張子為

摘要 廣清城際北延線(xiàn)位于粵北巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)，全線(xiàn)以高架敷設(shè)為主，復(fù)雜巖溶條件下的橋梁樁基設(shè)計(jì)是勘察設(shè)計(jì)工作中的重難點(diǎn)。根據(jù)項(xiàng)目地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)，總結(jié)了巖溶樁基勘察設(shè)計(jì)過(guò)程中的常見(jiàn)問(wèn)題，結(jié)合實(shí)例淺析了類(lèi)似地質(zhì)條件下的樁基選型原則，對(duì)巖溶區(qū)普遍存在的不等長(zhǎng)樁基受力及溶洞頂板安全厚度兩大最常見(jiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，以典型案例計(jì)算為引總結(jié)分析相關(guān)受力規(guī)律并提出了指導(dǎo)性設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞 巖溶地區(qū);基礎(chǔ)設(shè)計(jì);不等長(zhǎng)樁;溶洞頂板

中圖分類(lèi)號(hào) U443.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）10-0135-04

0 引言

我國(guó)約 1/3 國(guó)土面積地處巖溶區(qū)，尤以西南及其周邊分布最為密集。因巖溶區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)導(dǎo)致該區(qū)域工程勘察難度大、基礎(chǔ)施工風(fēng)險(xiǎn)高、建設(shè)成本代價(jià)大[1-4]。文章以粵北巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)的廣清城際鐵路北延線(xiàn)工程為例，總結(jié)分析了此類(lèi)環(huán)境中基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的的一些問(wèn)題及處理原則，梳理了項(xiàng)目勘察設(shè)計(jì)過(guò)程中的一些代表性案例，對(duì)規(guī)范中尚無(wú)明確規(guī)定的不等長(zhǎng)樁基受力及溶洞頂板安全厚度的問(wèn)題予以計(jì)算分析，為類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)及施工提供一定參考。

1 工程概況

廣清城際北延線(xiàn)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)該項(xiàng)目或該線(xiàn)）位于粵北清遠(yuǎn)市境內(nèi)，線(xiàn)路全長(zhǎng)19.736 km，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為時(shí)速200 km無(wú)砟無(wú)縫城際鐵路，全線(xiàn)以高架橋梁敷設(shè)為主，橋梁長(zhǎng)度占比為87.85%;結(jié)合地質(zhì)情況，全線(xiàn)橋梁均采用樁基礎(chǔ)。

沿線(xiàn)主要揭露的地層有第四系全新統(tǒng)（Q）人工堆積層與沖洪積層、泥盆系上統(tǒng)（D）泥質(zhì)粉砂巖、炭質(zhì)頁(yè)巖、粉砂巖及石灰?guī)r。線(xiàn)路所經(jīng)區(qū)域?qū)偃A南褶皺系粵中拗陷帶，位于花縣凹褶斷束北部，不良地質(zhì)主要以覆蓋性巖溶為主。巖溶發(fā)育情況定測(cè)期間判定為中等-強(qiáng)烈，隨著進(jìn)場(chǎng)后逐步補(bǔ)勘，揭露的強(qiáng)發(fā)育巖溶墩臺(tái)比例進(jìn)一步提高。此外部分墩臺(tái)位于灰?guī)r-砂巖交界段，基巖非常破碎，溶洞體量明顯偏大，巖面起伏大，甚至出現(xiàn)同一承臺(tái)半邊不足30 m見(jiàn)巖而另一半80 m仍未見(jiàn)巖的情況。該線(xiàn)灰?guī)r覆蓋層以全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖居多，該層風(fēng)化巖強(qiáng)度較好，但遇水易崩解，在地下水作用下，易在巖土界面形成土洞，一旦受到施工擾動(dòng)，則快速失穩(wěn)坍塌，施工安全風(fēng)險(xiǎn)高。

2 巖溶區(qū)橋梁工程勘察

目前鐵路工程巖溶區(qū)橋梁地勘按照分步實(shí)施、動(dòng)態(tài)調(diào)整的原則開(kāi)展。優(yōu)先實(shí)施角樁，并依此初判溶洞發(fā)育情況，若揭露巖溶中等或強(qiáng)烈發(fā)育則適當(dāng)增孔補(bǔ)鉆。該方式在鉆探初期有效保障了勘察效率，但隨著地質(zhì)核查及施工補(bǔ)勘的深入開(kāi)展，純靠角樁控制的方式暴露了一些問(wèn)題。

