劉 洋

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

0 引 言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)交通設(shè)施的投資建設(shè)逐漸推進(jìn)，公路工程作為振興經(jīng)濟(jì)水平的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，其建設(shè)步伐也日益加快。由于我國(guó)各地區(qū)地形地貌較為復(fù)雜，其中巖溶地質(zhì)分布范圍較為廣泛，危害程度大，可能發(fā)生巖溶塌陷等病害。目前，在巖溶地區(qū)修建公路橋梁往往不可避免。在巖溶地區(qū)的公路橋梁建設(shè)過(guò)程中，由于橋面受到車(chē)輛循環(huán)荷載和路面附加荷載的影響，可能使得溶洞塌陷，引起地層變形，破壞橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，從而對(duì)公路橋梁的運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生不利影響，這些因素就決定了公路橋梁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)理念更加復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度也更大。根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的研究成果，巖溶地區(qū)的公路橋梁建設(shè)時(shí)往往采用樁基礎(chǔ)穿過(guò)不良地質(zhì)層。但是溶洞的存在，會(huì)對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)的承載能力產(chǎn)生一定程度的影響，與此同時(shí)可能導(dǎo)致橋梁樁基礎(chǔ)在施工時(shí)出現(xiàn)斜樁、塌孔、斷樁等事故。因此，研究巖溶地區(qū)的公路橋梁基礎(chǔ)如何確定基礎(chǔ)地基持力層厚度，如何選擇經(jīng)濟(jì)合理的橋梁基礎(chǔ)形式等具有十分重要的意義。這樣不僅能夠提高公路橋梁基礎(chǔ)的修建質(zhì)量，還可以為類(lèi)似巖溶地區(qū)的公路橋梁的建設(shè)提供理論指導(dǎo)，從而推動(dòng)橋梁工程建設(shè)水平的全面發(fā)展。

1 巖溶發(fā)育及巖溶橋梁基礎(chǔ)

1.1 巖溶的發(fā)育

所謂巖溶指可溶性巖石受到含有CO2的流水溶蝕，再加上沉積作用而形成的地貌。溶洞的結(jié)構(gòu)變化較大，存在的形態(tài)也各有差異，主要有孔內(nèi)大溶洞、斜面溶洞、陡半邊溶洞、石柱、石筍等，各形態(tài)依次如圖1所示。

圖1 常見(jiàn)的溶洞形態(tài)

1.2 巖溶地區(qū)公路橋梁基礎(chǔ)

(1)擴(kuò)大基礎(chǔ)。巖溶地區(qū)公路橋梁在選擇擴(kuò)大基礎(chǔ)時(shí)要遵循以下原則：第一，溶洞的覆蓋層厚度較小，土質(zhì)較好，溶洞較小，可以選擇明挖基礎(chǔ)，揭露溶洞的充填物，從而對(duì)淺層溶洞、溶溝進(jìn)行清除；第二，如果溶洞處在持力層范圍之內(nèi)，可以根據(jù)溶洞大小選擇砂礫或漿砌片石填，必要時(shí)可在基礎(chǔ)內(nèi)部加鋼筋網(wǎng)；第三，如果溶洞埋藏深度較大，溶洞中地基土以粘性土、砂類(lèi)土等以細(xì)顆粒為主，且溶洞上覆土層的承載力不能滿(mǎn)足規(guī)范要求，可選擇灌漿、砂樁等方法進(jìn)行加固。

(2)樁基礎(chǔ)。目前，樁基礎(chǔ)是解決公路橋梁巖溶地基效果最好的方法，也是巖溶地區(qū)最常見(jiàn)的公路橋梁基礎(chǔ)。樁基礎(chǔ)的形式主要有摩擦樁、嵌巖樁、擴(kuò)大基礎(chǔ)與樁基礎(chǔ)混合等。

