李樟林

(湖南湘西自治州交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，湖南 吉首 416000)

巖溶區(qū)樁基承載力取決于3 個方面，即樁本身的材料強度、巖土層的支承能力、上部結(jié)構(gòu)的容許變形值。其承載力影響因素有施工層面的、設(shè)計層面的，以及地層固有的巖土特性。摩擦樁以嵌巖段側(cè)阻力、端承樁以樁端阻力為控制進行設(shè)計，本文以吉首市小溪橋為實例，分析樁徑的大小與嵌巖深度、頂板厚度之間存在的內(nèi)在關(guān)系，提出巖溶地層橋梁樁基設(shè)計中把握的原則和應(yīng)注意的問題。

1 巖溶地層樁基力學(xué)特性

巖溶地層是一種特殊的地質(zhì)構(gòu)造，巖溶是由石灰?guī)r等可溶性碳酸質(zhì)巖石在一定的地理環(huán)境條件如地形、氣候等影響下，長期受水的侵蝕溶解作用而形成的特殊地層。巖溶地層的顯著特點就是巖石溶蝕作用強烈，溶槽、溶溝、溶蝕裂隙、洞穴發(fā)育，或巖層間夾有土層，巖層的不連續(xù)，基巖的完整性遭到破壞，巖基的整體承載能力被削弱，地層的承荷能力具非均勻性。

1.1 巖溶區(qū)樁基承載力特性

巖溶地區(qū)的橋梁墩臺基礎(chǔ)多采用鉆孔灌注樁，樁基進入或穿過巖石地層，利用巖體的較高強度提高樁基的承載水平，減少樁的沉降。

鉆孔灌注樁分為端承樁與摩擦樁2 種形式，一般采用機械沖擊成孔或旋轉(zhuǎn)除土成孔，泥漿護壁，水下灌注樁身混凝土，但其受力特征明顯不同于打入樁或沉入樁。

荷載作用于樁頂向下傳遞，對于端承樁，樁端持力層支承力先于樁周側(cè)阻力發(fā)揮作用，以樁端持力層承荷為主;對于摩擦樁，樁身入巖段樁周側(cè)阻力先于軟弱地層樁周側(cè)阻力發(fā)揮作用，以入巖段樁周側(cè)阻力承荷為主。

巖溶的存在，溶洞頂板較薄、頂板失穩(wěn)時，端承樁則需穿過此層頂板轉(zhuǎn)化為摩擦樁或止于承載力強大的頂板成為端承樁。

1.2 巖溶地層橋梁樁基承載力影響因素

但無論是端承樁、還是摩擦樁，其巖溶的存在，對樁基的承載力的影響是顯而易見的。影響巖溶地層嵌巖樁承載力特性的因素主要有以下幾個方面:

1)施工工藝，如成孔方法、清孔情況、清底情況等。不同的成孔工藝會產(chǎn)生不同的孔壁粗糙程度和對巖層造成不同的損傷，孔底沉渣的有無不僅影響樁的設(shè)計承載力，甚至影響到樁的設(shè)計原則，超過一定厚度的沉渣將使全嵌巖樁變成了側(cè)阻嵌巖樁，這方面的影響通過完善施工工藝、規(guī)范施工操作等手段，是可控的。

2)樁的幾何因素，表現(xiàn)為樁徑大小、樁在土層中的埋入深度、嵌入巖體的深度，可以通過計算予以確定。

3)溶洞的幾何因素，包括溶洞的高度、跨度以及幾何形狀、充填類別、分布形態(tài)、頂板厚度等，可通過工程地質(zhì)勘察工作等手段和方法進行探查。

2 端承樁樁徑與極限嵌巖深度相關(guān)性

根據(jù)橋規(guī)D63，支承在基巖上或嵌入在基巖內(nèi)的鉆孔樁，即嵌巖樁單樁承載力一般由樁周土總側(cè)阻力、嵌巖段總側(cè)阻力和總端阻力三部分組成。

嵌巖段極限阻力R2=uc2hfrk

式中:u 為嵌巖段的樁身周長，m;Ap為樁端截面面積，m2;h 為極限嵌巖深度，m;frk為樁端巖石飽和單軸抗壓強度標準值，kPa，中風(fēng)化石灰?guī)r frk取25 MPa;c1為巖層的端阻力發(fā)揮系數(shù)，取0.3;c2為巖層的側(cè)阻力發(fā)揮系數(shù)，取0.024。

嵌巖段極限阻力計算模型見圖1。

不同樁徑極限嵌巖深度計算結(jié)果見表1，D －h(huán)關(guān)系曲線見圖2。

表1 不同樁徑極限嵌巖深度計算結(jié)果

從表1中可以看出，樁徑與嵌巖深度成反比，樁徑越大，所要求的嵌巖深度越小，對于巖溶地層的頂板厚度的要求就越低，最大嵌巖深度為2 倍樁徑。臨界安全頂板厚度條件下，要求嵌巖深度盡量的小，樁徑盡量的大。過大的樁徑帶來的是工程經(jīng)濟問題，樁徑越小，樁身工程量越小，成孔費用也越低。

