基金項(xiàng)目：廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)提升能力提升項(xiàng)目“基于截面剛度的大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋跨中下?lián)戏乐窝芯俊保ň幪?hào)：2022KY1131）

作者簡(jiǎn)介：楊 陽(yáng)（1992—），碩士，工程師，研究方向：橋梁樁基施工、橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)、橋梁焊接等。

摘要：文章根據(jù)巖溶峰叢地貌形態(tài)特點(diǎn)，以天峨至巴馬高速公路N0.5合同段為例，建立巖溶峰叢洼地豎直孔樁基礎(chǔ)物理模型，對(duì)巖溶峰叢洼地地應(yīng)力進(jìn)行分析，并根據(jù)橋位巖溶發(fā)育情況及現(xiàn)場(chǎng)施工條件，分析了巖溶峰叢洼地挖孔樁及鉆孔樁成孔過(guò)程的孔壁穩(wěn)定性，為天峨至巴馬高速公路N0.5合同段橋梁樁基礎(chǔ)施工提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：巖溶；橋梁；樁基；孔壁穩(wěn)定性

中圖分類(lèi)號(hào)：U443.15

0 引言

巖溶地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，我國(guó)巖溶主要集中在云南、貴州、四川、廣西等地區(qū) ^［1］。我國(guó)巖溶地區(qū)面積分布廣，因此部分公路橋梁選線(xiàn)時(shí)無(wú)法避開(kāi)巖溶區(qū)域，導(dǎo)致相當(dāng)多的橋梁修建在溶洞之上。在溶洞上建橋會(huì)對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)造成一定的影響，在施工中易出現(xiàn)卡鉆、漏漿、塌孔等事故，建成后若下伏地石不穩(wěn)，還會(huì)發(fā)生不均勻沉降，大大縮短橋梁的使用期限^［2-3］。巖溶峰叢洼地是巖溶地貌發(fā)育演變形成的特殊的地貌形態(tài)，是喀斯特作用最強(qiáng)烈、地形最復(fù)雜的一種典型巖溶地貌^［4-5］。天峨至巴馬高速公路N0.5合同段沿線(xiàn)主要為巖溶峰叢地貌，巖溶發(fā)育十分強(qiáng)烈，沿線(xiàn)溝谷主要采用橋梁跨越，部分橋梁樁基礎(chǔ)位于洼地中心。洼地中心附近的樁基受擠壓應(yīng)力的影響，樁基孔壁穩(wěn)定性問(wèn)題十分突出。目前針對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)的研究大多針對(duì)高強(qiáng)度巖石、普通的山區(qū)巖溶地帶^［6-8］，關(guān)于巖溶峰叢洼地方面的橋梁樁基礎(chǔ)研究較少。因此，本文結(jié)合天峨至巴馬高速公路N0.5合同段，針對(duì)巖溶峰叢洼地地貌類(lèi)型，對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)的孔壁穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

1 工程概況

天峨至巴馬高速公路N0.5合同段區(qū)域位于河池鳳山與巴馬交界處，區(qū)域主要為巖溶峰叢洼地地貌，洼地為封閉式洼地，山坳及山腳下多石芽、滾石?；鶐r主要為石炭系白云巖、灰?guī)r夾白云巖。洼地到地下河的高差約為200～300 m，洼地中發(fā)育有多層水平巖溶通道和多個(gè)垂直巖溶通道，垂直巖溶通道通過(guò)水平巖溶通道相連通。橋梁主要從洼地穿過(guò)，跨越洼地與兩側(cè)隧道連接，橋跨上部結(jié)構(gòu)主要采用30 m和40 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、嵌巖式樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)一般為20～25 m，個(gè)別樁長(zhǎng)接近30 m。

2 地應(yīng)力對(duì)孔壁穩(wěn)定性的影響

地應(yīng)力是存在于地層中且不受工程擾動(dòng)的天然應(yīng)力，由地殼巖石變形引起的介質(zhì)內(nèi)單位面積的力，主要是在重力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的共同作用下形成的應(yīng)力狀態(tài)，且其大小和方向隨時(shí)間和空間位置而變化^［9］。地形是影響地應(yīng)力的重要因素之一，巖溶峰叢地形地應(yīng)力的影響主要在地表附近，巖溶峰叢洼地的洼底區(qū)存在應(yīng)力集中區(qū)。地應(yīng)力的分布對(duì)樁基開(kāi)挖有很大的影響^［10］。高地應(yīng)力區(qū)樁基開(kāi)挖施工中，開(kāi)挖后巖體快速形成臨空區(qū)，圍巖應(yīng)力場(chǎng)邊界條件發(fā)生急劇變化，打破原有平衡，致使圍巖應(yīng)力發(fā)生快速調(diào)整，使得圍巖的瞬時(shí)應(yīng)力變化值較大，導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，可能造成樁基孔壁失穩(wěn)、樁基快速出現(xiàn)破壞，從而影響樁孔的成型質(zhì)量。

