湘西巖溶地區(qū)橋梁樁基礎設計
2016-09-26
喀斯特地貌是指具有溶蝕力的水對石灰?guī)r等可溶性巖石進行溶蝕等作用所形成的地表和地下形態(tài)的總稱，又稱巖溶地貌。湘西土家族苗族自治州屬于云貴高原東側的武陵山區(qū)，以喀斯特地貌分布廣、面積大。如何進行溶洞區(qū)地質勘探、確定樁底持力層標高，如何做出優(yōu)秀的基礎設計方案，是橋梁設計人員必須高度重視的問題。
1 工程概述
杭瑞高速公路湖南省鳳大段屬國家規(guī)劃高速公路網中18條東西橫線中的第12條，是湖南省高速公路網規(guī)劃中“五縱七橫”中的第一橫。本項目的王家寨1號大橋，中心樁號K1+780.0（左幅），結構尺寸8×30+10×40m，預應力砼連續(xù)T梁，先簡支后連續(xù)，為盡量避開溶洞，左右幅獨立分開設置，單幅橋寬11m。下部結構采用柱式、矩形空心墩，橋臺采用柱式臺、U型橋臺。挖孔灌注樁基礎，樁徑1.5m~2.2m，全橋共設計樁基108根，設計最大樁長46m。
橋址處地形地質條件復雜，處于堅硬碳酸鹽巖工程地質亞區(qū)，含碳酸鹽巖溶水，部分地質勘探鉆孔揭示存在多層溶洞。全橋橋位處地質覆蓋層從上往下為：①第四系殘坡積碎石、粉質粘土，坡頂植被茂密；粉質粘土灰黃色、灰黑色，稍濕，硬塑，主要由黏粒組成，局部含碎石。層厚0.5~1.9m，地勘單位推薦承載力=[fa0]=180Kpa，極限摩阻力[qik]=35Kpa。②寒武系中統(tǒng)奧溪組泥灰?guī)r、灰?guī)r，局部基巖裸露。中風化灰?guī)r，灰色、灰白色，主要礦物成分為方解石，隱晶質結構，薄中厚層構造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯破碎，呈碎塊狀，少量短柱狀，在整個橋址區(qū)大量分布。最大層厚30.6m。推薦承載力=[fa0]=1000Kpa，極限摩阻力[qik]=300Kpa。本區(qū)溶洞最多層數達8層，一般在3-7層，最大溶洞高度12.5m。
2 巖溶區(qū)地質勘探的要求及特點
巖溶區(qū)的橋梁樁基地質勘探中，溶洞的發(fā)育情況，如大小、填充物、頂板厚度等將影響到設計的深度及整個工程的造價，因此本項目在地勘初期就提出了明確要求：一般應每個墩臺處有地質鉆孔，當物探證實樁基處溶洞較發(fā)育時，必須一樁一孔，對于樁底溶洞發(fā)育較大的，如本橋的8-1#樁基，其中一段溶洞高達12.5m，可在樁基外圍環(huán)向4-5m處設置地勘鉆孔，以準確探明樁基直徑范圍內一定深度的巖溶發(fā)育情況，用以復核計算樁基的橫向抗傾穩(wěn)定性等是否滿足規(guī)范要求。
3 巖溶區(qū)樁基礎設計理論的研討
巖溶地區(qū)端承嵌巖樁設計，一般應盡量考慮穿過巖溶發(fā)育帶，選擇溶洞下部弱風化基巖作為樁端部持力層。但是，如本橋的9-1#樁基，地勘鉆孔總深度為60m范圍內樁基多次穿越多層溶洞，正確估算樁端溶洞頂板安全厚度是巖溶地區(qū)多層溶洞樁基設計的核心問題。
3.1 按溶洞頂板剪切應力控制估算 當溶洞頂板巖層完整、巖體強度較高但溶洞跨徑較小時（一般小于3倍樁直徑），抗剪切力士溶洞頂板破壞的主要控制條件，最小持力層厚度H公式如下：H=(q+P)/(α*l)
式中：q為溶洞頂板自重加覆蓋土層均布荷載（KN/m）；P為樁尖對溶洞頂板的集中力（KN）；α對于灰?guī)r取1/12容許抗壓強度（MPa），l為溶洞平面周長。
3.2 按控制彎矩估算 當溶洞頂板巖層比較完整、強度較高、洞跨較大時，彎矩是主要控制條件，可按梁板受力情況，公式如下：H=[6M/q*[σ]]0.5
式中：M為彎矩；q為溶洞頂板自重加覆蓋土層均布荷載（KN/m）；[σ]取灰?guī)r1/10容許抗壓強度（MPa）。
根據頂板巖石的完整性，分別按以下三種情況計算：
