巖溶地區(qū)橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)
2016-09-18
巖溶是指可溶性巖石，特別是碳酸鹽類巖石（如碳酸鹽巖、硫酸鹽巖等），受含有二氧化碳的流水溶蝕，有時(shí)并加以沉積作用而形成的地貌。其表現(xiàn)形式主要有溶洞、溶槽、溶牙、溶溝等，比較多見(jiàn)于我國(guó)西南、中南、華東等地區(qū)。由于巖溶地區(qū)地質(zhì)的復(fù)雜多變性和隱蔽性，在巖溶地區(qū)修建橋梁，橋梁應(yīng)盡量避開(kāi)巖溶強(qiáng)烈發(fā)育地帶，在無(wú)法繞避時(shí)，巖溶地區(qū)墩臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)綜合分析鉆探資料，對(duì)溶洞進(jìn)行詳盡的分析，采取相應(yīng)的處理措施。
1 巖溶地區(qū)橋梁基礎(chǔ)地質(zhì)勘察要求
由于巖溶地質(zhì)的復(fù)雜性，合理的處理措施必須要有詳細(xì)準(zhǔn)確的地質(zhì)資料。有效的巖溶地區(qū)橋梁基礎(chǔ)處理方法需要的地質(zhì)資料，包括巖溶的發(fā)育情況、基本形態(tài)、規(guī)模大小，洞穴頂板巖層厚度和完整性，以及洞內(nèi)充填物形狀。
1.1 初測(cè)階段的地質(zhì)勘察
傳統(tǒng)的地質(zhì)鉆探方法在巖溶發(fā)育地區(qū)鉆探取樣所揭示的地質(zhì)條件不能完全反映樁位處巖溶、裂隙的發(fā)育狀況。因此，在初測(cè)階段采用鉆探與物探相結(jié)合，了解整個(gè)場(chǎng)地的地質(zhì)情況，初步探明地質(zhì)異常區(qū)域，再與鉆探相結(jié)合，合理布置鉆孔，此階段的工作重點(diǎn)是探明巖溶發(fā)育程度及分布規(guī)律。
1.2 定測(cè)階段的地質(zhì)勘察
在初勘的基礎(chǔ)上，根據(jù)橋梁的墩臺(tái)布置，進(jìn)行逐墩勘察鉆探，分析逐墩鉆孔資料中溶洞、溶溝、溶槽以及溶洞裂隙的發(fā)育情況，若發(fā)現(xiàn)強(qiáng)發(fā)育的溶洞，應(yīng)進(jìn)行逐樁鉆探，并繪出反映橋梁墩臺(tái)位置的橫向地質(zhì)剖面展示圖。
(1)鉆孔在完整基巖內(nèi)鉆進(jìn)不少于5～10m，在該深度內(nèi)遇到溶洞時(shí)鉆孔應(yīng)穿過(guò)溶洞，在洞穴底板完整基巖鉆進(jìn)不小于5m。
(2)多層溶洞地區(qū)，鉆孔穿過(guò)多層溶洞后，頂板累計(jì)厚度達(dá)到5～7m以上時(shí)，再往下層的頂板需要鉆進(jìn)3m以上。
(3)鄰近鉆孔若巖層厚度相差太大或發(fā)現(xiàn)有扁平溶洞需進(jìn)行補(bǔ)鉆。
1.3 施工前的補(bǔ)充鉆探
因巖溶地質(zhì)的復(fù)雜性，巖溶地區(qū)的擴(kuò)大基礎(chǔ)在施工開(kāi)挖至基底標(biāo)高后，需在基礎(chǔ)范圍內(nèi)四角及中心深約5m的范圍內(nèi)探明基礎(chǔ)以下是否有溶洞存在。
2 巖溶洞穴的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)
巖溶洞穴其頂板常因失去穩(wěn)定而坍塌。頂板坍塌突然，時(shí)間短暫。一旦發(fā)生，造成的后果是相當(dāng)嚴(yán)重的,對(duì)橋梁基礎(chǔ)的安全可構(gòu)成嚴(yán)重危害，因此如何評(píng)價(jià)頂板穩(wěn)定性問(wèn)題是巖溶地區(qū)工程建設(shè)中的關(guān)鍵性問(wèn)題。
根據(jù)我國(guó)在巖溶地區(qū)工程建設(shè)中處理基巖洞穴頂板的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，評(píng)價(jià)洞穴穩(wěn)定性必須分析兩個(gè)因素：一是內(nèi)在因素，包括洞穴頂板的厚度、跨度及形態(tài)、巖層產(chǎn)狀、節(jié)理裂隙狀況，以及巖石的物理力學(xué)指標(biāo)等。二是外在因素，包括受載狀況(時(shí)間長(zhǎng)短、荷載大小、動(dòng)載或靜載)，巖石含水量及溫度變化影響，以及洞內(nèi)水流搬運(yùn)的機(jī)械破壞作用。此外，洞穴的坍塌有一個(gè)發(fā)展變化的過(guò)程。以水平頂板為例，開(kāi)始頂板在靜載作用下，產(chǎn)生初始應(yīng)力，處于變形階段；變形過(guò)大，頂板拉裂，處于松動(dòng)階段；繼而逐步坍塌，處于塌落階段；塌落成拱形后，頂板可以自承其上的壓力，而趨于穩(wěn)定，是成拱階段。