3 樁基礎(chǔ)模型

樁孔的圍巖強(qiáng)度參數(shù)根據(jù)地下工程巖體分級(jí)和經(jīng)驗(yàn)確定。根據(jù)圍巖分級(jí)，樁孔圍巖和結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)參數(shù)按表1和表2的經(jīng)驗(yàn)取值。

在巖溶峰叢洼地中，峰叢由連座山峰組成，山峰和峰座圍成峰叢洼地。建立峰叢洼地豎直孔樁基礎(chǔ)物理模型，如圖1所示：

峰叢洼地剖面由山峰1和山峰2圍成，山峰1和山峰2的峰座相連，峰座頂面為D1D2，洼地頂面為E1E2，峰座在洼地中交點(diǎn)為O，在洼地中施作樁基礎(chǔ)。在洼地中，OE1E2區(qū)域?yàn)閼?yīng)力松弛區(qū)，山峰和峰座對(duì)該區(qū)域不產(chǎn)生附加地應(yīng)力作用。OG1G2區(qū)域由于受到兩側(cè)山峰和峰座擠壓，增大水平地應(yīng)力，該區(qū)域樁孔圍巖將產(chǎn)生附加水平地應(yīng)力作用。兩側(cè)山峰的峰尖部分斜坡的延長(zhǎng)線(xiàn)C1F1和C2F2與樁位不相交，峰尖部分的巖體對(duì)樁位處不產(chǎn)生附加地應(yīng)力。

最大水平應(yīng)力方向?yàn)镃1C2連線(xiàn)方向，C1C2 連線(xiàn)到樁頂?shù)拇怪备卟顬镠，峰座頂面到樁頂?shù)拇怪备卟顬镠₁，洼地頂面到應(yīng)力松弛區(qū)底面邊界的高度為h₁，樁孔深度為h，則最大水平應(yīng)力為：

式中：σ_Hz——作用在樁孔圍巖上的最大水平應(yīng)力（kPa）；

γ、γ_a——分別為山峰巖體和洼地巖體的平均重度（kN/m³）；

K₀、K_a——分別為山峰巖體和洼地巖體的側(cè)壓力系數(shù)；

H——最大水平應(yīng)力的峰叢計(jì)算高度（m）；

z——從樁頂向下的深度（m）。

峰座產(chǎn)生的水平應(yīng)力為最小水平應(yīng)力，與最大水平應(yīng)力的方向垂直，其大小為：

式中：H₁——最小水平應(yīng)力的峰座計(jì)算高度（m）。

巖溶峰叢洼地覆蓋層中，由于應(yīng)力松弛作用，水平應(yīng)力只由覆蓋層的重力產(chǎn)生，即：

σ_H=σ_h=K_aγ_aH_a""" （3）

式中：K_a、γ_a、H_a——覆蓋層的側(cè)壓力系數(shù)、重度和覆蓋層厚度。

巖溶峰叢洼地橋梁樁基礎(chǔ)孔壁穩(wěn)定性分析/楊 陽(yáng)，肖紹碧，梁軍林，苗建青

4 巖溶峰叢洼地挖孔樁的孔壁穩(wěn)定性

4.1 挖孔樁護(hù)壁的承載力

取混凝土護(hù)壁度計(jì)算厚度為100 mm，安全系數(shù)取3.0，當(dāng)混凝土等級(jí)分別為C15、C20、C25時(shí)，不同樁孔直徑滿(mǎn)足挖孔樁穩(wěn)定性要求所需的護(hù)壁承載力如圖2所示。

由圖2可知，護(hù)壁混凝土強(qiáng)度越高，承載能力越高；樁孔直徑越大，承載能力越低。天峨至巴馬高速公路N0.5合同段挖孔樁直徑為2.0 m，采用C20混凝土護(hù)壁施工，護(hù)壁厚度為100 mm，土重度為20 kN/m³、泊松比為0.40時(shí)，巖石重度為27 kN/m³、泊松比為0.25時(shí)，則土層中允許挖孔樁的最大深度為25 m，巖層中允許挖孔樁最大深度為35 m。

4.2 峰叢附加地應(yīng)力對(duì)孔壁穩(wěn)定性的影響

考慮巖體的內(nèi)摩擦角為φ=20°，重度為27 kN/m³，泊松比為0.30，峰叢附加地應(yīng)力計(jì)算高度分別為10 m、20 m、30 m、40 m、50 m時(shí)，不同挖孔深度滿(mǎn)足挖孔樁穩(wěn)定性要求所需的圍巖強(qiáng)度如圖3所示。

