張科峰

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

巖溶（又稱喀斯特）是可溶性巖石在水的溶蝕作用下，產(chǎn)生的各種地質(zhì)作用、形態(tài)和現(xiàn)象的總稱[1]。隨著公路交通的不斷發(fā)展，許多高速公路不可避免地要穿越巖溶區(qū)，而形態(tài)各異、分布廣泛的溶洞卻極大地影響了公路工程的設(shè)計與施工。本文以廣東省某高速公路中的一座橋墩為例，簡單介紹了該墩的溶洞處治及樁基設(shè)計，旨在為同類工程的建設(shè)提供參考和借鑒。

1 項目概況

汕（頭）湛（江）高速公路云浮至湛江段及支線工程位于珠三角西部地區(qū)外圍，是廣東省高速公路網(wǎng)規(guī)劃“九縱五橫兩環(huán)”之“第二橫”的重要組成部分。三茂鐵路跨線橋為本合同段唯一的一座特大橋，采用上跨三茂鐵路的方式通過，與鐵路的交叉角度為53.94°。本橋互通區(qū)采用（5×25+5×25+4×25+25）m 先簡支后橋面連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁，設(shè)計荷載：公路-Ⅰ級；設(shè)計洪水頻率：1/300；地震動峰值加速度：0.05g。左幅35號橋墩為本橋的第3聯(lián)，采用1.4～1.6 m的雙柱式墩，墩高14.6 m。

2 地質(zhì)勘探

詳勘階段地勘單位對該橋進(jìn)行了詳細(xì)的勘探，共布置了109個鉆孔，基本查明了橋位處的工程地質(zhì)條件。工程地質(zhì)勘察報告顯示橋位處不良地質(zhì)為巖溶，極發(fā)育，溶洞高度大、深覆蓋，填充物密實度不均勻；且橋位處遇洞率為20%，工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜。本橋左幅35號橋墩原位鉆孔柱狀圖見圖1所示。

圖1 樁基原位鉆孔柱狀圖

3 樁基設(shè)計

3.1 溶洞的處治

巖溶區(qū)橋梁樁基設(shè)計必須要考慮溶洞的影響，目前溶洞處治常見的有如下3種方法：

a）片石、黏土等封閉法，此法適用于溶洞較小的情況。

b）護(hù)筒跟進(jìn)法，護(hù)筒可單層或多層，通過護(hù)筒的“支護(hù)、隔離”，達(dá)到正常成孔，此法適用于溶洞較大、上覆層較厚或單個溶洞不大但有串珠時。

c）靜壓注漿法，以壓漿固結(jié)填充物、或填滿溶洞，以提高溶洞中土體的承載力。

設(shè)計階段結(jié)合本項目特點擬定了溶洞處治方案，溶洞處治一般原則見表1所示，溶洞處治示意見圖2。由于該墩0號、1號樁基鉆孔柱狀圖中溶洞上覆土層均超過20 m，單個洞深均超過5 m，所以考 慮采用雙層護(hù)筒方案處治溶洞。

表1 溶洞處治一般原則

圖2 溶洞處治示意圖（單位：m）

3.2 嵌巖深度與承載力的對比

巖溶區(qū)樁基類型的選擇應(yīng)根據(jù)鉆孔資料中溶洞的具體情況、處治方式以及周邊樁基溶洞的發(fā)育情況綜合考慮。巖層較淺的采用端承樁，巖層較深的應(yīng)對摩擦樁與端承樁做比較，選擇經(jīng)濟(jì)合理的樁基類型；巖層埋深對于端承樁與摩擦樁區(qū)別不明顯時，考慮到端承樁沉降量小，優(yōu)先考慮采用端承樁。

一般地層端承樁的承載力按《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[2]JTG D63—2007（以下簡稱07地基規(guī)范）中5.3.4條計算,但巖溶區(qū)由于溶洞的存在必然對端承樁承載力產(chǎn)生不利。廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)《廣東省巖溶地區(qū)樁基設(shè)計與施工技術(shù)指南》[3]（以下簡稱廣東巖溶樁基指南）中通過對樁端阻力、總側(cè)阻力進(jìn)行折減來反映溶洞對樁基承載力的影響，所以相比07地基規(guī)范更符合實際情況?；?7地基規(guī)范修正后的端承樁單樁軸向受壓承載力容許值計算公式為：

式中：k1、k2分別為根據(jù)溶洞頂板厚度而定的樁端折減系數(shù)和總側(cè)阻發(fā)揮系數(shù)，其取值參見表2。其余參數(shù)詳見07地基規(guī)范。

表2 系數(shù)k1、k2取值參考表[3]

巖溶區(qū)端承樁的最佳嵌巖深度，應(yīng)根據(jù)樁頂荷載、巖溶區(qū)地質(zhì)條件、上覆土層厚度、持力層基巖、樁徑、樁長等因素綜合考慮。廣東巖溶樁基指南中通過數(shù)值分析，考慮嵌巖深度和溶洞頂板的相互制約條件下，其樁基嵌巖段樁端力、側(cè)阻力及總體承載力關(guān)系曲線見圖3。

圖3 樁基樁端力、側(cè)阻力及總承載力對比圖[3]

從圖3中可見，巖溶區(qū)由于溶洞的存在，樁基端承力隨著嵌巖深度的增加是減小的，雖然這個階段側(cè)阻力也在增加，但其幅度遠(yuǎn)比端承力的減小要慢，端承樁的總承載力基本隨樁端力的減小而減小，所以端承樁要首先考慮如何有效提高樁端力。