（1）該項(xiàng)目青欖海特大橋某墩12根樁定測(cè)期間僅鉆了四個(gè)角樁，未發(fā)現(xiàn)有溶洞，但該墩前后墩臺(tái)巖溶均為強(qiáng)烈發(fā)育。實(shí)際施工時(shí)，施工單位按照溶洞不發(fā)育選擇了泥漿比重偏低、護(hù)壁效果較差的旋挖鉆工法，鋼護(hù)筒下放長(zhǎng)度也偏短，在實(shí)施某無(wú)鉆孔樁基時(shí)，因潛伏溶洞頂板破裂，導(dǎo)致塌孔、地表塌陷。后經(jīng)逐樁補(bǔ)鉆，7根樁揭露有溶洞，巖溶發(fā)育情況為中等-強(qiáng)烈。

（2）該項(xiàng)目燕湖新城西特大橋某墩首次地勘僅在4、5號(hào)樁中心施鉆，其中4號(hào)鉆孔未考慮臨近5號(hào)孔溶洞橫向發(fā)育的可能，應(yīng)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)要求在4號(hào)樁邊緣靠近5號(hào)孔方向補(bǔ)鉆一孔，實(shí)勘證明溶洞已經(jīng)侵入原擬定的樁底區(qū)域，若僅按自身鉆孔確定樁底標(biāo)高，擬設(shè)計(jì)樁底距離溶洞頂板底僅不足3 m，承載力難以保證。

針對(duì)與上述問(wèn)題，該項(xiàng)目增加了強(qiáng)發(fā)育巖溶區(qū)的樁基鉆探量，設(shè)計(jì)時(shí)除了考慮樁基自身鉆孔資料外，也充分結(jié)合臨近鉆孔情況綜合判斷溶洞分布，必要時(shí)通過(guò)孔位微調(diào)、補(bǔ)增鉆孔的方式強(qiáng)化了斜巖、大溶洞邊界的探測(cè)。

3 巖溶區(qū)橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

3.1 基礎(chǔ)類(lèi)型選擇

根據(jù)基礎(chǔ)與覆蓋層、灰?guī)r層的位置關(guān)系，可分為接觸巖面和非接觸巖面兩類(lèi)。前者以嵌入灰?guī)r的柱樁為主，后者以摩擦樁、擴(kuò)大基礎(chǔ)、沉井基礎(chǔ)等為主，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)本身不接觸灰?guī)r，不擾動(dòng)灰?guī)r天然平衡狀態(tài)，充分利用巖體長(zhǎng)年累月自重作用下的穩(wěn)定性。

采用非接觸巖面的基礎(chǔ)方案要非常慎重，以摩擦樁為例，首先要確保下臥灰?guī)r層整體完整穩(wěn)定，在基礎(chǔ)附加應(yīng)力下不致引起巖體頂板垮塌失穩(wěn);其次樁底距離巖土界面要保持足夠距離，一是減少樁基對(duì)下層灰?guī)r的擾動(dòng)，二是前文提及巖土界面處有一定概率出現(xiàn)土洞，尤其是地下水豐富、灰?guī)r表層破碎時(shí)，更要保證足夠的安全距離。同時(shí)即便設(shè)計(jì)成摩擦樁，也應(yīng)開(kāi)展逐樁鉆探排查土洞存在的可能性。

參照建筑基礎(chǔ)規(guī)范[5] “當(dāng)基礎(chǔ)底面以下的土層厚度大于三倍獨(dú)立基礎(chǔ)底寬，或大于六倍條形基礎(chǔ)底寬，且在使用期間不具備形成土洞的條件時(shí)，可不考慮巖溶對(duì)地基穩(wěn)定性的影響”，結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，認(rèn)為覆蓋層經(jīng)鉆探排查無(wú)土洞發(fā)育且樁底距離灰?guī)r頂面超過(guò)3倍承臺(tái)短邊寬度，同時(shí)下方的灰?guī)r層溶洞頂板厚度超過(guò)3 m時(shí)，可考慮設(shè)計(jì)為摩擦樁，若下層溶洞頂板較厚、溶洞內(nèi)為全填充、灰?guī)r覆蓋層為不透水土層時(shí)，可適當(dāng)放寬樁底距巖面最小距離的要求。同時(shí)樁基布置上宜采用小樁徑、多根數(shù)的布置方式，以縮短樁長(zhǎng)分散應(yīng)力。