由圖3可知，峰叢附加地應(yīng)力計(jì)算高度越高，圍巖凝聚力越大；挖孔深度越大，圍巖凝聚力越大。天峨至巴馬高速公路N0.5合同段挖孔樁的深度為20～25 m，孔深為20 m時(shí)凝聚力要求為170～400 kPa，孔深為25 m時(shí)凝聚力要求為200～425 kPa。不考慮不利結(jié)構(gòu)面影響時(shí)，Ⅳ級(jí)及以上圍巖可滿(mǎn)足挖孔20 m的要求，強(qiáng)度較高的Ⅳ級(jí)及以上圍巖可滿(mǎn)足挖孔25 m的要求?？紤]峰叢附加地應(yīng)力影響時(shí)，如果圍巖受結(jié)構(gòu)面破壞控制，只有硬質(zhì)巖結(jié)構(gòu)面結(jié)合良好的情況才能滿(mǎn)足孔壁穩(wěn)定要求。

5 巖溶峰叢洼地鉆孔樁的孔壁穩(wěn)定性

鉆孔樁采用旋挖鉆施工時(shí)，孔壁穩(wěn)定性與挖孔樁相同，旋挖鉆一般適用于土層中樁孔開(kāi)挖施工，不設(shè)護(hù)壁時(shí)的最大鉆孔深度為25 m。在軟弱地層中需要設(shè)護(hù)壁，一般采用鋼護(hù)筒跟進(jìn)鉆孔，護(hù)壁最大設(shè)計(jì)壓力為400 kPa，鋼護(hù)筒的最小厚度要求＞6 mm。巖石中的鉆孔樁常用回轉(zhuǎn)鉆機(jī)或沖擊鉆機(jī)，采用泥漿護(hù)壁，泥漿黏度為20 s，相對(duì)密度為1.1～1.4，砂土及卵石層采用較高的泥漿黏度。

5.1 不同結(jié)構(gòu)面類(lèi)型對(duì)泥漿護(hù)壁的要求

當(dāng)結(jié)構(gòu)面類(lèi)型為1類(lèi)和2類(lèi)時(shí)，鉆孔深度為25 m即可滿(mǎn)足自穩(wěn)要求，且在無(wú)護(hù)壁情況下不容易塌孔；當(dāng)結(jié)構(gòu)面類(lèi)型為3類(lèi)和4類(lèi)時(shí)，無(wú)護(hù)壁鉆孔容易塌孔，需要護(hù)壁才能滿(mǎn)足鉆孔穩(wěn)定要求。對(duì)于結(jié)構(gòu)面類(lèi)型為5類(lèi)巖土層，地層巖土的凝聚力分別為10 kPa、20 kPa和40 kPa時(shí)，不同內(nèi)摩擦角的地層對(duì)護(hù)壁泥漿的重度要求如圖4所示。

由圖4可知，地層巖土凝聚力越大，對(duì)護(hù)壁泥漿重度的要求越?。粌?nèi)摩擦角越大，對(duì)護(hù)壁泥漿重度的要求越大。當(dāng)泥漿護(hù)壁的重度為11～14 kN/m³時(shí)，只要地層巖土的內(nèi)摩擦角＞6°就可滿(mǎn)足鉆孔穩(wěn)定性要求?？紤]清孔要求，孔內(nèi)水柱的重度應(yīng)≥10 kN/m³，對(duì)巖土層的內(nèi)摩擦角要求是≥10°，除粉性土和淤泥外，對(duì)一般地層而言這個(gè)要求很容易滿(mǎn)足。泥漿護(hù)壁有一定的承載能力，經(jīng)濟(jì)性好，因此鉆孔樁可采用泥漿護(hù)壁施工方案。

5.2 峰叢地應(yīng)力對(duì)鉆孔穩(wěn)定性的影響

當(dāng)巖體的內(nèi)摩擦角為φ=20°，重度為27 kN/m³，泊松比為0.30，峰叢附加地應(yīng)力計(jì)算高度分別為10 m、20 m、30 m、40 m、50 m時(shí)，不同鉆孔深度滿(mǎn)足鉆孔樁穩(wěn)定性要求所需的護(hù)壁泥漿重度如圖5所示。

由圖5可知，峰叢附加地應(yīng)力計(jì)算高度越大，對(duì)護(hù)壁泥漿重度的要求越大；鉆孔深度越大，對(duì)護(hù)壁泥漿重度的要求越小。峰叢附加地應(yīng)力計(jì)算高度≤10 m時(shí)，泥漿護(hù)壁適用于＞10 m的鉆孔；當(dāng)峰叢附加地應(yīng)力計(jì)算高度＞20 m時(shí)，泥漿護(hù)壁適用于＞15 m的鉆孔。當(dāng)樁孔周?chē)鍏哺郊拥貞?yīng)力計(jì)算高度＞30 m時(shí)，且鉆孔深度＜25 m時(shí)，無(wú)法保證成孔和清孔，成孔或清孔過(guò)程中由于泥漿密度無(wú)法滿(mǎn)足要求而塌孔。有地應(yīng)力影響時(shí)，鉆孔樁孔口部分容易塌孔，可采用鋼護(hù)筒加強(qiáng)護(hù)壁，提高樁孔護(hù)壁的穩(wěn)定性。

