岩溶区桥梁基础设计探讨
2016-09-26
1、前言
随着公路建设的快速发展和高速公路的修建，在岩溶地区上进行高速公路桥梁的设计和施工，常常无法避免。在岩溶地区，由于溶洞的存在，这就给桥梁基础的施工带来一定难度，即桩基的承载能力、桩基的施工等都会受到很大的影响。因此，为了确保桥梁基础的稳定性，在设计环节如何准确地确定基础地基持力层厚度、溶洞顶板安全厚度等，就成了桥梁基础设计的重难点。本文通过对岩溶地区桥梁基础的设计进行有关分析，以期能为岩溶地区的基础施工提供参考。
2、岩溶区基础地质勘察
为了进一步探查明溶洞分布、发育情况，为桥梁孔径和基础形式选定、桩位的调整及终孔标高、施工方案的确定提供可靠依据，则须采用钻探和物探的方法对基础进行勘察。对于一些强发育的溶洞，则应逐桩钻探，并绘制溶洞的剖面图。在勘察时应注意以下几点：
2.1钻孔在完整基岩内钻进不少于5～10m，在该深度内遇到溶洞时钻孔应穿过溶洞，在洞穴底板完整基岩钻进不小于5m。
2.2多层溶洞地区，钻孔穿过多层溶洞后，顶板累计厚度达到5～7m以上时，再往下层的顶板需要钻进3m以上。
2.3邻近钻孔若岩层厚度相差太大或发现有扁平溶洞需进行补钻。
3、岩溶区溶洞顶板安全厚度的计算
溶洞顶板安全厚度的计算准确与否，关系着洞穴的稳定性，严重的会直接危害桥梁的安全。在具体计算时，由于溶洞发育的不规则性，在实际的设计时难以获取溶洞平面、立面大小尺寸等准确的岩体力学参数，这就使得计算顶板的安全厚度存在很大的困难。一般，在实际工程中采用如下几种方法计算顶板安全厚度。
3.1 结构力学近似分析法
首先假设溶洞的最不利溶洞横向尺寸，确定受力条件，然后按照顶板抗弯、抗剪要求，以下列的计算公式计算出顶板的安全厚度T1、T2，并取其最大值。
（1）顶板抗弯安全厚度计算
当洞体顶板完整性较好时，可按四周嵌固板验算其稳定性，板的最大弯矩在长边支点间的中心处，顶板安全厚度T1按下式计算：
式中：q――长边每延米均布荷载，kN /m；
L，b――洞体的平面长、短径；
σ――岩体弯曲应力，kPa，灰岩一般取其抗压强度的0.1～0.125倍。
当顶板岩层裂隙发育，可按不同情况，模拟为悬臂梁或简支粱情况进行计算。
（2）顶板抗剪安全厚度计算
式中：F――上部荷载传至洞体的竖向力，kN；
G――顶板自重，kN；
U――洞体平均周长，m；
?t――岩体顶板抗剪强度，kPa，灰岩一般取其抗压强度的0.06～0.13倍。
3.2极限平衡法
当溶洞顶板岩层完整，层理较厚，岩体强度高但洞跨较小时（小于3倍桩径），剪力是主要控制条件。此时，可根据极限平衡条件计算公式： T≥P，T=τ・H・L来计算顶板厚度，即：
式中：P――溶洞顶板自重、顶板上覆盖土层的重量和顶板上附加荷载的总 和，kN；
τ――桥基范围内的顶板抗剪力，kN；
L――溶洞的平面周长，m。
计算所得H再加适当的安全系数，即为顶板的安全厚度。
4、桩基的设计
岩溶区桥梁基础可根据溶洞的埋藏深度、规模、类型和岩石的完整程度选择不同的基础类型，则分为明挖基础和桩基础。一般，当溶洞位于地表6m以下，且溶洞以上地质承载力较好（地基承载力≥300kPa）时，尽量采用明挖基础。在此仅就桩基的设计进行论述。
桩基础是岩溶区桥梁最为常用且最有效的基础形式。根据地质情况和受力方式的不同，桩基础又分为摩擦桩和嵌岩桩。
4.1摩擦桩
