岩溶地区某桥梁基桩设计与计算实例分析

郭阔

（吉林省交通规划设计院，吉林 长春 130021）

岩溶地区某桥梁基桩设计与计算实例分析

郭阔

（吉林省交通规划设计院，吉林 长春 130021）

随着桩基施工技术与设计方法研究的不断深入，岩溶地区桥梁桩基的设计理论、施工技术及处治方法的研究也日益重要。结合具体的工程实践，系统总结了岩溶区桩基设计理论应用及岩溶病害处理措施，并应用于具体工程实践，取得了良好效果。

岩溶；桥梁基桩；设计；实例分析

0　引言

端承桩是指桩端进入坚硬的持力层，如石灰岩、花岗岩等的一类桩体，其形式主要以大直径钻孔灌注桩为主。端承桩以单桩承载力高，桩体沉降小而被广泛应用于各大工程中。然而端承桩需要使桩端达到一定的入岩深度，因此入岩后的施工难度也大大增加。已有试验证明：在入岩深度为2倍桩径处，出现嵌固力最大值，随着入岩深度的增加，嵌固力呈螺旋线形消减；入岩深度达到5倍桩径后，嵌固力已基本消失。岩溶地区端承型桩设计则有自己的特点，虽然国家规范还没有明确的规定，但是实际工程设计中端承型桩的嵌岩深度一般为1.5 d（桩径）左右，桩端持力层完整顶板基岩厚度不得小于3 d（桩径）。尽管如此，岩溶地区的桩基设计中很多时候会出现满足了嵌岩深度，但不能满足持力层顶板厚度，满足了持力层顶板厚度又不能满足嵌岩深度的尴尬局面。因此，对于岩溶地区的端承桩在嵌岩深度的优化取值上显得更加困难，也更加重要。

1　岩溶地区端承桩设计

1.1岩溶地区端承桩设计理念

实际工程中的大直径钻孔灌注桩，由于泥皮、成桩质量等影响因素的存在，嵌岩段桩侧摩阻力并不能发挥到最佳状态，因此在端承桩的设计中更应该注重桩端阻力的发挥。特别对于不良地质条件下桩端嵌岩深度和顶板厚度双制约情况发生时，更应该做出合理的嵌岩设计。在综合分析完整基岩和双制约情况下端承桩的承载力特性后对岩溶地区的端承桩设计做以下建议：

（1）岩溶地区端承桩桩基选形以圆形截面桩为主，技术支持条件下宜采用“糖葫芦”形变截面桩、螺旋形截面桩、桩端扩大头桩[1]。

（2）岩溶地区端承桩桩基桩径应根据设计承载力确定，并兼顾桩端持力层溶洞影响。

（3）岩溶地区端承桩桩长设计应根据地质条件确定。当完整基岩厚度小于3倍桩径，基岩裂隙发育时，桩端应穿越溶洞进入下层基岩。

（4）岩溶地区端承桩嵌岩深度确定应遵循“宜浅不宜深，优先保证顶板安全厚度”的原则。嵌岩深度可根据基岩的特点在1 d～3 d范围内取最优化值。

（5）尽量减小泥皮的不良影响，当顶板厚度接近临界值时，可适当保留桩底一部分沉渣，发挥最大的桩身侧摩阻力，减小桩端承力。特别是对于长度小于30 m的短桩，应考虑桩侧摩阻力的发挥情况。

（6）对于引江、海工程，若上覆盖层为较厚的淤泥质土，土性较差，应适当地增加桩端嵌岩厚度，宜取3 d～6 d，一方面保证嵌岩段的侧摩阻力，另一方面有效地提高桩基的抗倾覆能力，减少桩基的偏位。

1.2岩溶地区桩基设计理论

由于岩溶发育造成的复杂工程地质条件，桥梁设计时的有关地基设计参数如何取值一直为设计者所关注。合理的参数值，既可保证桥梁工程的质量，又可降低工程造价。通常情况下，岩溶地区的桩基设计考虑两种情况：（1）岩溶现象只在埋深较浅的局部出现，桩基可以穿过溶洞嵌入完整的持力层内，桩尖以下没有溶洞，与一般的端承桩差别不大[2]。（2）溶洞埋深较深或者多层溶洞出现，桩基贯穿所有溶洞困难，桩底持力层除了要有嵌岩深度外，还要考虑桩底岩层的抗冲切力，保证桩尖至溶洞顶有一定安全厚度，这一安全厚度设计中甚至要达到5倍桩径。上述设计处理方案能够满足一般岩溶发育情况，但当岩溶特别发育，如多层溶洞出现，钻孔深度30 m左右尚无厚度8 m以上的完整岩层时，就无法在满足嵌岩深度1 d～2 d的同时保证5倍桩径的溶洞顶板厚度。

