粤北常见桥涵地基的处理
2009-09-28
1 引言
粤北地区多为石灰岩、砂岩、花岗岩、变质岩等，一般埋深较浅。虽然没有沿海地区那么深的软土，但是也有因其它原因冲积而成的软土。另处，由于石灰岩溶蚀严重，造成地基犬牙交错，地基情况千差万别。过去对地质情况不重视，且为节省投资，常常不钻探。而即使进行了钻探，也毕竟是“一孔”之见，设计对地基的处理亦不可能十全十美。因此，施工过程中，地基情况五花八门，有时甚至与设计情况相差甚远，不得不现场处理。
笔者自参加工作多年来，处理了许多不同类型的桥涵地基。由于自己主要是在生产单位，故没有进行多少实验工作，许多处理方法都不是能用纯理论的计算方法精确地计算出来的，许多是理论与实践的结合，但又确实是行之有效的方法。下面将各种处理方法作一个简要总结，与同行探讨。
2 一般情况的地基处理
2.1 土质地基
对于这类地基，因为其承载能力满足设计要求，故一般仅需铲平，修整妥善后即可砌筑基础。为保证基底不致浸水，一般在基底以外另挖一比基底标高低30～50cm的集水沟排水。
2.2 岩石地基
对于花岗岩、石灰岩等较坚硬而又难以风化的基底，且埋深已在满足设计埋深以下的基础，一般只需清除表面风化层检平即可。如岩面有较大范围的倾斜，则可分级凿成台阶，然后冲刷干净。
对于红砂岩等较易风化的岩基，除应凿除表面风化严重的岩体外，一般尚应嵌岩60～100cm，因为在我局管养的许多地基为红砂岩的桥基，都有不同程度的冲空情况。如南雄的水南桥 、始兴县的关桥等。因此，验收基础时一定要严格真正意义上的嵌岩。在实际操作中，我们发现许多施工单位挖基时往往开挖得较基础尺寸大许多，或者用凿岩机将基础开挖得倾斜一定角度，造成“假嵌岩”。在这种情况下，验收基础时，应叫施工单位按基础尺寸用风钻修整至比较垂直的基坑，第一层基础不设模板满(砌)浇。如果是倾斜的，则设模板浇捣基础后，底层基础与岩面的三角部分用贫混凝土封填。
3 特殊地基的处理
这类地基主要是指对比设计所要求的承载力不足，或者基础范围软硬不一等等。
3.1 软土
粤北地区的软土多为淤泥质粘土或亚粘土，及缓流冲积而成的软粘性土，天然孔隙比较大，天然含水量大于液限，容许承载力一般介于0.1～0.2MPa之间，一些甚至低于0.1MPa。而我们的桥梁设计通常要求基底承载力在0.25～0.35MPa。在实践中，我们对于基底承载力在0.15～0.2MPa之间的天然基础，通常采用换填的方法处理。一般都用天然砂砾作为换填材料，扩散角按φ＝45°扩散。
对于承载力介于0.1～0.15MPa或小于0.1MPa的软土，由于用换土方法来处理时，通常垫层厚度超过2.5m，这样，如采用换土的方法，就显得不够经济。因此，通常采用如下两种方法：
(1)砂桩挤密法。
软土承载力低，往往是由于孔隙比大。因此，用砂桩挤密软土，减小孔隙比，达到提高基底承载力的目的。具体计算按《公路桥涵地基与基础设计规范》计算。
(2)松木桩挤密法。
在1975年《公路桥涵设计规范》7.45条和1980年《公路桥涵设计施工技术规范》第3.67条中，都有规定可以采用短木桩挤密法处理软土地基，但在1985年颁发的《公路桥涵地基与基础设计规范》JTJ024—85中，没有提及短木桩挤密法，这是否说明用短木桩挤密土壤不能使用呢?