綜合成孔機械設(shè)備與樁長，合理的樁徑為1.5～2.0 m，嵌巖深度為(1.5～0.85)D。

3 樁徑與持力頂板相關(guān)性

3.1 抗沖切分析

參考《CESC88:97 規(guī)程》，抗沖切公式為:

式中:ro=1.2;F 為沖切荷載，kPa;Rt為巖石抗拉極限強度，kPa，石灰?guī)r Rt=100 kPa;Um=π(D+h)，m;h 為樁端下持力層頂板厚度，m。

選用不同的樁徑，分析相同荷載作用下樁徑對臨界頂板厚度的影響，計算結(jié)果見表2，樁徑對頂板厚度影響曲線見圖3。

表2 頂板厚度計算結(jié)果

從表2可看出，隨著樁徑的增大，相同荷載下要求的臨界頂板厚度減小，但板厚均達到了5 m 以上，平均為樁徑的3 倍以上。同時也可看出，相同的持力頂板厚度下，隨著樁徑的增大，安全性在增大。

3.2 樁徑與頂板厚度相關(guān)性

當(dāng)溶洞頂板巖層比較完整、層理較厚、強度較高、洞跨較大時，彎矩是主要控制條件，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)近似分析法，抗彎安全厚度的估算結(jié)合頂板厚跨比值，h/L 小于0.5 時按梁板受力情況計算，最小設(shè)計持力層板厚為h=(6M/b［σ］)1/2(公式①)，巖溶頂板的承力工況可以簡化為3 種計算模型:懸臂梁、簡支梁、兩端固定梁。梁板計算模型見圖4。

1)頂板跨中有裂縫，頂板兩端支座處巖層堅固完整，按懸臂梁工況:M=PL2/2。

2)裂縫位于某一側(cè)支座處，而頂板完整，按簡支梁工況:M=PL2/8。

3)頂板和支座巖層均較完整，按兩端固定工況:M=PL2/12。

P 為頂板所受荷載，kN，包括頂板厚為 h 的巖體自重、頂板上部所留土層的重量、頂板上附加荷載;L 為溶洞跨度，m;b 為計算梁板寬度，m;［σ］為巖體抗彎強度，kPa，取抗壓強度設(shè)計值的1/8。

由公式①可以看出，最小頂板設(shè)計厚度由頂板的構(gòu)造特性、幾何特性、物理特性和頂板所受的荷載大小等因素決定，頂板厚度與樁徑相關(guān)聯(lián)體現(xiàn)在頂板上附加荷載方面。

4 工程實例

4.1 工程概況

小溪橋是吉首市人民南路上的一座公路橋梁，為老橋拆除重建工程，2012年6月建成通車。橋梁橋跨布置為(25+40+10)m，橋?qū)?4 m，先簡支后橋面連續(xù);其中25 m 采用預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T 梁，梁高1.7 m;40 m 跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T 梁，梁高2.5 m;10 m 跨采用空心板，梁高0.6 m。

橋位處工程地質(zhì)條件復(fù)雜，出露地層巖性為奧陶系下統(tǒng)盤家咀組灰?guī)r，屬可溶巖隱伏區(qū);橋址區(qū)附近有一條走向為東北向的吉首～古丈大斷層，位于橋址區(qū)西北方約3 500 m 處，走向北東向，傾向北西約300°，傾角為40°左右;另一條斷層位于擬建橋址區(qū)垂直于小溪橋大橋，從萬溶江中心平行穿過，走向近東西向，傾角約為75°，為一平移斷層，斷層帶寬約5～10 m。由于鉆孔未揭露斷層，橋址區(qū)不良地質(zhì)作用表現(xiàn)為巖溶發(fā)育。

由于斷層的影響，巖溶發(fā)育，地下水豐富，地下水和河水相互補給;擬建橋址處為可溶巖，巖體較破碎;工程地質(zhì)勘察工作中的25 個鉆孔中有24 個鉆孔見巖溶裂隙，占總孔數(shù)的96%。巖溶順巖層面發(fā)育，分布于整個橋址區(qū)，規(guī)模0.10～8.30 m，其中1～2 m 厚的巖溶較多，內(nèi)部充填粘性土，粘性土呈軟～流塑狀態(tài)，少量巖溶無充填物，其不良地質(zhì)作用強烈發(fā)育。其它相關(guān)系數(shù)見表3～表5。