?、佼斎芏错敯逅闹苡辛芽p，樁基礎底部(即溶洞頂板跨中)完整時，按簡支梁計算：M=ql2/8+pl/4。②當溶洞頂板四周完整，樁基礎底部有裂縫時，按懸臂梁計算：M=ql2/2+pl。③當溶洞頂板均比較完整時，按固端梁計算：M=ql2/12+0.7pl/4。式中：P為樁尖對溶洞頂板的集中力（KN）；根據以上兩種力學模式計算，王家寨1號橋多層溶洞樁端持力層厚度，分兩種情況考慮：對于溶蝕、裂隙嚴重的溶洞頂板，按摩擦樁計算。對于無溶蝕、裂隙現象的持力層，溶洞頂板按嵌巖樁計算，考慮安全一定的安全系數后，決定采用4-5m的弱風化灰?guī)r完整頂板，作為樁基終孔最小控制溶洞頂板厚度。
4 巖溶區(qū)樁基礎設計注意事項
①巖溶地區(qū)的巖石裂隙發(fā)育，含有豐富的碳酸鹽類水，樁基礎施工可能會出現深水、漏漿，樁底部浮渣土難以清楚干凈，所以在設計階段，對于樁基底部為強風化類巖層，十分松散又夾雜以大量粘性土的，一般不計樁尖抗力的作用，以策安全。②對于單個尺寸較大的溶洞或多層溶洞基本連通，溶洞的橫向直徑大于3倍樁基直徑的，采用片石或素混凝土回填用量大，且難以填充密實，設計單位應在圖紙中增加鋼護筒數量，以替代傳統(tǒng)的低標號混凝土護壁。③按橋規(guī)相關規(guī)定計算單樁承載力時，不應考慮多層溶洞對樁基側面的摩阻力作用，僅將這種摩阻力視為安全儲備。因為這種多層巖溶層與樁側面的摩阻力作用，有區(qū)別于一般的較完整土體與樁側之間的摩阻關系。特別是，當多層溶洞層與樁基側面之間粘結成一體，樁身所受的軸向荷載如何分配給單一巖層，難以計算，很可能在某一巖溶層與樁身粘結處，因受集中力而出現摩阻破壞，進而影響整個樁基礎的受力情況。因此，通常不考慮多層巖溶層對樁基側面的摩阻力作用，而且在灌注樁施工過程中，應采取相應措施，（如采用麻布或油毛氈作為隔層），將多層溶洞層與樁基側壁之間隔開，使得樁基礎所受的軸向荷載全部作用于樁基底部的弱風化堅硬巖層上，并按嵌巖樁設計計算。④設計單位在橋梁圖紙說明、招標清單中，樁基礎的施工工藝宜優(yōu)先采用人工挖孔灌注樁。人工挖孔的工人可以隨時觀測樁基內的巖石風化程度、地下水、溶洞發(fā)育等情況，這樣對巖溶和樁底持力層的判斷比較直觀且隨時可采取補救措施。人工挖孔可根據持力層的需要調整擴大樁頭直徑，充分利用樁身混凝土強度，經濟性好。由于特殊原因，如地下水旺盛或軟弱覆蓋層過厚，無法采用人工挖孔時，再考慮采用正循環(huán)沖擊鉆法。多例證明正循環(huán)沖擊鉆法易于保證護壁質量和處理溶洞，對于抑制混凝土澆筑數量的擴大有著良好的效果。⑤按地基基礎設計理論，樁基礎常用的有兩種形式：摩擦樁、端承樁。端承樁、及嵌巖性端承樁安全性高、抗震性好，是首選的樁基類型。當覆蓋土層的摩阻力不足以提供樁基的豎向承載力，或不能滿足沉降要求時，須采用端承樁或嵌巖性端承樁，樁基的承載力可按規(guī)范公式計算；此類樁基的設計難點是如何確定樁底巖層的厚度，在以前通常大多設計單位認為樁底有連續(xù)3倍樁徑的完整弱風化、中風化巖體是安全的，但無嚴格定量的理論依據。樁基底部的溶洞頂板安全厚度可按本文所推薦公式復核計算。⑥在巖溶地區(qū)采用摩擦樁有兩種情況：一種是覆蓋層的摩阻力足以提供樁基的豎向承載力，樁基不進入溶洞區(qū)；另一種則是樁底進入溶洞區(qū)并終孔在薄頂板或充填物中的情況，此時計入覆蓋層及溶洞充填物和溶洞巖體的摩阻力。前一種與普通樁基的設計計算沒有太大區(qū)別，但要注意保證樁底與溶洞間土層及巖體的厚度；后一種摩擦樁的計算則要根據具體情況變通應用規(guī)范公式，設計的難點是：合理選取溶洞區(qū)樁側土的極限摩阻力及樁底支承力如何計入。
5 結語
在巖溶地區(qū)進行橋梁樁基設計，設計單位應充分重視前期地勘階段中對溶洞發(fā)育形狀、分布規(guī)律的探測，在兩階段施工圖設計中，嚴格按橋規(guī)進行樁基受力計算。樁底持力層標高的確定可結合本文所述的溶洞頂板安全厚度估算方法進行計算。施工期間，對復雜的樁基溶洞，駐工地設計服務人員還應多去現場查看樁基開挖情況，結合超前鉆、地質雷達等，及時對樁基長度進行跟蹤計算調整。
本項目后期的靜載試驗證明，設計單位的設計方案是安全、經濟、合理的。
參考文獻：
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