作為無(wú)砟軌道，沉降變形也是控制基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。采用摩擦樁時(shí)除了要驗(yàn)算整體沉降外，還應(yīng)結(jié)合基底下巖面起伏情況判定是否會(huì)因樁底壓縮層厚度不同導(dǎo)致同一承臺(tái)的差異沉降。北江特大橋某墩承臺(tái)一側(cè)深度約32 m見(jiàn)巖，另一側(cè)超過(guò)70 m深仍未見(jiàn)巖。即便通過(guò)增加樁數(shù)可保證樁長(zhǎng)28 m時(shí)樁基承載力及整體沉降滿(mǎn)足要求，但由于承臺(tái)橫向兩側(cè)樁基樁底壓縮層厚度差異，承臺(tái)橫向?qū)a(chǎn)生約7 mm的沉降差，即0.01 rad的傾角，最終綜合分析后，通過(guò)調(diào)跨避讓了該處不利地質(zhì)。

當(dāng)溶洞始終呈串珠狀分布，樁基無(wú)法進(jìn)入完整基巖時(shí)，也可考慮設(shè)計(jì)為嵌巖的摩擦樁。承載力計(jì)算時(shí)，僅統(tǒng)計(jì)灰?guī)r層內(nèi)各溶洞隔板的累計(jì)有效側(cè)阻力，一般認(rèn)為有效的隔板厚度不應(yīng)小于1 m，并取消樁底豎向抗力，按照[P]=RCUh計(jì)算。以常見(jiàn)的1.25 m樁基為例，C按0.02取值，R值在該線(xiàn)均值基礎(chǔ)上適當(dāng)折減取用15 MPa，經(jīng)計(jì)算當(dāng)灰?guī)r層內(nèi)溶洞隔板累計(jì)厚度超過(guò)6 m時(shí)，樁基承載力基本超過(guò)設(shè)計(jì)控制上限值7 000 kN，滿(mǎn)足受力要求，同時(shí)出于安全，還應(yīng)保證樁底立于隔板厚度不小于3 m的完整巖層上。

3.2 不等長(zhǎng)樁的受力計(jì)算

灰?guī)r區(qū)樁基受巖面起伏、溶洞分布影響，同一承臺(tái)各樁長(zhǎng)難以一致，目前群樁樁基主要采用基于等樁長(zhǎng)的“m法”計(jì)算，面對(duì)不等長(zhǎng)樁，仍按等長(zhǎng)樁計(jì)算得出的樁基內(nèi)力和實(shí)際情況會(huì)存在一定差異，以項(xiàng)目中常見(jiàn)的8根1.0 m嵌巖樁為例，分別建立等長(zhǎng)與不等長(zhǎng)群樁有限元模型，m值取用5 000 kPa/m，樁土間不考慮豎向約束，水平約束按土彈簧計(jì)，等長(zhǎng)樁樁長(zhǎng)30 m，不等長(zhǎng)樁25～36 m不等，但平均長(zhǎng)度30 m。

分別在墩頂施加縱、橫及豎向力，兩種情況樁基受力對(duì)照情況如圖1、圖2、圖3。

由圖可見(jiàn)：（1）由于短樁剛度高，內(nèi)力分配上明顯長(zhǎng)度更短的樁基分配的內(nèi)力更多。其中墩頂水平力下分配的差異較大，樁頂豎向力最大差異超過(guò)20%，而墩頂豎向力下兩者最大差異為6.5%。

（2）水平力產(chǎn)生的彎矩主要由群樁豎向反力平衡，因此等長(zhǎng)與不等長(zhǎng)樁基彎矩結(jié)果差異不大，不超過(guò)1%。

（3）由于不等長(zhǎng)樁各樁剛度不同，純豎向力作用下，樁身會(huì)產(chǎn)生額外的彎矩和剪力。該內(nèi)力大小一方面取決于樁長(zhǎng)差異，另一方面與土層 m值及樁徑有關(guān)，經(jīng)測(cè)算提高樁徑至1.25 m，彎矩值提了43%，維持樁徑不變，提高 m值至7 500 kPa/m彎矩值提高了8%。