对桩位下较深范围内，有密集型溶洞和完整岩性埋置较深的情况，或者溶洞分布较浅、顶板较薄无法满足端承桩要求时，可考虑采用摩擦桩，并应考虑基础的不均匀沉降。此时，顶面岩溶层与桩之间亦应采取隔离措施，不得考虑桩身与该顶面岩溶层之间的摩阻作用[3]。置于岩溶地区溶槽或溶沟处的桩基础，当桩穿过溶槽、溶沟内的填充土支立于溶槽底面或溶沟底面的岩层上时，不应考虑多层岩溶层对桩侧起摩阻作用，仅将这种摩阻作用视作安全储备。通常不仅不应考虑多层岩溶层对桩侧的摩阻作用，而且在钻孔灌注桩施工过程中应采取措施将多层岩溶层与桩壁之间分隔开，使基桩承受的轴向荷载全部作用于桩底的坚固岩层上，可按支立于一般岩层上的柱桩分析方法进行桩的内力分析。桩的轴向容许承载力应根据溶槽或溶沟底面岩层的稳定性包括强度和缝隙等情况确定。岩溶地区的岩石裂隙发育，赋存丰富的裂隙水和岩溶水，桩基施工可能会出现渗水、漏浆，桩底沉淀土难以清除，在设计中应不计桩尖抗力的作用，以策安全。此外，设计时应重视桩基负摩擦力的影响[4]。一般地基土石在扰动之后都会在自重的作用下固结下沉，特别是由于大量开采地下水而导致地基软弱层相对桩基固结下沉，因而产生一个向下的摩擦力，即负摩擦力，从而增加了桩基所承受的轴向荷载，甚至可能导致桩基破坏。因此施工时，考虑在中性点以上消除负摩擦力的影响。克服负摩擦力的方法与解决岩溶层桩基破坏方法相似，但本质不同。对于岩溶地区的嵌岩桩，目前相关规范还没有规定桩底以下完整基岩的厚度。因此，要结合实际情况，采用适当的桩基形式和计算方法。当桥梁墩台下地基有呈上下成串分布的溶洞时，在充分探明溶洞最下层分布的前提下，宜采用直径小于1.5 m的钻孔灌注桩。若上面成串分布的溶洞均较小，且有填充物时，可在钻孔至空洞时，先行压浆加固填充，待其凝固到一定强度后再依次往下钻孔压浆，直至按摩擦桩计算所需的桩长[5]。

2　工程概况

2.1岩溶塌陷现象

某施工中的引桥长度为865 m，共28跨，0#～23#墩上部为30 m小箱梁，23#～28#墩上部为35 m小箱梁。跨径组合为(23×30+5×35)m。下部结构均采用分幅T型板墩，30 m跨采用2.5 m厚承台配2根D160 cm的钻孔灌注桩，35 m跨采用3 m厚承台配2根D180 cm的钻孔灌注桩，均按端承桩设计，如图1所示。桩基要求进入单轴抗压强度大于10 MPa的微风化岩石，嵌岩深度为1.5倍桩径，持力层不低于4 m。引桥0#～16#墩区域发生地面沉陷，影响范围沿路线方向长约500 m，宽60 m，总共发生五处较大地面沉陷，其中6#墩附近的地面沉陷最大最严重，直径约50 m。桥位附近的鱼塘和养猪场也有不同程度的影响。15#墩塌如图2所示。

图1　引桥端承桩设计图

图2　15#地面墩塌

引桥14#B桩冲进至标高-37.821 m，地质钻探资料显示为-38.66～-37.86 m为溶洞，全填充，充填粉质黏土夹砂，发生严重漏浆事故，孔内水头标高一下损失20 m左右，冲机操作手迅速将锤往上提，提3 m左右冲锤已拉不动，同时施工人员发现桩基钢护筒开始往下沉，下沉距地面约3 m周围地层也开始慢慢下沉。该孔位由于有溶洞，根据项目部的施工方案，该孔在开冲前下沉钢护筒13.5 m，然后对该处溶洞进行孔内溶洞单孔压浆处理，共压了99.1 t水泥浆。凌晨一点十分，管理人员发现在距6#墩桩位约30 m处的混凝土路面15#墩右幅墩位开始下沉，路面开始变形，接着该处地面也开始大面积慢慢下沉，范围越来越宽，最终发展为直径约40 m的大坑。约半小时后，施工人员发现3#～7#墩范围内地面有不同程度的开裂，并伴随着慢慢下陷，最终都发展为几十米直径范围的大坑，其中6#墩附近的预制场地面下陷最为严重。另外，桥位外的鱼塘和养猪场也有不同程度的坍塌。

2.2引桥桩基溶洞分布情况

（1）O#～18#墩地质钻探资料：20～30 m粉（细）砂层、2～10 m中粗砂、风化岩、微风化岩。覆盖层砂层厚，自稳性差，岩层裂隙发育，溶洞相对较少，但个别溶洞超深。10#B桩有层深10.3 m，取样均为微风化灰岩，在终孔位置(-51.865 m)发生漏浆，估计裂缝较发育，18#C溶洞呈串珠状分布，层深1～3 m，扩散深度深达37.7 m的溶洞。

