湘西巖溶地區(qū)橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)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(cè)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(zhì)勘探、確定樁底持力層標高，如何做出優(yōu)秀的基礎(chǔ)設(shè)計方案，是橋梁設(shè)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(wǎng)中18條東西橫線中的第12條，是湖南省高速公路網(wǎng)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(jié)構(gòu)尺寸8×30+10×40m，預(yù)應(yīng)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(shè)置，單幅橋?qū)?1m。下部結(jié)構(gòu)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(chǔ)，樁徑1.5m~2.2m，全橋共設(shè)計樁基108根，設(shè)計最大樁長46m。
橋址處地形地質(zhì)條件復(fù)雜，處于堅硬碳酸鹽巖工程地質(zhì)亞區(qū)，含碳酸鹽巖溶水，部分地質(zhì)勘探鉆孔揭示存在多層溶洞。全橋橋位處地質(zhì)覆蓋層從上往下為：①第四系殘坡積碎石、粉質(zhì)粘土，坡頂植被茂密；粉質(zhì)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(fēng)化灰?guī)r，灰色、灰白色，主要礦物成分為方解石，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄中厚層構(gòu)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(shù)達8層，一般在3-7層，最大溶洞高度12.5m。
2 巖溶區(qū)地質(zhì)勘探的要求及特點
巖溶區(qū)的橋梁樁基地質(zhì)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(shè)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(yīng)每個墩臺處有地質(zhì)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(shè)置地勘鉆孔，以準確探明樁基直徑范圍內(nèi)一定深度的巖溶發(fā)育情況，用以復(fù)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(chǔ)設(shè)計理論的研討
巖溶地區(qū)端承嵌巖樁設(shè)計，一般應(yīng)盡量考慮穿過巖溶發(fā)育帶，選擇溶洞下部弱風(fēng)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(nèi)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(shè)計的核心問題。
3.1 按溶洞頂板剪切應(yīng)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(jù)頂板巖石的完整性，分別按以下三種情況計算：
①當溶洞頂板四周有裂縫，樁基礎(chǔ)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(chǔ)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(jù)以上兩種力學(xué)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(xiàn)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(shù)后，決定采用4-5m的弱風(fēng)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(chǔ)設(shè)計注意事項
?、賻r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(chǔ)施工可能會出現(xiàn)深水、漏漿，樁底部浮渣土難以清楚干凈，所以在設(shè)計階段，對于樁基底部為強風(fēng)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(shè)計單位應(yīng)在圖紙中增加鋼護筒數(shù)量，以替代傳統(tǒng)的低標號混凝土護壁。③按橋規(guī)相關(guān)規(guī)定計算單樁承載力時，不應(yīng)考慮多層溶洞對樁基側(cè)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(cè)面的摩阻力作用，有區(qū)別于一般的較完整土體與樁側(cè)之間的摩阻關(guān)系。特別是，當多層溶洞層與樁基側(cè)面之間粘結(jié)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(jié)處，因受集中力而出現(xiàn)摩阻破壞，進而影響整個樁基礎(chǔ)的受力情況。因此，通常不考慮多層巖溶層對樁基側(cè)面的摩阻力作用，而且在灌注樁施工過程中，應(yīng)采取相應(yīng)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(cè)壁之間隔開，使得樁基礎(chǔ)所受的軸向荷載全部作用于樁基底部的弱風(fēng)化堅硬巖層上，并按嵌巖樁設(shè)計計算。④設(shè)計單位在橋梁圖紙說明、招標清單中，樁基礎(chǔ)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(nèi)的巖石風(fēng)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(jù)持力層的需要調(diào)整擴大樁頭直徑，充分利用樁身混凝土強度，經(jīng)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(zhì)量和處理溶洞，對于抑制混凝土澆筑數(shù)量的擴大有著良好的效果。⑤按地基基礎(chǔ)設(shè)計理論，樁基礎(chǔ)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(shè)計難點是如何確定樁底巖層的厚度，在以前通常大多設(shè)計單位認為樁底有連續(xù)3倍樁徑的完整弱風(fēng)化、中風(fēng)化巖體是安全的，但無嚴格定量的理論依據(jù)。樁基底部的溶洞頂板安全厚度可按本文所推薦公式復(fù)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(shè)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(jù)具體情況變通應(yīng)用規(guī)范公式，設(shè)計的難點是：合理選取溶洞區(qū)樁側(cè)土的極限摩阻力及樁底支承力如何計入。
5 結(jié)語
在巖溶地區(qū)進行橋梁樁基設(shè)計，設(shè)計單位應(yīng)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(shè)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(jié)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(fù)雜的樁基溶洞，駐工地設(shè)計服務(wù)人員還應(yīng)多去現(xiàn)場查看樁基開挖情況，結(jié)合超前鉆、地質(zhì)雷達等，及時對樁基長度進行跟蹤計算調(diào)整。
本項目后期的靜載試驗證明，設(shè)計單位的設(shè)計方案是安全、經(jīng)濟、合理的。
參考文獻：
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