粤北山区多松木，兴建桥涵时，遇软土地基，通常用短松木桩挤密软土，取得较好的效果，具体做法是：
a.用以加固的软土地基必须在满足设计埋深以下，且在年最低水位以下，以保证地基不被洪水冲毁，并防止木桩时干时湿，腐朽变质。
b.双人用钢钎，在基底周边及中心处，每隔一定距离(一般2～3m)，探明软土层厚度，以便于选定木桩的长度。
c.木桩的长度，一般不宜长于4m，因为过长，难于就地取材，材料较贵不经济，而且操作不易，但亦不宜短于2.5m，木桩的尾径为12～14cm。最好选用松木(因为有水浸万年松之说)，桩头用斧头削尖。
d.打桩有用三个把柄的叫三星锤，亦有用铸铁铸成的穿心锤，现在因为机械化程度高，常用挖掘机的挖斗倒过来扣压桩，工效非常高，仅需两人扶桩就位，由挖斗轻按至桩入土自稳，然后人走开，由挖掘机按压桩下去。一般每3～5min即可打一条桩。一般一个台班可完成一个基础的打桩工作。
e.打桩时，为使挤密效果好，必须由基底四周往内圈施打。
f.桩的布置以梅花形为好，桩间距离不宜小于3倍桩径。
g.打桩完毕应锯平桩头，使每根桩的桩顶基本水平。清挖打桩时挤出的烂泥，然后用天然砂砾回填，一般厚度为60～80cm，保证基础不包桩头，使受力均匀。
h.最后取土样做土工试验，或用长杆贯入仪验证处理后地基的实际承载能力是否满足设计要求。
按以上方法，十几年来我们分别处理了许多桥的地基，如1993年在国道323线南雄建造的修仁桥，跨径16mT梁桥；1994年国道106线上的径口桥，跨径13mT梁桥；1996年的官渡大桥，跨径20mT梁桥；1995年的翁源六里南门桥，跨径35m刚架拱桥等等，现均已通车多年，未发现由于基础变形所产生的破坏。实践证明是可行的。但是必须注意，虽然短木桩与软土之间有摩擦力存在，但不宜将短木桩按摩擦桩来考虑，同时即使短木桩有时会可能到达持力层，也不能完全作为支承桩考虑，短木桩只起挤密土壤，提高地基承载力的作用。短木桩与加固后的土壤应作为一个整体来考虑，即作为“复合地基”。
3.2 基底软硬不一，不均匀
对于这类地基，我们常常是根据其不均匀程度，具体问题具体分析。对于完全是土质的或有土有石的，在同一个基础土多石少或石多土少，或一边是土一边是石，或中间是石两边是土，或两边是石中间有土的，或是石笋林立的，处理方法都不同，下面分别介绍。
3.2.1 整个基底都是土质的，软硬差别小
这种地质，由于都是土质的，虽然存在基底承载力不均匀的情况，但一般差别不会大。这时我们一般先弄清在基底范围内软硬所占的比例大小及钎探软层的厚度。如果软的占比例小，一般为1/3以下，且厚度不厚(一般小于2m)，则采用挖去软土回填砂砾的方法处理；如果软的占比例较大，一般为1/3至1/2时，则采取加固软基的办法，常用密打松木桩的方法(因为要用挖掘机挖基础，一般可就近采购松木桩用挖掘机打桩，无需额外增加施工机械)，通常能加快施工进度。
3.2.2 基底有土有石，软硬差别大
这种情况我们首先要求施工单位将石、土的平面图画出来，然后再根据情况通过计算处理。
(1)石笋林立且较均匀。由于粤北地区许多地方为石灰岩地区，故一些桥基钻探资料显示为岩石(因为钻孔正好在石笋上)，但实际上挖出来时石笋林立，石笋间常夹有软泥，承载力通常仅为150kPa左右。且由于石笋在整个基底范围内比较多，且较均匀，间距小(一般小于1m)，对于这种情况，通常只需将石笋风化和尖凸部份炸去，各石笋炸至同一水平面满足设计埋深要求，清去部份软泥(一般1m)，然后回填砂砾(比石笋面高30cm左右)即可。基底按构造配筋，一般按12＠25布置。
