山區(qū)高速公路溶洞發(fā)育區(qū)的橋梁樁基設(shè)計(jì)

鄒霖，鄧宏斌（云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,昆明650011）

山區(qū)高速公路溶洞發(fā)育區(qū)的橋梁樁基設(shè)計(jì)

鄒霖，鄧宏斌
（云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,昆明650011）

在溶洞發(fā)育地區(qū)高速公路施工時(shí)，溶洞會(huì)對橋梁樁基承載力造成比較大的影響。溶洞發(fā)育地區(qū)施工時(shí)，常常會(huì)引起卡鉆、斜樁、塌孔、擴(kuò)孔、埋鉆等問題。為了保證施工質(zhì)量，需要合理地進(jìn)行山區(qū)高速公路溶洞發(fā)育區(qū)的橋梁樁設(shè)計(jì)。論

文以實(shí)際工程為例，分析了巖溶對工程結(jié)構(gòu)造成的影響，然后結(jié)合工程的實(shí)際情況對巖溶發(fā)育區(qū)橋梁樁基的設(shè)計(jì)措施進(jìn)行了探討分析。

山區(qū)高速公路；溶洞發(fā)育區(qū)；樁基設(shè)計(jì)

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.026

1　工程概況

K41+213核桃溝1號(hào)大橋位于瀘西縣核桃溝老寨，公路橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為I級(jí)，橋面的凈寬度為2伊11m,全橋左右幅各3聯(lián)：3伊29.5m+5伊29.5m+3伊29.5m，共6聯(lián)，上部結(jié)構(gòu)使用預(yù)應(yīng)力混凝土（后張）T梁，先簡支后連續(xù)梁。

2　橋梁樁基受巖溶的影響

2.1巖溶的實(shí)際變化

由于溶洞形式繁多，其主要包括大溶洞、巖面斜面陡坎、斜面溶洞、半邊溶洞、石柱、石筍以及溶溝槽等多種結(jié)構(gòu)形式見圖1。

圖1　鉆孔內(nèi)斜面陡坎、石筍、溶溝等示意圖

2.2溶洞對通過橋梁造成的影響

在橋梁實(shí)際施工過程中往往會(huì)受到巖溶的巨大影響，巖溶更會(huì)對橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性以及施工造成極大的影響作用，其表現(xiàn)主要是地基出現(xiàn)不均勻沉降。巖溶巖面的變化往往會(huì)使得上層覆蓋土質(zhì)產(chǎn)生壓縮變形，進(jìn)而使得水平方向上的土層厚度產(chǎn)生較大變化。對于土層較厚的溶槽來說，由于下部依然存在軟土，使得地基的不均勻性進(jìn)一步加強(qiáng)。而灰?guī)r溶洞的塌落使得巖體洞穴頂板會(huì)隨著溶洞的不斷發(fā)育而產(chǎn)生變化，導(dǎo)致穩(wěn)定性降低甚至出現(xiàn)局部塌落現(xiàn)象。當(dāng)淺埋、扁平狀、較大跨度的洞體等受到損傷時(shí)，多種結(jié)構(gòu)面將會(huì)被切割，從而對上部基礎(chǔ)產(chǎn)生巨大威脅。由于地下水不易排出，使得巖溶水的動(dòng)態(tài)變化對深水區(qū)域的橋梁安全性產(chǎn)生極大威脅。受到巖溶實(shí)際地形、位置、大小等多種不確定性因素的影響，在深水橋梁基礎(chǔ)鉆孔灌注樁施工過程中常常會(huì)出現(xiàn)突然失水、滲漏、掉鉆、卡鉆、偏孔以及彎孔和混凝土實(shí)際澆筑量急劇增加的多種潛在風(fēng)險(xiǎn)的影響。

3　巖溶發(fā)育區(qū)域橋梁樁基方案的設(shè)計(jì)

3.1制定樁基設(shè)計(jì)方案的重要性

在橋梁設(shè)計(jì)過程中，如果端承樁所處的位置為巖溶區(qū)時(shí)，一般會(huì)考慮將樁基直接穿過溶洞或者借助溶洞頂板的承載能力使其成為樁基持力層，而最終的選擇必須借助專業(yè)人員通過計(jì)算和分析完成。受到工程設(shè)計(jì)工期和施工任務(wù)的限制，一般采取直徑為溶洞頂板厚度5倍以上的樁基進(jìn)行支撐，倘若難以滿足該種條件要求，則應(yīng)當(dāng)借助樁基穿過溶洞嵌入下層基巖的方式進(jìn)行施工。但此時(shí)的樁身長度太長，使得施工難度增加，更造成了工程資源的巨大浪費(fèi)[1]。若樁基沒有穿透下層溶洞，頂板厚度較小，則會(huì)在上部長時(shí)間載荷作用下出現(xiàn)頂板破裂的現(xiàn)象，進(jìn)而出現(xiàn)橋梁沉降過大或者不均勻沉降，甚至?xí)斐纱髽虻顾?。只有設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)能夠根據(jù)詳盡的地質(zhì)勘測報(bào)告進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，定制出適合于當(dāng)前區(qū)域地質(zhì)情況的地質(zhì)設(shè)計(jì)施工方案，才能夠在保證橋梁結(jié)構(gòu)安全的同時(shí)減少經(jīng)濟(jì)投入。

