山區(qū)不良地質(zhì)橋梁基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

周柏宇 張春麗

摘要 山區(qū)典型不良地質(zhì)條件主要有山區(qū)深厚覆蓋層、軟質(zhì)巖、強(qiáng)風(fēng)化巖、斷層破碎帶、斜坡地段、溶洞等。文章基于山區(qū)不良地質(zhì)條件下橋梁設(shè)計(jì)特點(diǎn)，通過分析山區(qū)不良地質(zhì)條件下橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段存在的難點(diǎn)，提出山區(qū)不良地質(zhì)橋梁基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，可為山區(qū)橋梁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞 山區(qū)不良地質(zhì);巖溶地區(qū);橋梁基礎(chǔ);優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào) U443.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）13-0105-03

0 引言

目前，隨著我國(guó)在交通工程領(lǐng)域的不斷發(fā)展，公路橋梁工程作為其重要組成部分，取得了迅猛發(fā)展。然而，由于我國(guó)存在大量山區(qū)，區(qū)域內(nèi)地質(zhì)情況各異，存在著眾多不良地質(zhì)，如山區(qū)深厚覆蓋層、軟質(zhì)巖、強(qiáng)風(fēng)化巖、斷層破碎帶、斜坡地段、溶洞等，這些不良地質(zhì)分布范圍廣泛且危害程度大。公路橋梁工程不斷向縱深化發(fā)展，部分橋梁必須穿越山區(qū)不良地質(zhì)。在山區(qū)不良地質(zhì)修建公路橋梁，與一般地質(zhì)條件相比有其特殊性。由于不良地質(zhì)體的承載力不足，在上部荷載作用下，不良地質(zhì)會(huì)對(duì)橋梁工程的安全性造成影響[1]。因此，對(duì)山區(qū)不良地質(zhì)條件下橋梁基礎(chǔ)開展優(yōu)化設(shè)計(jì)勢(shì)在必行。

1 山區(qū)不良地質(zhì)條件下橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)

山區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，不良地質(zhì)條件集中體現(xiàn)，對(duì)山區(qū)公路橋梁的安全性影響較大。山區(qū)深厚覆蓋層、軟質(zhì)巖、強(qiáng)風(fēng)化巖、斷層破碎帶、斜坡地段、溶洞、濕陷性黃土等不良地質(zhì)條件，都影響公路橋梁的安全性。在復(fù)雜地質(zhì)條件下橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過程中，主要存在以下幾點(diǎn)問題：

（1）區(qū)別于其他基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，山區(qū)橋梁基礎(chǔ)樁長(zhǎng)較長(zhǎng)。橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)樁端持力層土層性質(zhì)與類型有明確的規(guī)范。而上述不良地質(zhì)情況中的山區(qū)深厚覆蓋層、軟質(zhì)巖、強(qiáng)風(fēng)化巖等，勘察設(shè)計(jì)時(shí)均要求其不得作為樁基持力層，從而相對(duì)增加了樁長(zhǎng)，有時(shí)甚至造成超長(zhǎng)樁。山區(qū)相對(duì)堅(jiān)硬的巖石基礎(chǔ)，以及陡峭的地形，提高了樁基施工的難度，而樁長(zhǎng)增長(zhǎng)就更加大了樁基礎(chǔ)施工難度。樁端溶洞頂板厚度的選擇，應(yīng)充分考慮樁長(zhǎng)因素，千篇一律的定性設(shè)計(jì)規(guī)則會(huì)大幅增加施工難度和降低工程進(jìn)度，且常出現(xiàn)樁基設(shè)計(jì)過度的情況，從而會(huì)延長(zhǎng)工期，提高工程造價(jià)，降低施工質(zhì)量[2]。

（2）針對(duì)山區(qū)濕陷性黃土，要考慮結(jié)構(gòu)不均勻沉降帶來(lái)的不良后果。規(guī)范中要求樁長(zhǎng)必須穿透濕陷性土層，到達(dá)符合要求的持力層土層。而且一般設(shè)計(jì)人員在面對(duì)濕陷性黃土樁基設(shè)計(jì)時(shí)，出于結(jié)構(gòu)安全考慮，有時(shí)忽略濕陷性土層換填土的側(cè)摩阻力，同時(shí)又計(jì)算了土層產(chǎn)生的負(fù)摩阻力，導(dǎo)致計(jì)算樁長(zhǎng)增大。這種設(shè)計(jì)方法，特別是對(duì)山區(qū)橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)來(lái)講，大大提高了基礎(chǔ)造價(jià)，違背了工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性原則。

