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        廣清城際北延線(xiàn)巖溶樁基設(shè)計(jì)總結(jié)

        2022-06-07 06:01:07張子為
        交通科技與管理 2022年10期

        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。

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