2 巖溶區(qū)頂板設(shè)計(jì)安全厚度討論

2.1 設(shè)計(jì)安全厚度的確定

巖溶區(qū)頂板設(shè)計(jì)安全厚度在確定時(shí)要綜合考慮樁基尺寸、持力層土質(zhì)、施工技術(shù)等因素。根據(jù)建筑樁基技術(shù)規(guī)范可知：如果樁基礎(chǔ)下方存在軟弱下臥層，則巖溶區(qū)頂板設(shè)計(jì)安全厚度往往大于5倍樁基礎(chǔ)直徑。但隨著施工工藝的不斷進(jìn)步，在公路橋梁基礎(chǔ)中，大直徑鉆孔灌注樁的應(yīng)用日益廣泛。此時(shí)，如果建筑樁基技術(shù)規(guī)范要求的巖溶區(qū)頂板安全厚度計(jì)算，得到的安全厚度過(guò)大，實(shí)際工程中很難滿(mǎn)足要求。因此，研究巖溶區(qū)頂板設(shè)計(jì)安全厚度是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)程中十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。參考相關(guān)研究成果可知：對(duì)于巖溶地區(qū)的橋梁樁基礎(chǔ)，如果樁基礎(chǔ)端部巖層的節(jié)理裂隙不發(fā)育、完整性較好，設(shè)計(jì)安全厚度可取樁基礎(chǔ)直徑的三倍且不小于3 m；如果樁基礎(chǔ)端部巖層的節(jié)理裂隙發(fā)育、巖石較破碎，設(shè)計(jì)安全厚度應(yīng)當(dāng)通過(guò)抗彎承載能力驗(yàn)算來(lái)確定。

2.2 設(shè)計(jì)安全厚度的影響因素分析

(1)巖溶發(fā)育、頂板裂隙發(fā)育

如果頂板巖層節(jié)理裂隙不發(fā)育、完整性較好，可以通過(guò)按抗沖切驗(yàn)算、抗剪切驗(yàn)算、抗彎拉驗(yàn)算等公式來(lái)推導(dǎo)出巖溶頂板安全厚度。如果樁基礎(chǔ)端部巖層的節(jié)理裂隙發(fā)育、巖石較破碎，頂板巖層受到?jīng)_切作用力后可能會(huì)沿著節(jié)理裂隙破壞，則在使用上述驗(yàn)算公式時(shí)，應(yīng)該用巖石軟弱節(jié)理面的強(qiáng)度來(lái)替代巖石的強(qiáng)度。值得注意的是，巖溶頂扳的節(jié)理裂隙實(shí)際分布最精確的方法是鉆探，但鉆探法由于施工工期和施工成本的限制在工程中的應(yīng)用較少。目前，壓漿法是確定巖溶頂扳的節(jié)理裂隙分布應(yīng)用最廣泛的措施。

(2)頂板跨度、工作荷載

巖溶頂板跨度大小與頂板的抗沖切驗(yàn)算關(guān)系不大，且對(duì)頂板的抗剪切驗(yàn)算基本無(wú)影響。巖溶頂板跨度大小主要是與頂板的抗彎拉驗(yàn)算密切相關(guān)，主要原因是頂板的彎矩與頂板跨度呈二次正相關(guān)系。即隨著巖溶頂板跨度的增加，頂板的最大彎矩也隨之提高，反之亦然。工作荷載的大小也是巖溶頂板設(shè)計(jì)安全厚度關(guān)鍵影響因素之一。一般而言，工作荷載的大小與巖溶頂板設(shè)計(jì)安全厚度呈線性正相關(guān)關(guān)系。即隨著工作荷載的增加，巖溶頂板設(shè)計(jì)安全厚度也不斷增加。

(3)上覆土層的摩阻力

上覆土層厚度不大，巖溶地區(qū)公路橋梁樁基礎(chǔ)通常設(shè)計(jì)為嵌巖樁，且大部分嵌巖樁均屬于摩擦樁的范疇。因此，在設(shè)計(jì)樁基礎(chǔ)時(shí)需要考慮上覆土層的摩阻力，即可以通過(guò)降低樁基的摩阻力來(lái)減小樁端應(yīng)力，從而確保較小的巖溶頂板設(shè)計(jì)安全厚度就能滿(mǎn)足要求。