3.2安全厚度的確定

在進(jìn)行巖溶區(qū)域樁基基礎(chǔ)持力巖層的安全厚度估測時(shí)，通常會(huì)將持力層看做一個(gè)剛性底板，其實(shí)際受力將全部來自于樁基基礎(chǔ)的垂直性載荷。根據(jù)相關(guān)施工規(guī)定進(jìn)行計(jì)算便可以獲得持力層頂板的實(shí)際獲得，如圖2所示。

豎向承載力計(jì)算公式如下：

式中，F(xiàn)td為樁底豎向受力值；βh為截面高度影響系數(shù)；ftd為持力層巖石抗剪強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值；σpc,m為設(shè)置有預(yù)應(yīng)力鋼筋板截面上預(yù)加力造成的混凝土有效平均壓力；Um為距離集中反力作用面h/2處被破壞的錐體截面面積的周長；h為頂板有效厚度；r0為結(jié)構(gòu)重要系數(shù)值，取1.0。

圖2　嵌入溶洞頂板的樁基模型圖

結(jié)合實(shí)際測量得到的地質(zhì)情況，ftd偏安全取值0.8MPa，應(yīng)力擴(kuò)散角取45毅。對樁底豎向位置進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證安全，樁底極限抗壓強(qiáng)度取值為30MPa。那么樁底豎向力設(shè)計(jì)值大小為：

把上述得到的數(shù)值帶入到公式中后計(jì)算得到h逸2.8d，經(jīng)過計(jì)算，可以得出當(dāng)樁端下部溶洞頂板的厚度為樁徑2.8倍時(shí)，溶洞頂扳的承載力可以滿足樁身豎向荷載的要求。

3.3保證嵌巖深度的合理性

根據(jù)施工圖要求，樁基嵌入到巖層的深度要超過樁徑2倍，該種要求對于強(qiáng)巖溶區(qū)域樁底標(biāo)高的確定產(chǎn)生了極大影響[2]。按照《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD 63—2007）中的要求驗(yàn)證嵌巖深度。通過豎向承載力和樁身穩(wěn)定性對其進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)合理的嵌巖深度不但保證了整體結(jié)構(gòu)的安全性，還加快了工程建設(shè)速度，節(jié)省資金投入。

經(jīng)過樁基擴(kuò)大基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)形式改變以及橋梁更改道路等多種優(yōu)化設(shè)計(jì)后，總工程全線減少樁基141根，使得工程的總體質(zhì)量和安全得到了有效保證。另外，采用該種方式加快了工程實(shí)際建設(shè)速度，減少了樁基溶洞處理的相關(guān)費(fèi)用。因此，采取優(yōu)化設(shè)計(jì)在避開樁基溶洞的過程中獲得了較為顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

4　結(jié)語

綜上所述，在進(jìn)行巖溶地區(qū)的公路橋梁樁基施工時(shí)，設(shè)計(jì)單位要在設(shè)計(jì)初期階段分析溶洞的分布規(guī)律以及溶洞的發(fā)育形狀。在進(jìn)行施工時(shí)，要嚴(yán)格按照規(guī)定要求計(jì)算樁基受力情況。根據(jù)本文中的計(jì)算方法確定樁底持力層標(biāo)高，保證施工的安全性。在實(shí)際施工時(shí)，當(dāng)遇到比較復(fù)雜的樁基溶洞時(shí)，設(shè)計(jì)人員要認(rèn)真檢查樁基實(shí)際開挖情況，并充分利用地質(zhì)雷達(dá)、超前鉆等措施調(diào)整樁基長度。本工程項(xiàng)目施工完成后，通過進(jìn)行靜載試驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)單位的方案是合理的、安全的。

【1】陳偉.巖溶山區(qū)高速公路橋梁樁基施工技術(shù)應(yīng)用探討[J].山西科技，2010(6)：72-73.

【2】王春武.高速公路隧道開挖方案與支護(hù)方案類型及方案確定探析[J].四川建筑科學(xué)研究，2014（4）：201-205.

Design of Bridge Pile Foundation in Karst Area of MountainousExpressway

ZOULin,DENG Hong-bin
（YunnanTraffic PlanningandDesign Institute,Kunm ing 650011，China）

In thedevelopmentofkarstcavearea to carry outthe construction of thehighway,the cave w ill havea large impact on the bearing capacity of the bridge pile foundation.Karst development area construction,often caused by drilling,inclinedpile,holecollapse,ream ingandburyingetc..Inordertoguaranteetheconstructionquality,thedesignof thebridgepilein thekarstareaofmountainousexpressway isneeded.Taking thepracticalengineeringasanexample,this paperanalyzes the influenceofkarston theengineering structure,and then discusses thedesignmeasuresofbridgepile foundationinkarstarea.

mountainhighway;karstarea;designofpilefoundation

U412.36+6;U443.15

B

1007-9467（2016）11-0092-02

鄒霖（1982～），男，云南昆明人，工程師，從事道路橋梁設(shè)計(jì)與研究。

2016-04-22