目前鐵路設(shè)計(jì)院在群樁計(jì)算時(shí)普遍采用“空間樁基優(yōu)化設(shè)計(jì)繪圖程序”（B89），該程序在計(jì)算時(shí)也考慮了各樁的差異性。結(jié)合該項(xiàng)目中較常見(jiàn)的（32+32）m簡(jiǎn)支梁橋墩具體受力情況，選取兩組控制性荷載組合，對(duì)比等長(zhǎng)樁基及不等長(zhǎng)樁基分別按B89和有限元計(jì)算的差異。

經(jīng)計(jì)算B89與有限元計(jì)算結(jié)果基本吻合，兩者誤差不超過(guò)3.6%。鑒于B89計(jì)算便捷，誤差可控，對(duì)不等長(zhǎng)樁基的計(jì)算可在該項(xiàng)目上推廣使用。但無(wú)論采用何種方式計(jì)算，不等長(zhǎng)樁與等長(zhǎng)樁基樁頂力均有較大差異，采用B89計(jì)算時(shí)最大誤差9.3%，采用有限元計(jì)算時(shí)最大誤差12%。因此巖溶區(qū)樁基樁長(zhǎng)度差異較大時(shí)必須單獨(dú)驗(yàn)算分析。

3.3 溶洞頂板安全厚度及穩(wěn)定性判斷

鐵路橋梁基礎(chǔ)規(guī)范[6]中尚無(wú)關(guān)于巖溶區(qū)溶洞頂板安全厚度的明確規(guī)定或計(jì)算方法，公路橋涵基礎(chǔ)規(guī)范[7]中提出溶洞頂板厚度不宜小于3d。部分文獻(xiàn)[8-9]結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)及理論分析，提出了將溶洞頂板視為板、梁結(jié)構(gòu)，驗(yàn)算其抗彎、抗剪及抗沖切能力，并提出了相對(duì)簡(jiǎn)化的計(jì)算方法。為了便于了解溶洞頂板承載力的規(guī)律，找出適合該項(xiàng)目常規(guī)情況下合理的頂板厚度，參照上述文獻(xiàn)中按板、梁模式的簡(jiǎn)化算法進(jìn)行對(duì)比分析。計(jì)算模型分別按圓形等厚板、正方形等厚板及寬梁考慮，約束情況按照全部簡(jiǎn)支及全部固定分別計(jì)算，計(jì)算公式如圖4。

該項(xiàng)目灰?guī)r區(qū)常規(guī)簡(jiǎn)支梁段落樁基主要以1.0 m和1.25 m樁徑為主，巖面深度基本超過(guò)20 m，根據(jù)嵌巖樁受力機(jī)理，樁端承擔(dān)的荷載隨著樁長(zhǎng)增加而逐漸減少，目前尚無(wú)明確的分擔(dān)比例，出于保守，計(jì)算時(shí)按照1.25 m樁徑，樁底分擔(dān)5 000 kN計(jì)算各種模式的承載能力，泊松比取0.26。按照不同計(jì)算方法及不同頂板跨度依次計(jì)算頂板厚度2～6 m范圍的巖石最大拉應(yīng)力。

由圖5可見(jiàn)，按簡(jiǎn)支寬梁和圓形固結(jié)板計(jì)算的頂板應(yīng)力明顯異于其他模式。同時(shí)當(dāng)頂板厚度超過(guò)4.5 m后，各模式厚度-應(yīng)力曲線(xiàn)基本趨于平緩，說(shuō)明頂板厚度對(duì)頂板應(yīng)力的影響逐步變小。當(dāng)厚度超過(guò)4.5 m后，按圓形簡(jiǎn)支板、矩形簡(jiǎn)支板、矩形固結(jié)板、固結(jié)寬梁模式計(jì)算的結(jié)果非常接近，且頂板最大拉應(yīng)力均低于500 kPa。取用上述成果相對(duì)一致的四種模式里略偏保守的圓形簡(jiǎn)支板進(jìn)一步分析不同溶洞跨度條件下各頂板厚度對(duì)應(yīng)力的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著頂板的增厚，不同頂板跨度下的應(yīng)力差異越來(lái)越小，當(dāng)頂板厚度超過(guò)4.5 m時(shí)，跨度60 m與20 m最大拉應(yīng)力差160 kPa，當(dāng)頂板厚度達(dá)到6 m時(shí)，二者僅差90 kPa。