3 巖溶區(qū)公路橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法

3.1 巖溶區(qū)橋梁樁基設(shè)計(jì)原則

巖溶區(qū)公路橋梁樁基在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)遵循以下經(jīng)濟(jì)、技術(shù)方面的原則，如表1所示。

表1 巖溶區(qū)公路橋梁樁基設(shè)計(jì)原則

3.2 巖溶區(qū)橋梁樁基設(shè)計(jì)關(guān)鍵

(1)確定樁型、樁長(zhǎng)、截面尺寸

在巖溶地區(qū)選擇樁的類(lèi)型時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮地形地質(zhì)條件、施工設(shè)備、地下水位等因素，在此基礎(chǔ)上優(yōu)先考慮挖孔樁和灌注樁。如果巖溶區(qū)域的地下水位較低且排水通暢，可選擇人工挖孔樁。樁基長(zhǎng)度的確定一般與樁底持力層(樁基一般為嵌巖樁)的選擇密切相關(guān)。樁基截面尺寸可以根據(jù)樁的類(lèi)型初步擬訂。

(2)確定樁基數(shù)量及位置

樁基根數(shù)的確定是根據(jù)豎向承載力允許值，利用以下公式得到

式中：N為樁的根數(shù)，F(xiàn)為樁基礎(chǔ)豎向力的設(shè)計(jì)值，G為承臺(tái)重量及各種附加荷載，R樁基的豎向承載力允許值。

樁基礎(chǔ)在平面的布置位置可以是三角形、方形、矩形、梅花型等，同時(shí)樁基礎(chǔ)在布置時(shí)應(yīng)當(dāng)盡可能使上部荷載的作用中心與樁基的平面形心在同一條軸線上。此外，單根樁基礎(chǔ)的間距要控制得當(dāng)，巖溶地區(qū)的灌注樁間距可選1.5D，挖孔樁間距可選2.5D。原因在于：如果樁的間距過(guò)大，會(huì)造成樁的承臺(tái)造價(jià)過(guò)高，如果樁的間距過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致樁的承載力不能滿(mǎn)足要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)巖溶的存在，對(duì)公路橋梁樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、施工等都會(huì)產(chǎn)生各種不利影響，主要體現(xiàn)在地基不均勻沉降、溶洞塌落、地下水不易排出等方面；(2)巖溶地區(qū)公路橋梁基礎(chǔ)的常見(jiàn)基礎(chǔ)有擴(kuò)大基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)，橋梁基礎(chǔ)選擇時(shí)要對(duì)溶洞的規(guī)模大小和形態(tài)進(jìn)行綜合考慮；(3)如果巖溶地區(qū)樁基礎(chǔ)端部巖層的完整性較好，設(shè)計(jì)安全厚度可取樁基礎(chǔ)直徑的三倍且不小于3 m。

如果樁基礎(chǔ)端部巖層的完整性較差，設(shè)計(jì)安全厚度應(yīng)當(dāng)通過(guò)抗彎承載能力驗(yàn)算來(lái)確定；(4)設(shè)計(jì)安全厚度的影響因素主要有巖溶發(fā)育、頂板裂隙發(fā)育、頂板跨度、工作荷載、上覆土層的摩阻力等。此外，巖溶區(qū)橋梁樁基設(shè)計(jì)關(guān)鍵就是要確定樁型、樁長(zhǎng)、截面尺寸、確定樁基數(shù)量及位置，且樁基礎(chǔ)在布置時(shí)應(yīng)當(dāng)盡可能使上部荷載的作用中心與樁基的平面形心在同一條軸線上，巖溶地區(qū)的灌注樁間距可選1.5D，挖孔樁間距可選2.5D。