設(shè)計(jì)所選基礎(chǔ)形式，優(yōu)先考慮群樁基礎(chǔ)，防止與溶洞接觸，對(duì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間地質(zhì)作用達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的土體造成擾動(dòng)，避免巖溶和地基處理過(guò)程中周邊環(huán)境或原巖土體出現(xiàn)新問(wèn)題，導(dǎo)致施工難度提高和投資增加[5]。

根據(jù)地質(zhì)資料，結(jié)合樁基受力情況，按照預(yù)估樁長(zhǎng)、樁底標(biāo)高及持力層對(duì)樁基的受力性狀進(jìn)行分析。若溶洞的埋深相對(duì)較大，樁底處在巖土層中，與溶洞之間的距離較遠(yuǎn)，在總承載力中，樁側(cè)摩擦力占據(jù)較大比重，則按照普通地質(zhì)條件進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)即可。在巖溶地質(zhì)條件中，經(jīng)常出現(xiàn)以下兩種情況：在樁基預(yù)估過(guò)程中，樁底需要進(jìn)入溶洞中，溶洞埋深較淺，其頂板厚度較薄，樁基嵌巖深度不足；溶洞的分布較為密集，呈串珠狀，厚度足夠且完整、穩(wěn)定的基巖埋深較大。針對(duì)以上兩種情況，建議按照摩擦樁來(lái)設(shè)計(jì)，此時(shí)要注意應(yīng)采用壓漿等方法處理溶洞，使其達(dá)到密實(shí)度要求，同時(shí)還要有足夠的強(qiáng)度[6]。

張建華通過(guò)對(duì)巖溶區(qū)橋梁樁基樁長(zhǎng)確定方法的研究分析指出，若預(yù)估的樁底標(biāo)高可以達(dá)到抗壓強(qiáng)度為8MPa 以上的基巖，則樁基設(shè)計(jì)可以按照嵌巖樁進(jìn)行，同時(shí)以巖層傾斜度為依據(jù)，將嵌巖深度確定為三倍樁徑。當(dāng)樁底部在溶洞頂板或從多層溶洞中穿過(guò)以后仍無(wú)法從所有溶洞中穿過(guò)，且需要放置在厚度較大的溶洞頂板處時(shí)，若溶洞頂板上有裂隙發(fā)育，則在樁基設(shè)計(jì)過(guò)程中按照摩擦樁進(jìn)行計(jì)算；若頂板完好，則樁基設(shè)計(jì)要按照嵌巖樁進(jìn)行；另外，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需將穿過(guò)的巖溶層提供的側(cè)摩阻力作為安全儲(chǔ)備。由于裂隙水具有一定溶蝕作用，可能導(dǎo)致清孔不徹底或巖層承載力較低，因此巖石強(qiáng)度要按照不超過(guò)七折選取，并嚴(yán)格控制樁端支撐力所占比例；對(duì)于樁基穿過(guò)的小溶洞，應(yīng)采用壓漿的方法進(jìn)行加固，而對(duì)于無(wú)法處理的大溶洞，則需要在施工過(guò)程中設(shè)置內(nèi)護(hù)筒；對(duì)于嵌巖深度，應(yīng)達(dá)到三倍樁徑以上，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)方法對(duì)溶洞頂板穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，根據(jù)頂板的實(shí)際傾斜情況，避免樁基底部局部受力[7]。

處于同一承臺(tái)的樁基，其樁長(zhǎng)不能有太大的差別，而且不能混用摩擦樁和嵌巖樁，否則就會(huì)導(dǎo)致樁基之間存在很大的剛度差，進(jìn)而引起受力偏差，導(dǎo)致部分樁由于受力過(guò)大而破壞。在確定最終的樁長(zhǎng)與樁底標(biāo)高時(shí)，不僅要充分考慮以上問(wèn)題，還應(yīng)結(jié)合相鄰其他鉆孔的實(shí)際情況。

在施工圖中，應(yīng)寫(xiě)明現(xiàn)場(chǎng)鉆孔和設(shè)計(jì)資料之間的對(duì)比結(jié)果，嚴(yán)格控制樁底沉渣厚度，采用適宜的方法探明樁底下部一定深度范圍內(nèi)的巖層情況，同時(shí)安排專人對(duì)樁底部的巖石質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)證，若發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)立即通知設(shè)計(jì)單位進(jìn)行調(diào)整；另外，還應(yīng)寫(xiě)明正式施工開(kāi)始前應(yīng)做好的試樁檢測(cè)工作，以驗(yàn)證各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)合理與否，承載力能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，為施工方法及工藝的選擇奠定良好基礎(chǔ)。在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，應(yīng)先對(duì)樁長(zhǎng)較大的樁進(jìn)行施工，以此為樁長(zhǎng)較小的樁提供可靠支護(hù)；施工中根據(jù)隨時(shí)產(chǎn)生的狀況，調(diào)整相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，這對(duì)保證工程質(zhì)量是十分重要且必要的。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，巖溶地區(qū)橋梁樁基設(shè)計(jì)和普通地質(zhì)條件橋梁樁基設(shè)計(jì)存在很大不同，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告對(duì)樁基受力性狀進(jìn)行仔細(xì)分析，并在必要的情況下結(jié)合理論、數(shù)值與試驗(yàn)分析，確定適宜的樁基形式。計(jì)算既要參照規(guī)范，又不能拘泥于規(guī)范，做到具體問(wèn)題具體分析，選擇正確的計(jì)算參數(shù)，在計(jì)算與設(shè)計(jì)中考慮周全，按照以上原則確定各樁的樁長(zhǎng)及持力層。若樁底處在溶洞的頂板，則應(yīng)按照摩擦樁與嵌巖樁對(duì)樁基承載力進(jìn)行校驗(yàn)，在保證嵌固深度的基礎(chǔ)上，采用可靠的方法對(duì)頂板穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并采用比一般地質(zhì)高一個(gè)等級(jí)的設(shè)計(jì)安全系數(shù)；另外，還要結(jié)合工程實(shí)際，做好動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，這是設(shè)計(jì)工作的最后一道關(guān)口，相關(guān)人員必須高度重視，保證設(shè)計(jì)質(zhì)量。