因此，評(píng)價(jià)洞穴穩(wěn)定問(wèn)題是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。影響巖溶洞穴頂板穩(wěn)定的主要因素有四個(gè)：頂板的完整程度、洞頂板的形狀(水平或拱形)、頂板厚度及建筑物跨過(guò)溶洞的長(zhǎng)度。關(guān)于溶洞頂板厚度的驗(yàn)算，包括抗彎驗(yàn)算、抗剪驗(yàn)算法、極限平衡法、厚跨比法以及利用頂板坍塌物填塞溶洞來(lái)估算完整頂板和不完整頂板的安全厚度。
2.1 按梁板受力情況估算頂板安全厚度
當(dāng)溶洞頂板和巖層比較完整，層理又較厚，強(qiáng)度較高，洞跨較大，彎矩是主要控制條件時(shí)，可按梁板受力情況計(jì)算H，所得H再加適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)即為頂板的安全厚度。
式中：[σ]――巖體的允許抗彎強(qiáng)度（石灰?guī)r一般為其允許抗壓強(qiáng)度的1/8），kPa；
b――橋梁基礎(chǔ)的影響寬度，m；
M――彎矩，kN•m。根據(jù)頂板巖石的完整性，分別按簡(jiǎn)支梁、懸臂梁和固定梁三種情況計(jì)算：當(dāng)頂板跨中有裂隙，兩支座處巖石堅(jiān)固時(shí)，按懸臂梁計(jì)算端部所受彎矩；當(dāng)頂板較完整，但兩端支座處巖層有裂隙與洞壁不成整體，按簡(jiǎn)支梁計(jì)算彎矩；當(dāng)頂板和洞壁巖層均完整，可按兩端固定梁計(jì)算彎矩。
Q――支座處的剪力，kN；
τ――巖體的計(jì)算抗剪強(qiáng)度(石灰?guī)r一般為其允許抗壓強(qiáng)度的1/12)，kPa；
2.2 利用頂板坍塌物填塞溶洞估算頂板安全厚度
溶洞頂板坍塌后，塌落體體積會(huì)增大，當(dāng)塌落到一定高度H時(shí)，洞體就自行填滿，無(wú)需再考慮其對(duì)地基的影響，塌落高度再加適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)便為頂板的安全厚度。此種方法適用于頂板巖層風(fēng)化嚴(yán)重、裂隙發(fā)育、有坍塌的可能性。
式中：V――可能坍塌巖體體積，m3；V0――溶洞體積，m3；K――巖石的脹余系數(shù)，一般石炭巖K=1.2。
2.3 利用剪切概念估算頂板安全厚度
當(dāng)溶洞頂板巖層完整，層理較厚，巖體強(qiáng)度高但洞跨較小時(shí)（小于3倍樁徑），剪力是主要控制條件?？砂词芗粲?jì)算頂板厚度。根據(jù)極限平衡條件計(jì)算公式： T≥P；而T=τ•H•L；得到：
式中：P――溶洞頂板自重、頂板上覆蓋土層的重量和頂板上附加荷載的總和，kN；Q2――橋基范圍內(nèi)的頂板抗剪力，kN；L――溶洞的平面周長(zhǎng)，m。
計(jì)算所得H再加適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)，即為頂板的安全厚度。
2.4 利用厚跨比法判斷頂板安全
根據(jù)多年來(lái)的調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)：當(dāng)溶洞頂板為完整頂板時(shí)，其頂板的厚度h與基礎(chǔ)跨越溶洞的長(zhǎng)度l之比（h/l）大于2時(shí)，頂板厚度是安全的。
3 巖溶區(qū)橋梁基礎(chǔ)類型
巖溶區(qū)橋梁基礎(chǔ)可根據(jù)溶洞的埋藏深度、規(guī)模、類型和巖石的完整程度選擇不同的基礎(chǔ)類型，一般有明挖基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)。
3.1 明挖基礎(chǔ)
?。?）在巖溶埋藏較淺局部有溶溝溶槽，下部已探明無(wú)溶洞時(shí)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，并對(duì)基底以下溶溝溶槽采取換填片石混凝土或鋼筋混凝土基礎(chǔ)跨越溶溝溶槽等措施。
?。?）溶洞落在持力層范圍內(nèi)，清除溶洞內(nèi)的填充土，探明以下2.0～3.0m內(nèi)無(wú)溶洞時(shí)，視溶洞寬窄分別打入小鋼軌，用與基礎(chǔ)同等級(jí)的混凝土回填，設(shè)置鋼筋混凝土蓋板或基礎(chǔ)內(nèi)部加設(shè)一層鋼筋網(wǎng)。
