蔣 鵬

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

某鐵路沿線巖溶出露廣泛，覆蓋層較薄，斷裂構(gòu)造發(fā)育，地下水豐富，巖溶現(xiàn)象發(fā)育，主要發(fā)育有溶洞、溶溝、溶槽、石牙、溶蝕裂隙、溶孔等，勘察揭示溶洞直徑最大超過(guò)50m。巖溶地區(qū)的橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，結(jié)合該鐵路線設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)巖溶地區(qū)橋梁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法。

1 巖溶地區(qū)橋梁必須有勘探詳細(xì)地質(zhì)資料

由于巖溶地區(qū)地質(zhì)的復(fù)雜性，詳細(xì)準(zhǔn)確的地質(zhì)資料是橋梁基礎(chǔ)選型和設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。只有布置科學(xué)合理的鉆孔位置，查明每個(gè)基礎(chǔ)范圍內(nèi)巖溶的發(fā)育規(guī)律、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)充填物性狀，才能合理設(shè)計(jì)橋梁基礎(chǔ)。巖溶地區(qū)的橋梁結(jié)合定測(cè)鉆孔資料，由梁跨和墩高初步擬定出基礎(chǔ)尺寸和樁基布置形式提供給地質(zhì)專業(yè)布置鉆孔。對(duì)于明挖基礎(chǔ)一般按對(duì)角線布鉆，每個(gè)明挖基礎(chǔ)至少應(yīng)有2～4個(gè)鉆孔，施工時(shí)需加強(qiáng)驗(yàn)槽，基坑開(kāi)挖后進(jìn)行物探探測(cè)驗(yàn)槽等。對(duì)于樁基礎(chǔ)，一般要求逐樁鉆探，條件困難時(shí)每個(gè)基礎(chǔ)不應(yīng)少于4個(gè)鉆孔，施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)補(bǔ)鉆。鉆孔在完整基巖內(nèi)鉆進(jìn)不少于5～10 m，在該深度內(nèi)遇到溶洞時(shí)應(yīng)穿過(guò)，在洞穴底板完整基巖內(nèi)鉆進(jìn)不小于5 m，必要時(shí)采用物探等其他方法予以補(bǔ)充。勘探后地質(zhì)專業(yè)提供每根樁詳細(xì)的地質(zhì)鉆探資料，繪制地質(zhì)剖面圖，詳細(xì)說(shuō)明溶洞深度、高度、填充物、巖面傾斜等情況。對(duì)于巖溶地質(zhì)復(fù)雜，如直徑過(guò)大、層數(shù)多、設(shè)計(jì)施工困難大的溶洞，需及時(shí)調(diào)整孔跨，有效避開(kāi)大溶洞，減小投資。

2 巖溶地區(qū)橋梁基礎(chǔ)形式的選擇

根據(jù)勘探揭示的溶洞規(guī)模及類型，選擇合適的基礎(chǔ)形式，能減少施工困難，降低投資成本。對(duì)于淺層、較小的溶洞，可視溶洞內(nèi)填充物的形式和密實(shí)程度，采用注漿等方式對(duì)溶洞進(jìn)行加固處理后，再選擇合適的淺基礎(chǔ)形式。

若溶洞位于基底以下一定距離，溶洞形態(tài)大小能探測(cè)清楚，溶洞直徑較小或頂板巖層厚度很大，頂板巖層完整性較好，一般可采用擴(kuò)大基礎(chǔ)如明挖和挖井基礎(chǔ)，有需要時(shí)可采用筏板基礎(chǔ)等。

樁基礎(chǔ)是處理橋梁巖溶地基最常見(jiàn)也是最有效的方法。當(dāng)橋梁地基下的溶洞較大，埋藏較深，但又不滿足頂板厚度檢算要求時(shí)，只能采用樁基礎(chǔ)。若溶洞的頂板很薄，溶洞內(nèi)的底面很深，且洞內(nèi)填充土較為密實(shí)，承載力較高，可按常規(guī)摩擦樁考慮。合理選取溶洞區(qū)樁側(cè)土的極限摩阻力是摩擦樁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。摩擦樁通常較長(zhǎng)，樁底部分的力一般難以發(fā)揮，樁底土的承載力可不予計(jì)入，為安全儲(chǔ)備。若溶洞頂板較厚，巖層完整性好，巖石承載力好，可采用柱樁基礎(chǔ)。柱樁基礎(chǔ)有承載力大、沉降小、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，樁身穿透多層溶洞和溶槽，嵌固在完整巖層上，是巖溶地區(qū)最常見(jiàn)的樁基礎(chǔ)形式。