以上計(jì)算從板、梁受力情況推擬了溶洞頂板的受力狀態(tài)，雖然計(jì)算參數(shù)的選取可能會(huì)與實(shí)際溶洞形態(tài)及巖石物理性質(zhì)有一定出入，且計(jì)算時(shí)未考慮覆土壓力、多樁基作用等情況，但結(jié)合參考文獻(xiàn)中的一些試驗(yàn)數(shù)據(jù)，能夠基本明確溶洞頂板承載力的共性規(guī)律：

（1）溶洞頂板承載力僅與板、梁的尺寸、約束情況及材料有關(guān)，與溶洞洞高無(wú)關(guān)。承載力特點(diǎn)類(lèi)似板、梁結(jié)構(gòu)，隨著溶洞頂板厚跨比的增加而提高。

（2）根據(jù)部分仿真分析[10]，同一頂板跨度下，樁基承載力隨著頂板厚度增加而增加，但當(dāng)頂板厚度超過(guò)3倍樁徑時(shí)，承載能力增幅平緩。該節(jié)計(jì)算分析中也得出了類(lèi)似結(jié)論，即頂板厚度超過(guò)4.5 m（約3倍樁徑）頂板應(yīng)力受溶洞跨度影響較小，該結(jié)論與《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中建議的3d安全厚度基本吻合。

由于巖溶區(qū)巖石完整程度及溶洞頂板真實(shí)狀態(tài)很難精確判斷，任何計(jì)算方法與實(shí)際情況都會(huì)存在一定出入，因此該項(xiàng)目常規(guī)簡(jiǎn)支梁段落嵌巖樁在規(guī)范建議值基礎(chǔ)上適當(dāng)提高標(biāo)準(zhǔn)，除需滿(mǎn)足樁底距離溶洞頂板底層不小于3d的基本要求外，當(dāng)樁長(zhǎng)按摩擦樁計(jì)算承載力無(wú)法滿(mǎn)足要求時(shí)，還應(yīng)執(zhí)行樁底距離溶洞頂板底不小于5 m（連續(xù)梁等大跨結(jié)構(gòu)單獨(dú)分析）。

4 結(jié)束語(yǔ)

該文基于廣清城際北延線(xiàn)勘察設(shè)計(jì)及施工過(guò)程中的一些具體情況，總結(jié)了巖溶區(qū)樁基常見(jiàn)問(wèn)題的解決思路和處理原則。就受力分析中比較關(guān)注的不等長(zhǎng)樁基及溶洞頂板穩(wěn)定性進(jìn)行了定量分析，梳理了其力學(xué)規(guī)律，并提出了便于設(shè)計(jì)的參考數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)該項(xiàng)目的技術(shù)總結(jié)，進(jìn)一步指導(dǎo)項(xiàng)目后續(xù)工作的開(kāi)展，同時(shí)也為類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)及施工提供一定參考。

參考文獻(xiàn)

[1]謝琿， 王德華. 巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)， 2013（6）： 76-80.

[2]雷勇 劉澤宇 鄧加政. 洞跨對(duì)下伏空洞巖石地基極限承載力影響研究[J]. 應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)， 2021（5）： 1792-1800.

[3]柏華軍. 考慮溶洞頂板自重時(shí)樁端持力巖層安全厚度計(jì)算方法[J]. 巖土力學(xué)， 2016（10）： 2945-2952.

[4]鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)范： TB10027—2012[S]. 北京：中國(guó)鐵道出版社， 2012.

[5]建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范： GB50007—2011[S]. 北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社， 2012.

[6]鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范：? TB10093—2017[S]. 北京：中國(guó)鐵道出版社， 2012.

[7]公路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范： JTG3363—2019[S]. 北京：人民交通出版社， 2019.

[8]謝富貴. 巖溶地區(qū)橋梁樁基承載特性研究[D]. 西安：長(zhǎng)安大學(xué)， 2007.

[9]王革立. 巖溶地基嵌巖樁樁基特性分析于試驗(yàn)研究[D]. 長(zhǎng)沙：中南大學(xué)， 2002.

[10]謝書(shū)萌. 基于有限差分法的下伏巖溶對(duì)樁基承載特性的影響[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)， 2019（4）： 77-81.