（2）19#～23#墩：征地原因，地质未钻探。

（3）24#～27#墩地质钻探资料：20 m粉（细）砂层、15 m卵石层、岩层；覆盖层砂层厚，自稳性差；岩层裂隙发育，溶洞较发育区；基本每条桩基都钻探发现存在溶洞，少则一二层溶洞，多则八九层溶洞。

3　岩溶桩基验算分析及塌陷灾害处置

塌陷前引桥各桥墩施工情况汇总如下（同一桥墩位置桩基编号以沿路线前进方向从左向右依次为A、B、C、D）。+1.6 m桩基：50条，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桩基：6条，24#ABD、27#ACD（南引桥16#～28#墩，除24#、28#墩，其余墩未施工）；承台12个，1#墩、3#墩、4#墩左右幅，6#墩、7#墩、8#墩左右幅。墩身：3个，3#墩左右幅，4#墩左幅。由于地面塌陷时桩侧土体对桩身的作用机理及力的大小没有相应的理论及计算公式，塌陷时沙层分层流动的情况未知，塌陷后土体的内力布置状况未知，难以准确分析桩身的实际受力情况。本次桩基验算分析采用包络理念，试算在不同假定状况下的桩基受力，力争能相对合理地模拟桩基实际受力状态，得出相对较为合理的评价。桩基建模采用综合分析程序MIDAS/Civil 2006，桩基按m法进行分析，分析采用了三种计算模式进行模拟。

计算模式一：桩基处在塌陷后斜坡坡面上的情况，接近此类情况的桩基共11根，具体为3# ABCD、5#ACD、6#AB、7#AB。

计算模式二：桩基处于塌陷中心区域，周围塌陷后地面线较为平整，桩基外露一定高度的情况。接近此类情况的桩基共4根，具体为4#ABCD。

计算模式三：桩基处于塌陷区之外范围，地面未出现明显垮塌（或沉降）的情况。此类情况的桩基共35根，具体为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。

每种计算模式按承台是否施工分成I类和Ⅱ类。I类为承台未施工的情况，其按单根桩建模分析；Ⅱ类为承台已施工的情况，由于横桥向桩顶（承台）发生偏位，需建立桩与承台的框架模型计算分析。综合计算分析，初步判定27根桩基未超过理论极限强度，23根桩基已超过理论极限强度。

4　岩溶桩基处理

4.1已施工桩基的不纠偏利用措施

对偏位较小，未超过理论极限强度的桩基，可直接利用；对偏位稍大，但未超过理论极限强度的桩基，采用在桩周旋喷桩处理后利用，地表承台周围回填碎石土并压实。对部分横向偏位较大需打掉承台释放弯矩的桩基，采用桩周旋喷处理，填充桩侧空隙[6]。

4.2已施工桩基的纠偏后利用措施

对回填前后验算均未超过理论极限强度，在与运营荷载组合后，验算超过理论极限强度的桩基，需将桩基纠偏在容许的偏位范围内后利用。通过桩顶或承台施加与偏位反向力等措施，使桩基复位。反力点可考虑邻近反方向桩、计算后已废弃桩、地面堆载等作为纠偏拉力反力点，在桩基偏位反方向侧钻孔，解除一定深度的桩周土体约束。纠偏后先旋喷反方向侧后，再进行钻孔回填，以保证桩基稳定。

4.3补桩处理措施

对需纠偏的桩基，由于处在塌陷区范围之外或回填完成，根据现场纠偏的情况，纠偏效果不理想，据此改用补桩处理方案。

5　结　语

岩溶地质中的桩基施工复杂而充满许多不明因素,必须在施工前、施工中和施工后采取有效措施进行控制、检查,以保证桩基质量,消除隐患。

（1）加强设计及施工前的地质钻探,尽可能提供详实的地质资料,做到一桩一钻,个别桩位则要一桩多钻[7]。

（2）对于溶洞、失浆、坍孔、倾斜岩面等情况,要制定有针对性的切实有效的措施。

总之，在处理溶洞时应根据实际地质情况，综合考虑各种因素，选用安全、经济、合理有效的设计及施工处理方法，以保证工程质量和施工安全，缩短工期，降低工程造价。

[1]周磊.岩溶区嵌岩桩承载特性及其设计方法研究[D].长沙：湖南大学,2010.

[2]李修虎.桥梁桩基在岩溶地区的施工技术探究[D].合肥：安徽理工大学,2014.

[3]何鹏祥.岩溶区桥梁桩基施工技术及设计方法研究[D].长沙：湖南大学,2002.

[4]刘晓明,何青相,赵明华.岩溶地基上桥梁桩基设计优化方法研究与实例[J].中南大学学报：自然科学版,2014（5）:1653-1658.

[5]尹平保.陡坡段桩柱式桥梁桩基设计计算方法及试验研究[D].长沙：湖南大学,2013.

[6]苏冠峰.多层岩溶区桥梁基桩竖向承载性状试验研究[D].中南林业科技大学,2015.

[7]龚先兵,赵明华,杨明辉,等.岩溶区桥梁基桩极限承载力的突变求解方法[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

郭阔（1983-），男，辽宁铁岭人，工程师，从事桥隧设计工作。