岩溶区的摩擦桩主要有两种情况：一是覆盖层较深，其摩阻力足以提供桩基竖向承载力，桩尖不进入溶洞区；二是桩基础进入溶洞区，桩尖置于溶洞薄顶板或填充区。第一种情况和普通桥梁没有区别，设计时应视实际情况考虑加长桩基础。第二种情况较为复杂，由于桩基穿过溶洞，因此在设计中不计桩端阻力的作用，按摩擦桩计算基桩长度，并根据每根桩的实际地质情况逐验算。在实施过程中，若遇到溶洞，洞穴等不良情况，则应根据每根桩的地质补钻情况逐桩重新计算基桩长度。
4.2嵌岩桩
在设计时，一般要求嵌岩桩桩尖置于溶洞顶板上，不要落在溶洞内。而在实际施工时，很多嵌岩桩都会穿过岩板。因此在设计时，要求桩的承载力应满足下列公式的要求：
式中：h为嵌岩深度（不包括风化层），m；系数C1取为0；C2取为0.03；一般Ra不小于40000kN/m2。
不过，从式中可发现，桩的承载力仅考虑桩的侧摩阻力和桩底反力，且桩侧摩阻力系数对基桩深度计算影响很大。从这点看来，当桩的竖向位移微小，或是在实际计算时，可忽略土层侧摩阻力作用时，该计算公式适用。但是当溶洞土层的侧摩阻力过大，在计算时无法忽略时，仍旧采用上式公式，则可能就会导致嵌岩深度过大。
另外，在进行桩基础的设计时，除了要考虑上述因素外，还应注意下列事项：
（1）现行土工试验规范中，无法通过室内试验获得基岩极限摩阻力系数，地质报告所提供的基岩极限摩阻力系数经验值，与实际情况可能会有较大差异。因此，对于类似地质情况桥梁，若按摩擦桩设计，建议在施工图设计前，通过试桩获得基岩极限摩阻力。
（2）有些溶洞规模较大，直径可达6.0～7.0m，顶板厚度3.0m～5.0m，岩性较完整，岩石强度高，但有较大裂隙发育，如按规范中的嵌岩桩计算，桩底入岩较深，基岩顶板安全厚度很薄，不安全，且有较大裂隙，不宜作持力层，需穿透溶洞或采取特殊措施对溶洞进行处理。
（3）一般，桩的轴向承载力应根据溶槽或溶沟底面岩层的稳定确定。但在实际设计时，有部分墩台位下的溶洞呈多层分布，上下溶洞岩层厚度仅1.0m～2.0m，桩基必须穿过溶洞群，置于溶洞内的填充土层内。在实际设计中，桩长（桩的竖向力）按摩擦桩计算，但桩身内力与普通摩擦桩受力模式不同，建议设计中按第一层溶洞顶板为弹性嵌固点进行桩的内力计算。
（4）当桩基穿进多层岩溶层支立 于坚固的岩层上时，考虑到桩的轴向荷载分配的复杂因素，因此在在设计时可不考虑多层岩溶层对桩侧的摩阻作用，且在施工时，要求将多层岩溶层与桩壁之间分隔开，使基桩承受的轴向荷载全部作用于桩底的坚固岩层上，并按柱桩设计 。
（5）设计应注意桩基负摩擦力的影响。一般地基土石在扰动之后都会在自重的作用下固结下沉，特别是由于大量开采地下水而导致地基软弱层相对桩基固结下沉而产生一个向下的摩擦力（即负摩擦力），从而增加了桩基所承受的轴向荷载，甚至可能导致桩基破坏。因此，施工时应考虑在中性点（负摩擦力和正摩擦力分界点）以上用油毛毡或钢套管（管内抹油）作隔离层，消除负摩擦力的影响。克服负摩擦力方法与解决岩溶层桩基破坏方法相似，但原理不同。
总而言之，在修建岩溶地区的桥梁时，应先勘察清楚基础地质情况，针对其具体的地质状况，来确定基础的选型和设计方法、桩底的设计位置等，从而最终确保桥梁结构的安全性。
参考文献：
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