表3 端承樁飽和單軸抗壓強度標準值［frk］

表4 樁側(cè)土的摩阻力標準值qik

表5 巖層端阻、側(cè)阻力發(fā)揮系數(shù)c1、c2

4.2 樁基設(shè)計

下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式墩臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，單排樁柱，每排橫向設(shè)5 根樁(柱)，樁基均按嵌巖樁設(shè)計。因橋位處為溶巖發(fā)育地區(qū)，樁基設(shè)計時，據(jù)工程地質(zhì)逐樁柱狀圖，對每根樁進行樁長設(shè)計，確保承載力均滿足要求。橋臺位置樁基直徑為φ1.3 m，橋墩位置樁基直徑為φ1.8 m。樁長確定原則如下:

1)嵌巖2.5D，樁底以下完整段3D，也就是樁底所在巖層完整段要求5.5D，D 為樁直徑。

2)要求樁側(cè)入巖深度大于1 m。

最長樁為2 號橋墩第5 根樁，工程地質(zhì)勘察鉆孔深度40.6 m，鉆孔時揭示地表以下至完整持力層有巖溶裂隙夾粘土層6 次、最大粘土填充厚度為5.2 m，位于樁基的上部;溶洞1 次，孔洞高2.9 m，位于樁基的下部，設(shè)計樁柱長度為45.97 m。

4.2.1 摩擦樁工況計算

依地質(zhì)報告，橋位中風(fēng)化灰?guī)r飽和抗壓強度為25 MPa，承載力為2 500 kPa，對樁身穿越的中風(fēng)化灰?guī)r單獨計算摩阻力，按每延米150πD 來計算，確保即使在樁端失效的情況下，摩阻力也能滿足要求。

4.2.2 持力層厚度計算

根據(jù)溶洞頂板彎矩控制和剪切應(yīng)力控制兩種力學(xué)計算模式計算，小溪橋多層溶洞樁端持力層厚度根據(jù)溶洞頂板溶蝕、裂隙情況和整體性，分別采用摩擦樁和嵌巖樁兩種情況分析計算。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，持力層為中風(fēng)化完整基巖頂板的計算厚度為3.2 m (φ130)和4.1 m (φ180)，作為樁基終孔最小控制溶洞頂板厚度?？紤]安全系數(shù)后，設(shè)計時按5.5D 進行控制，即控制厚度為7.15 m (φ130)和9.9 m (φ180)。

為檢驗樁基的承載能力，溶洞樁基在施工過程中采取大應(yīng)變檢測，檢測結(jié)果證明，樁基承載能力完全滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)語

通過橋梁樁基幾何特性與巖溶地層相關(guān)性分析，可以得出以下結(jié)論及建議:

1)樁徑的大小應(yīng)適應(yīng)上部構(gòu)造荷載，40 m 及以下跨度梁橋的合理樁徑為1.5～2.0 m。

2)端承樁樁端嵌巖深度應(yīng)不小于1.0D，且不宜小于1.5 m。

3)端承樁的樁端面以下的完整頂板厚度不宜小于5.0 m。

樁基礎(chǔ)是處理橋梁巖溶地基最有效的方法之一，不良地質(zhì)構(gòu)成的巖溶地基常引起地基承載力不足、不均勻沉降、地基滑動和塌陷等地基變形破壞，巖溶地區(qū)的樁基設(shè)計問題就成為工程建設(shè)中的突出問題。設(shè)計階段應(yīng)詳細了解巖溶的發(fā)育情況，應(yīng)科學(xué)選擇持力層的位置，正確估算樁端溶洞頂板的安全厚度。設(shè)計時應(yīng)遵循以下原則:

1)巖溶地層橋梁樁基工程設(shè)計上首先找符合條件的持力層位置，樁端的頂板厚度足夠，按端承樁設(shè)計，樁周摩阻力作為承力安全儲備;頂板厚度不夠，按摩擦樁設(shè)計，樁端阻力作為承力安全儲備。

2)端承樁應(yīng)驗算在附加荷載作用下溶洞頂板穩(wěn)定性，確定其頂板安全厚度。

3)在樁端入巖深度和溶洞頂板厚度兩個因數(shù)相互制約的條件下，設(shè)計中應(yīng)遵循“樁端嵌巖深度宜淺不宜深，優(yōu)先保證頂板安全厚度”的原則，嵌巖深度可根據(jù)基巖的特點(裂隙節(jié)理、巖溶發(fā)育程度、巖性、厚度等)在(1～3)D 范圍內(nèi)取最優(yōu)化值。如果頂板厚度在臨界值附近時，且頂板完整性較差，裂隙、節(jié)理發(fā)育強烈，應(yīng)對樁端持力層進行后注漿加固以確保安全性。

［1］JTG D63 －2007，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］張建華.巖溶區(qū)橋梁樁基樁長確定方法研究［J］.公路工程，2009，34(4):1 －5.

［3］謝生祥，暴秀芹，王媛媛.巖溶頂板安全處理厚度研究［J］.工程勘察，2010(S1):152 －157.