岩溶地区桥梁基础设计

　文章编号:0451-0712(2005)08-0302-03 中图分类号:U44311 文献标识码:B

岩溶地区桥梁基础设计

万志勇

(广东省公路勘察规划设计院　广州市　510507)

摘　要:广梧高速公路马安～河口段有2km多的桥梁位于岩溶发育地区,在进行桥梁基础设计时,针对不同的岩溶分布情况,采用了多种处理措施,成功地完成了基础工程。以该项目为背景,总结岩溶地区桥梁基础的设计体会。

关键词:岩溶;桥梁;基础;设计

岩溶地质在我国分布广泛,特别是在南方省份,较为集中。广州～梧州高速公路马安～河口段位于粤西地区,因路线走向受各种因素制约,全线有2km多的桥梁位于岩溶发育地区。根据钻孔揭露的岩性,覆盖层由河流相粘性土、砂土及海陆交互淤泥组成,厚度一般为20m,有土洞分布。基岩以中泥盆统砂岩、灰岩为主,砂岩风化程度不均匀,普遍存在风化倒置现象;灰岩致密坚硬,平均强度为46M Pa。岩面起伏大,埋深为20～60m,溶蚀现象发育,最多1个钻孔有11个溶洞,最大的溶洞高达20多m,溶洞内普遍有亚粘土充填。

该地区岩溶的特点是:覆盖层较厚且有淤泥等软弱层;溶洞发育极完整,基岩埋深较深。在进行基础设计时,针对不同位置的具体地质情况,采用了多种处理措施。根据在该项目中取得的经验,对岩溶地区桥梁基础设计进行总结。

1　岩溶地区桥位地质勘察

在岩溶地区修建桥梁,地质勘察工作极为重要,它是合理设计、顺利施工、安全运营的前提与基础,设计人员应与勘察工作者进行有效沟通。对于桥梁基础至少要一桩一孔,对于复杂的溶洞,根据需要可布置多个钻孔。在钻进的过程中,应详细记录漏浆的情况,对于溶洞的充填情况应进行详细描述,并对充填物进行标贯试验。对于桩底的岩石,要特别注意记录完整情况,发现半边溶蚀时要高度重视。根据经验,岩石裂隙发育有溶蚀情况时,多数在钻孔旁边有溶洞。

关于钻孔的深度,应根据覆盖层的厚度及土性、溶洞的发育情况、基础的形式与尺寸合理确定。过早终孔不仅不能节省费用,反而因必要的补孔而增加费用,通常当连续完整基岩厚度达设计桩径的4倍时终孔是较为合理的,但也必须考虑可能遇到如图1所示的极端不利情况(该情况曾在实际工程中出现)

。

图1　钻孔可能遇到的不利情况

通过地质钻孔对溶洞分布情况的了解是极为有限的,在广梧项目中有几处导致地面塌陷的塌孔,塌陷处钻孔时未发现有溶洞。较为有效的方法是采用一桩3孔,并结合物探手段,得到桩位某个方向的地质剖面图,通过剖面图可以详细了解到溶洞的位置与形状。

收稿日期:2005-05-30

　公路　2005年8月　第8期 H IGHWA Y　A ug12005　N o18　

2　岩溶地区桥梁基础的布置

在岩溶地区修建桥梁,应根据经济比较,合理选择桥梁跨径及基础形式,尽可能地减少桩基的数量,从而减少溶洞处理的费用和风险,如:采用整体式三柱或两柱式桥墩代替分幅双柱式桥墩。在不影响桥梁整体美观的前提下,也可根据溶洞的具体分布情况,采用局部避让的措施,如:将双柱式桥墩改为独柱式桥墩,局部调整桥梁跨径等。

3　岩溶地区桥梁天然浅基础的应用

在覆盖层较厚且承载力较好的岩溶地区,根据桥梁的跨径和桥墩的高度,选用天然浅基础是个好方法,此时基础按刚性基础计算,但要注意保证溶洞顶部有一定厚度的完好岩体。当覆盖层很薄时,也可根据实际情况选用浅基础,采取注浆填充,支撑加固等方案处理溶洞。由于岩石的溶蚀作用非常缓慢(100年约5c m),在设计周期内,可不考虑溶洞的发展情况,但若存在有土洞,则必须高度重视,因为土洞的发展速度较快,在地下水位经常变动的地方更是如此。采用砂石或混凝土填充是较常用的方法。