3.3 樁基類型、長度的確定

綜上所述，并結(jié)合本項目巖溶區(qū)端承樁嵌巖要求，同時本著優(yōu)先保證頂板安全厚度的原則，左幅35號墩樁基擬定為41 m端承樁，35-0嵌巖深度為4.1 m，頂板持力層厚度為3.8 m；35-1嵌巖深度為3.7 m，頂板持力層厚度為7.3 m。樁基嵌巖深度驗算見表3。

表3 樁基嵌巖深度驗算表

3.4 樁基強度驗算

樁基設(shè)計為1.6 m鉆孔灌注樁，均布32根25的HRB400鋼筋，其強度驗算見表4。

表4 樁基強度驗算表

3.5 樁基軸向承載力驗算

計算樁基承載力時不考慮樁基與鋼護(hù)筒間的摩阻力，且偏保守地認(rèn)為地質(zhì)柱狀圖最底層之下即為溶洞，采用公式（1）計算的35號墩樁基軸向受壓承載力見表5。由結(jié)果可知該墩樁基滿足承載力要求，且有一定的安全儲備。

表5 樁基軸向受壓承載力驗算表

4 頂板安全驗算

4.1 抗沖切驗算

巖溶區(qū)樁端巖層頂板的安全性對于端承樁的承載力及樁基安全都有著重要的影響，現(xiàn)在大量的研究表明，巖溶頂板較厚時樁端持力層多以沖切破壞形式發(fā)生。沖切破壞錐體對巖層側(cè)表面的剪應(yīng)力和拉應(yīng)力均存在，實際工程中為安全起見，也應(yīng)分別驗算。樁基巖溶頂板沖切破壞簡圖見圖4。根據(jù)力學(xué)平衡，可得沖切錐體的平衡條件為如下兩種模式（不考慮錐體的自重）。

4.1.1 模式1 剪切破壞

式中：K1為抗剪切破壞安全系數(shù)；P為樁端荷載（考慮附加荷載），kN；τ為巖體抗剪強度，kPa；D為樁基直徑，m；H為巖溶頂板厚度，m；θ為破壞錐體沖切角，θ=45°-φ/2（φ為巖石內(nèi)摩擦角）。

圖4 樁基巖溶頂板沖切破壞簡圖

4.1.2 模式2 抗拉破壞

式中：K2為抗拉破壞安全系數(shù)；σt為巖體抗拉強度，kPa；其余參數(shù)同式（2）。

附加荷載計算時偏安全的考慮護(hù)筒的自重，并對巖體強度考慮0.75的折減。根據(jù)相關(guān)參數(shù)，該墩樁基巖溶頂板抗沖切驗算見表6。

表6 樁基巖溶頂板抗沖切驗算

4.2 抗剪切驗算

巖溶區(qū)溶洞頂板比較薄時，在荷載作用下可能因抗剪強度不足而發(fā)生破壞，剪切體為一圓柱體，此種工況下頂板承載力較低，樁基巖溶頂板剪切破壞簡圖見圖5。根據(jù)力學(xué)平衡，可得剪切體平衡條件為：

式中：K3為溶洞頂板抗剪安全系數(shù)，其余參數(shù)同式（2）。

代入相關(guān)參數(shù)后得，35-0樁基K3=4.3，35-1樁基K3=8.5，滿足要求。

圖5 樁基巖溶頂板剪切破壞簡圖

4.3 抗彎驗算

樁端基巖由于溶洞的存在還可能因頂板抗彎能力不足而發(fā)生破壞，《巖溶地區(qū)公路基礎(chǔ)設(shè)計與施工技術(shù)指南》[4]認(rèn)為當(dāng)頂板厚跨比（H/L）不小于1時，可認(rèn)為頂板是安全的；當(dāng)頂板厚跨比（H/L）小于0.5時，彎矩作為主要控制因素，頂板安全厚度可按式（5）估算：

式中各參數(shù)詳見參考文獻(xiàn)[4]。

因樁基地質(zhì)鉆探未明確揭示溶洞跨度，所以文中考慮按H/L=0.5、0.4及按樁端45°應(yīng)力傳遞3種情況分別驗算，并假定按兩端固定梁計算，驗算結(jié)果見表7。從結(jié)果可知，頂板抗彎滿足要求。從后期實際施工中了解到，溶洞范圍35-0約為8 m，、35-1約為11 m，因此可認(rèn)為該樁基頂板是安全的。

表7 樁基巖溶頂板抗彎驗算

5 結(jié)語

a）通過對該墩樁基的溶洞處置、樁基設(shè)計及驗算、溶洞頂板持力層的驗算表明，本墩樁基是安全的，滿足設(shè)計要求。

b）從文中圖表可見，盲目加大嵌巖深度是不合理的，不僅對總承載力的提高有限，還增加了施工難度。

c）巖溶區(qū)端承樁需要取舍嵌巖深度與頂板厚度的情況下（一般認(rèn)為嵌巖深度+頂板厚度小于等于6D），在優(yōu)先考慮頂板厚度的前提下宜淺不宜深，一般在1D～3D之間擇優(yōu)取值。

d）文中對頂板的安全驗算中均認(rèn)為巖層比較完整、節(jié)理裂隙不發(fā)育或較發(fā)育。實際中應(yīng)根據(jù)巖層裂隙的發(fā)育情況、位置、膠結(jié)度等綜合考慮。

e）施工中要遵循“先已知后未知、先深（長樁）后淺（短樁）、先外后內(nèi)”的原則，地質(zhì)情況復(fù)雜的，也可先在樁位進(jìn)行鉆孔注漿，然后再進(jìn)行樁基成孔的施工處置方案[5]。