3 嵌巖柱樁長(zhǎng)的確定

柱樁樁長(zhǎng)的確定需要考慮的因素比較多，只有確定合理的樁長(zhǎng)，使得樁尖嵌入合理的巖層并保證嵌入深度，才能有效發(fā)揮樁基的作用，保證設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。確定每根樁的合理樁長(zhǎng)，需要注意以下幾點(diǎn)。

(1)樁尖需嵌入基巖面一定的深度，當(dāng)嵌入深度很淺時(shí)，樁身混凝土與其側(cè)面巖石之間的摩擦力和黏結(jié)力難以保證，一般嵌入深度不得小于0.5 m，當(dāng)嵌入深度小于0.5 m時(shí)，其嵌入部分樁身側(cè)面承載力不應(yīng)考慮。一般認(rèn)為當(dāng)嵌巖深度大于3～4倍的樁徑時(shí)，可不考慮樁端下伏溶洞的影響。樁尖巖石持力層厚度的計(jì)算:對(duì)巖層比較完整，巖體強(qiáng)度高的巖層，通常根據(jù)溶洞跨度的大小，按溶洞頂板受彎和受剪的簡(jiǎn)化算法來(lái)粗略計(jì)算溶洞頂板厚度。一般視巖層的巖性和完整程度，樁端下有5～6 m持力層厚度的完整巖體認(rèn)為是安全的。

(2)地質(zhì)剖面展開(kāi)圖:為了繪圖的美觀起見(jiàn)，縱橫向繪圖比例通常情況下不一致，大部分情況是橫向比例大于縱向比例，鉆孔深度越深，縱橫向比例的差值越大，這樣一來(lái)，在地質(zhì)剖面展開(kāi)圖中顯示的地層線與實(shí)際地層線的傾斜度是不一樣的，原本很傾斜的巖層線，在地質(zhì)剖面圖中顯示可能就比較平緩，這樣易引起設(shè)計(jì)者的視覺(jué)誤差，按照剖面圖中巖層線確定樁長(zhǎng)易導(dǎo)致嵌巖深度不能滿足要求。

(3)地質(zhì)剖面展開(kāi)圖顯示的是沿著鉆孔連線方向的地質(zhì)情況，需要結(jié)合地質(zhì)鉆孔平面示意圖，判斷溶洞在空間的分布情況，以判斷溶洞的橫向發(fā)展情況。對(duì)于靠近溶洞發(fā)展方向的樁長(zhǎng)需要參考附近的樁長(zhǎng)確定，以保證樁身有效的嵌入基巖面。必要時(shí)需補(bǔ)充鉆探，探明設(shè)計(jì)樁位與溶洞的關(guān)系。

(4)群樁基礎(chǔ)每根樁由基頂傳遞下來(lái)的荷載大小與樁的平面位置及樁身的剛度有關(guān)，因此樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)中應(yīng)避免樁長(zhǎng)度一邊倒的現(xiàn)象，即應(yīng)避免承臺(tái)一側(cè)的樁長(zhǎng)與另一側(cè)的樁長(zhǎng)差值過(guò)大，這樣將導(dǎo)致群樁中荷載分布不均，影響到整體受力。

(5)位于坡上的橋墩基礎(chǔ)除考慮自由樁長(zhǎng)外，還需注意樁尖巖層是否為順層巖石，應(yīng)充分考慮巖層的順層角度及穩(wěn)定巖層線的位置等，確定合理的樁長(zhǎng)，適當(dāng)加大樁基配筋量，防止巖層整體滑移對(duì)樁基產(chǎn)生不利影響。

4 樁徑的選擇

樁徑的選擇需結(jié)合梁跨、墩高、承臺(tái)尺寸、樁長(zhǎng)、墩臺(tái)基礎(chǔ)下部結(jié)構(gòu)的剛度、地質(zhì)資料等多方面情況綜合確定。當(dāng)橋梁墩臺(tái)下地基有呈上下成串分布的溶洞時(shí)，在充分探明溶洞最下層分布的前提下，宜采用直徑不小于1.5 m的鉆孔樁。對(duì)于穿越大直徑溶洞的樁基宜選擇大直徑樁，可有效減少樁根數(shù)，既能減小施工困難，也能較好地滿足設(shè)計(jì)的要求。