4　岩溶地区桥梁桩基础的应用

411　支承桩及嵌岩桩

支承桩及嵌岩桩安全性高、抗震性好,是首选的桩基类型。当覆盖土层的摩阻力不足以提供桩基的竖向承载力,或不能满足沉降要求时,须采用支承桩或嵌岩桩,桩基的承载力可按规范公式计算。

此类桩基的设计难点是如何确定桩底岩层的厚度,通常认为桩底有连续3倍桩径的完整岩体是安全的,但无定量的理论依据。虽然目前有一些定量的稳定评价方法,但洞体受力状况、围岩应力场的演变十分复杂,要确定洞体破坏的形式和取得符合实际的岩体力学参数又很困难,同时受到勘探手段的局限,很难查清洞体与围岩的边界条件与性能指标,因此定量方法难以在工程实际中应用,半定量的方法如顶板抗弯抗剪近似算法、成拱分析法等,在工程中的应用也处在摸索阶段。嵌岩桩的嵌岩深度应尽可能小,这不仅可降低造价,而且不至于过多地削弱溶洞顶板的承载能力。

在进行溶洞顶板半定量分析时,关于桩底荷载的确定,是一个值得探讨的问题。规范公式忽略了覆盖土层摩阻力的有利影响,这对设计计算是偏于安全的。但若桩基位于多层溶洞中,且溶洞顶板厚度均不大时,不考虑上覆盖层及桩底以上溶洞顶板岩体的摩阻力,可能当桩长达到60m以上时,都找不到持力岩体,这显然不合理。此时可参考建筑桩基规范中嵌岩桩承载力标准值的计算方法,计入该部分摩阻力的有利作用:

Q uk=Q sk+Q rk+Q p k

式中:Q sk为土的总极限侧阻力;Q rk为嵌岩段的总极限侧阻力;Q p k为总极限端阻力。

412　摩擦桩

在岩溶地区采用摩擦桩有2种情况:一种是覆盖层的摩阻力,足以提供桩基的竖向承载力,桩基不进入溶洞区;另一种则是桩底进入溶洞区,并终孔在薄顶板或充填物中,此时计入覆盖层、溶洞充填物和溶洞岩体的摩阻力。前一种与普通桩基的设计计算没有太大区别,但要注意保证桩底与溶洞间土层及岩体的厚度,若有土洞则应先采取砂石充填或注浆等措施。后一种摩擦桩的计算,则要根据具体情况变通应用规范公式:

[P]=

1

2

(U・l・Σp+A・ΡR)

式中:U・l・Σp为桩侧土的摩阻力;A・ΡR为桩底土的修正承载力。

设计的难点是:合理选取溶洞区桩侧土的极限摩阻力及桩底土的承载力。

要解决这个难点,根据工程经验可选定这样的原则:对于完全不能确定的有利因素不予计算,对于可部分确定的有利因素采用安全系数折减计入。据此,溶洞为空洞或充填物松散时,不计该段摩阻力;溶洞为全充填且充填物较密实时,可将土的极限摩阻力按普通情况的50%计入;桩基穿过的溶洞顶板,可参考块石摩阻力的一半即300kPa计算,如已探明溶洞的跨度,还可通过半定量的方式,近似按悬臂梁验算岩体强度。

对于桩底支承力,计算时,可作为安全储备不予计入,因为这类摩擦桩大多是无法按支承桩设计,是不得以而选用。摩擦桩桩长通常较长,根据已往的试验,长摩擦桩桩底部分的力一般难以发挥;另一方面,由于施工时大多采用回填反复冲孔的方法,为了避免再次漏浆塌孔,通常清孔质量都不是太高,导致桩底土的质量不高;再有,此类摩擦桩桩底土的破坏模式与普通摩擦桩不同,规范公式的该项已失去理论依据;最后,若计入桩底力,则又会遇到底板安全厚度难以确定的问题。

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　2005年　第8期 万志勇:岩溶地区桥梁基础设计