?。?）對(duì)溶洞埋藏不深，洞中有較厚的碎塊石堆積物，可采用壓漿的方法使其固結(jié)。
?。?）溶洞若在基底設(shè)計(jì)高程附近或以上時(shí)，可采取換填方法處理，并要符合下式要求：
H≥（Q/[σ]-b）/2tgβ
式中：H――換填層厚度，m；
Q――換算荷載，kN/m；
β――換填材料的壓力分布角，度；
[σ]――溶洞充填物的基本承載力，kPa；
b――換填材料頂面寬度（基礎(chǔ)側(cè)面加0.3m），m。
同時(shí)，要求換填厚度不得小于2m，基底至換填層底部距離要大于2倍凍結(jié)深度。
3.2 樁基礎(chǔ)
樁基礎(chǔ)是巖溶地區(qū)最常見(jiàn)的橋梁基礎(chǔ)形式。當(dāng)橋梁地基上的溶洞較大，埋藏較深，但又不滿足頂板厚度檢算要求時(shí)，或當(dāng)巖面溶蝕高差大于1m或溶洞洞穴平面、剖面尺寸大于1m者，可溶性巖層埋深在8m以上，基底巖層部分缺角且無(wú)法嵌補(bǔ)，明挖或水下施工壓漿有困難等情況均可采用樁基礎(chǔ)處理。
3.2.1 溶洞頂板很薄，而溶洞內(nèi)的底面很深，且洞內(nèi)填充土屬于密實(shí)穩(wěn)定，具有足夠強(qiáng)度，則樁底可穿過(guò)溶洞的頂板置于溶洞內(nèi)的填充土層內(nèi)，而不置于溶洞的底板上時(shí)，可按摩擦樁進(jìn)行設(shè)計(jì)。
3.2.2 當(dāng)樁基穿過(guò)多層巖溶層支立于堅(jiān)固的巖層上時(shí)，不應(yīng)考慮多層巖溶層對(duì)樁側(cè)起摩阻作用，因?yàn)閹r溶層與樁側(cè)之間的摩阻作用，在本質(zhì)上不同于一般土與樁側(cè)之間的摩阻作用?？刹扇「綦x措施，將多層巖溶層與樁壁之間分隔開(kāi)，使樁基承受的軸向荷載全部作用于樁底的堅(jiān)固巖層上，按柱樁設(shè)計(jì)。
3.2.3 對(duì)于樁尖下伏溶洞，是采取穿過(guò)溶洞還是樁尖立于溶洞頂，須根據(jù)檢算和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。一般情況下，若完整基巖頂板厚大于6m且頂板厚與溶洞孔徑之比大于2時(shí)，基底以下溶洞可以不處理，否則應(yīng)采用樁基穿過(guò)溶洞。當(dāng)鉆探深度達(dá)到40～50m仍找不到6m以上厚度的頂板時(shí)，要求樁側(cè)累計(jì)頂板厚度不小于5m且樁尖置于下層巖層上，支承頂板厚度不小于3m，嵌入巖層0.5m。在累計(jì)巖層頂板厚度時(shí)，要考慮鄰近鉆孔的巖層情況，避免將石筍尖當(dāng)作巖層頂板。
3.2.4 對(duì)同一基礎(chǔ)范圍內(nèi)因溶深高差懸殊，造成長(zhǎng)短樁基礎(chǔ)，在荷載作用下，各樁承受彎矩、軸向力、剪力很不均勻。按照巖溶地區(qū)樁基設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，樁的最小入土深度(包括嵌固深度)，最好不小于3.0m。對(duì)于短樁應(yīng)檢算主拉應(yīng)力，并根據(jù)需要加強(qiáng)配筋。當(dāng)采用加強(qiáng)樁頂配筋，都不能滿足短樁受力要求時(shí)，則以鋼護(hù)筒穿過(guò)頂部巖層調(diào)節(jié)短樁的嵌固深度，以改善短樁的受力。
4 結(jié)論
4.1 因巖溶地質(zhì)的復(fù)雜性及隱蔽性，探明巖溶的發(fā)育程度和巖層強(qiáng)度情況是巖溶地區(qū)橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的重要前提，工程實(shí)踐中，可結(jié)合多種地質(zhì)勘探方法進(jìn)行地質(zhì)勘察工作，確保地質(zhì)資料的準(zhǔn)確可靠。
4.2 巖溶地區(qū)橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是比較復(fù)雜的課題。本文根據(jù)巖溶的分布、形態(tài)及發(fā)育規(guī)律，探討了巖溶區(qū)橋梁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，提出了安全、經(jīng)濟(jì)、可行的處理方案，對(duì)巖溶區(qū)橋梁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)具有一定的工程參考意義。
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