6 結(jié)語(yǔ)

本文建立豎直孔模型，研究巖溶峰叢洼地中樁基礎(chǔ)成孔過(guò)程的孔壁穩(wěn)定性，得出以下主要結(jié)論：

（1）分析巖溶峰叢洼地豎直孔樁基礎(chǔ)物理模型，山峰和峰座對(duì)洼地應(yīng)力松弛區(qū)OE1E2區(qū)域不產(chǎn)生附加地應(yīng)力作用。兩側(cè)山峰和峰座擠壓，使OG1G2區(qū)域樁孔圍巖將產(chǎn)生附加水平地應(yīng)力作用。最大水平應(yīng)力方向?yàn)镃1C2連線(xiàn)方向，峰座產(chǎn)生的水平應(yīng)力為最小水平應(yīng)力，與最大水平應(yīng)力的方向垂直。巖溶峰叢洼地覆蓋層中，由于應(yīng)力松弛作用，水平應(yīng)力只由覆蓋層的重力產(chǎn)生。

（2）護(hù)壁混凝土強(qiáng)度越高，承載能力越高；樁孔直徑越大，承載能力越低。峰叢附加地應(yīng)力計(jì)算高度越高，圍巖凝聚力越大；挖孔深度越大，圍巖凝聚力越大。挖孔樁采用混凝土護(hù)壁施工時(shí)，黏性土地層中挖孔樁的最大允許挖孔深度為25 m，無(wú)黏性土地層不適合挖孔；巖層中巖體結(jié)構(gòu)面類(lèi)型3類(lèi)及以上時(shí)允許的最大挖孔深度為35 m。

（3）鉆孔樁采用泥漿護(hù)壁施工時(shí)，地層巖土凝聚力越大，對(duì)護(hù)壁泥漿重度的要求越??；內(nèi)摩擦角越大，對(duì)護(hù)壁泥漿重度的要求越大；峰叢附加地應(yīng)力計(jì)算高度越大，對(duì)護(hù)壁泥漿重度的要求越大；鉆孔深度越大，對(duì)護(hù)壁泥漿重度的要求越小。巖土層的內(nèi)摩擦角應(yīng)≥10°；峰叢洼地和覆蓋層中0～15 m范圍樁段不適合于泥漿護(hù)壁，可采用鋼護(hù)筒強(qiáng)支護(hù)，提高樁孔護(hù)壁的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

［1］李修虎.橋梁樁基在巖溶地區(qū)的施工技術(shù)探究［D］.合肥：安徽理工大學(xué)，2014.

［2］母進(jìn)偉，雷明堂，梁軍林，等.巖溶路基病害與處置技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀［J］.中國(guó)巖溶，2005（2）：89-95.

［3］朱方睿. 江西巖溶地區(qū)橋梁樁基承載性能數(shù)值分析研究［D］.南昌：南昌大學(xué)，2015.

［4］楊先武，錢(qián)葉青，鄭春霞.喀斯特峰林峰叢地貌形態(tài)表達(dá)研究綜述［J］.地理與地理信息科學(xué)，2017，33（4）：22-27.

［5］羅書(shū)文，呂 勇，吳克華，等.桂林峰林平原、峰叢洼地殘留中生代地層空間展布形成機(jī)制探討［J］.中國(guó)巖溶，2021，40（5）：805-814.

［6］胡鵬飛.巖溶地區(qū)水中超厚卵石樁基施工技術(shù)研究［J］.珠江水運(yùn)，2016，403（7）：72-73.

［7］郜江俊，肖 豹，蔣春桂，等.巖溶區(qū)樁基施工技術(shù)探析［J］.工業(yè)建筑，2022，52（4）：223.

［8］石振明，沈丹祎，彭 銘，等.巖溶地區(qū)樁基施工溶洞處理技術(shù)——以吉安永和大橋樁基施工為例［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2015，23（6）：1 160-1 167.

［9］王金安，李 飛.復(fù)雜地應(yīng)力場(chǎng)反演優(yōu)化算法及研究新進(jìn)展［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，44（2）：189-205.

［10］龐 彪.軟巖山區(qū)不規(guī)則地形樁基單樁豎向承載力有限元分析［J］.西部交通科技，2021，177（10）：59-62.

收稿日期：2023-03-20