對(duì)于穿越較大溶洞的樁來(lái)說(shuō)，若溶洞中無(wú)填充物或者填充物承載力較弱時(shí)，可以將穿越溶洞的這部分樁看做是下端嵌巖固定，上端鉸支的壓桿，按照混凝土構(gòu)件壓桿穩(wěn)定的簡(jiǎn)化算法。

具有縱筋及一般箍筋的軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性按下列公式計(jì)算

式中:N—計(jì)算軸向壓力(MN)，忽略溶洞頂部以上巖土層的摩阻力對(duì)樁身軸向的作用，近似按嵌入巖石層的鉆孔樁容許承載力計(jì)算。考慮巖石層破碎程度和清底情況為一般情況，嵌巖深取2倍樁徑，巖石單軸極限抗壓強(qiáng)度取8 000 kPa，計(jì)算各樁徑的容許承載力如表1。

表1 各樁徑嵌巖樁的容許承載力

φ—縱向彎曲系數(shù)，根據(jù)構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比查表確定，一端剛性固定另一端為不移動(dòng)的鉸時(shí)構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度l0=0.7D，D為溶洞直徑;

σ0—混凝土壓應(yīng)力/MPa;

m—鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值與混凝土抗壓極限強(qiáng)度之比，采用 C30混凝土及 HPB235鋼筋時(shí)，m值取11.8。

按壓桿穩(wěn)定計(jì)算的各直徑樁樁身混凝土壓應(yīng)力如表2所示。

表2 各直徑樁樁身混凝土壓應(yīng)力

當(dāng)鉆孔樁達(dá)到樁身容許承載力時(shí)，樁徑較大的樁能適應(yīng)于更大的溶洞，能較好的滿足受壓構(gòu)件穩(wěn)定性要求。

5 樁基展布圖輔助程序設(shè)計(jì)思路

地質(zhì)專業(yè)逐樁鉆孔后，按照一定的樁基布置路徑展開(kāi)生成地質(zhì)鉆孔剖面圖。根據(jù)逐樁平面關(guān)系圖和逐樁地質(zhì)剖面圖，設(shè)計(jì)者就能大致的判斷溶洞的空間分布情況。施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，為便于清楚的呈現(xiàn)各橋墩的樁基與溶洞空間的關(guān)系，常在地質(zhì)剖面圖中將樁基按一定的順序逐樁展開(kāi)布置，以較全面的展示各樁的設(shè)計(jì)信息，再根據(jù)各樁對(duì)應(yīng)的地層信息進(jìn)行詳細(xì)的工程數(shù)量計(jì)算。手工完成基礎(chǔ)展開(kāi)布置繪圖、工程數(shù)量計(jì)算及校核工作相當(dāng)繁瑣，尤其對(duì)于巖溶地區(qū)長(zhǎng)大線鐵路設(shè)計(jì)，需要耗費(fèi)相當(dāng)多的人力物力，尋求優(yōu)質(zhì)高效的計(jì)算機(jī)程序輔助顯得尤為重要。根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)思路，提出以下程序編制構(gòu)思流程，探索輔助程序設(shè)計(jì)編制方法(如圖1)。

圖1 樁基展布圖輔助程序設(shè)計(jì)

6 結(jié)束語(yǔ)

巖溶地質(zhì)對(duì)橋梁的危害很大，探明巖溶地質(zhì)情況是巖溶地區(qū)工程建設(shè)十分必要的前提，地質(zhì)勘察、設(shè)計(jì)和施工單位都應(yīng)給予足夠的重視，必須持有詳細(xì)準(zhǔn)確的地質(zhì)資料。進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)需針對(duì)不同位置的具體地質(zhì)情況采取不同的處理措施，確定合理的持力巖層，選擇合適的橋梁基礎(chǔ)形式，選擇合適的溶洞加固處理方式，確定合理的樁基樁根數(shù)、樁長(zhǎng)、樁徑等，綜合考慮各方面的影響因素，保證橋梁建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的安全。

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