(2)石笋林立不规则，石笋距离间隔较小。同样，首先将石笋平面图画出来，找出最不利的情况，作出相应的受力简图，一般分成简支、悬臂和连续三种形式，将基底所要求的承载力作为荷载加上去计算，将计算出来的弯矩作为基础配筋的依据。这种情况一般对于简支的，跨径以不大于3.5m为宜，局部地方局部处理，但配筋应保证有足够的锚固长度。对于简图为连续板梁形式的，一般跨径以不大于4.5m为宜，对于悬臂的以不大于2m为宜，这样，可保证弯矩不致过大，引起配筋过多。具体施工处理方法同(1)。但考虑到实际受力时，并不是象计算简图那样，跨间完全是空的，因此，我们在实施过程中，根据地质、土质及回填料的实际情况，作0.9～0.7的弯矩折减，通常土质好的折减少，土质差的折减多。
(3)石笋林立，不规则，且间隔较大。这种情况，如果仍用(2)法处理，一般配筋数量大，不经济。特别是对于一些基础，一边是岩石，一边是软土，且几乎各占一半的情况，其弯矩如按悬臂计算，钢筋甚至要几层才行。另外，受力时，另一端弹性变形也大。而基础一般混凝土标号不高(不超过25＃)，即使受拉钢筋配够，混凝土受压强度亦难达到要求，势必要做双筋设计，这是很不经济的。
4 工程实例简介
下面用两个施工实例，分两种情况介绍处理方法。
(1)国道106线上的官渡大桥，三号墩，上部构造为20m一跨的T梁桥，原设计为扩大基础，在施工过程中，发现上游为风化页岩，承载力能满足要求，但下游约有4.5m为软土(占整个基础1/3多)显然，如果不加处理，基础上、下游软硬不一极易在软硬分界处造成破坏。
为此，在现场，我们叫施工单位用长钢筋进行钎探，发现软土厚约4m，即可到岩层。考虑到施工单位没有钻机，决定采用人工挖孔桩处理(这样，无需额外添加过多的施工设备)。具体做法是，采用桩径为1.5m，壁厚30cm，20＃砼，共两个，间距为3m，1m一节，现场捣制，一节节，直到岩层，清洗干净桩底后，现浇15＃片石混凝土。然后基础分别搁置在岩石和两个挖孔桩桩顶，基础配筋按简支配置。该桥于1996年通车，至今使用良好。所以，对于这种情况，如果软土不深(一般不大于6m)，可采用挖孔桩处理。
(2)翁源县六里糖厂有一座桥，为3跨35m的钢筋混凝土刚架拱桥。钻探资料显示，河中墩基为石灰岩，覆盖层仅3.5～4m厚，因此设计时采用扩大基础。但施工过程中，二号墩挖至一定标高后，发现上游有岩石，但下游却为黑色软土，承载力约为150kPa，且软硬几乎各占一半，即基础范围内有6m是软土。经用挖掘机挖深3m，并用4m长钢钎探测，仍未见底，估计该层软土厚达8m。当时，一开始提出采用桩基，桩底嵌岩，然后在上面做一承台(承台搁在桩顶和岩石上)。这种方法当然最稳妥，但施工单位没有这套钻孔桩设备，经联系其它单位，因为只有这个基础两根桩，且还要重新钻探(担心有溶洞)，故工期要一个半月，造价要25万元，但该工程为地方集资，资金很紧，且临近汛期，不抓紧完成，将造成更大的损失。经研究，对软土决定采用密打松木的方法处理。具体做法是：
a.岩石部分按满足设计埋深再炸下去80cm(按当时标高应再炸深1.5m)。
b.软土部分采用12～14，长4m的松木桩，按间距50cm，梅花形从边往中打。由于考虑到岩石与软土软硬差别较大，故尽量多打松木桩。叫施工单位按以上方法打完后，再适当补桩，凡能打入桩的地方，均尽量打，打到桩有回弹的感觉为止，然后将挤出的烂泥清除。
c.以岩石面为标准，再回填80cm的砂砾(满足设计埋深)作为岩石的褥垫。经打桩处理的软土从桩顶往上亦回填砂砾至同一标高。桩顶面的回填砂砾应严格分层振动密实，而岩面的砂砾则可稍不严格。这样，可使软硬两端的沉降量适应。
d. 基底按?12＠25配置钢筋。
以上处理方法，除炸1.5m厚的石灰岩花去3天时间外，其余处理都非常顺利，一共用去6天时间，即完成了基底处理，加快了施工进度，节约了投资。从1995年竣工至今，未发现因基础处置不当所产生的病害，说明这种处治方法是可行的。
由于本人水平所限，上面所述错漏之处，在所难免，敬请各位同行批评指正