（3）對(duì)于深厚覆蓋層的橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，地勘提供的數(shù)據(jù)對(duì)確定土層參數(shù)取值指導(dǎo)意義不大，設(shè)計(jì)人員基于安全考慮，常常取其較小值，甚至不考慮側(cè)阻力，導(dǎo)致對(duì)樁基側(cè)摩阻力的過低估計(jì)，以及對(duì)樁長(zhǎng)或樁截面的計(jì)算結(jié)果偏大。

（4）我國(guó)部分山區(qū)，比如貴州等，多熔巖分布地帶。針對(duì)巖溶區(qū)樁基設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師常常缺乏對(duì)問題具體的分析與思考，遇到巖溶便慣性采用穿透溶洞式，未考慮不貫穿的可行性辦法，造成樁長(zhǎng)的增加等。

（5）山區(qū)少見平坦路段，多斜坡路段，針對(duì)斜坡路段上的橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究和試驗(yàn)較少，在斜坡橋梁的設(shè)計(jì)中，一般將其簡(jiǎn)化為平地，與實(shí)際情形存在較大出入，給橋梁工程的安全性帶來(lái)了不利影響。圖1為斜坡路段上的橋梁基礎(chǔ)。

2 山區(qū)不良地區(qū)橋梁基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 黃土覆蓋層場(chǎng)地橋梁樁基優(yōu)化設(shè)計(jì)

在橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過程中，現(xiàn)行規(guī)范對(duì)橋梁樁基的型式有具體規(guī)定：同一地段的橋梁設(shè)計(jì)不得同時(shí)采用端承型樁與摩擦型樁（圖2為樁基礎(chǔ)類型），有特殊設(shè)計(jì)需求除外，而規(guī)范并沒有明確規(guī)定不同地質(zhì)情況下采用的樁基類型，設(shè)計(jì)人員一般依靠工程地質(zhì)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定樁基類型。在工程勘察中，一般認(rèn)為碎石土、塊石和強(qiáng)風(fēng)化巖具有較好的承載力，可以作為橋梁基礎(chǔ)的持力層，一般選擇中風(fēng)化程度以上的巖層作為持力層。然而，在我國(guó)北部山區(qū)，巖層上部覆蓋厚度較大的黃土覆蓋層，對(duì)于這種地質(zhì)情況，勘察單位在充分掌握覆蓋層物理力學(xué)性質(zhì)的前提下，應(yīng)判斷黃土覆蓋層能否作為橋梁樁基持力層[3]。

若覆蓋層厚度大于40 m或樁基的長(zhǎng)寬比大于20時(shí)，按照規(guī)范設(shè)計(jì)人員可以將樁體按摩擦樁設(shè)計(jì)，從而優(yōu)化樁基設(shè)計(jì)，降低工程造價(jià)。若設(shè)計(jì)的樁基型式為嵌巖樁，同時(shí)硬質(zhì)巖層以上覆蓋有較厚的黃土層，則需要對(duì)樁長(zhǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在依據(jù)文獻(xiàn)資料的前提下，結(jié)合工程案例和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，若樁端為硬質(zhì)巖石，樁體嵌入巖石過長(zhǎng)反而不利于樁端承載力的發(fā)揮。針對(duì)此情況，規(guī)范中有著如下規(guī)定：若樁體嵌入土體長(zhǎng)度h≥4/α（α為樁土變形系數(shù)）時(shí)，分析受力時(shí)，樁長(zhǎng)在（0，4/α）范圍內(nèi)的部分可不考慮，深度大于4/α的樁體彎矩為零。若樁體此時(shí)所提供的豎向承載力滿足要求，樁體則不用嵌入硬質(zhì)巖石?？紤]到山區(qū)存在的碎石土較多，當(dāng)覆土層深度較大時(shí)，可以合理優(yōu)化樁體嵌入巖層的長(zhǎng)度。當(dāng)樁體長(zhǎng)度在20～

40 m或樁長(zhǎng)比在10～20之間時(shí)，可以結(jié)合巖石強(qiáng)度和覆土層深度，開展橋梁樁基的合理優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2 軟質(zhì)巖和強(qiáng)風(fēng)化巖地帶橋梁樁基優(yōu)化設(shè)計(jì)

軟質(zhì)巖和強(qiáng)風(fēng)化巖的承載力有限，在樁身承載力滿足上部荷載要求的情況下，應(yīng)采取增大樁身長(zhǎng)度的措施，范圍為3～5d（d為樁徑），樁體嵌入巖層深度不應(yīng)大于7d。綜合分析不同山區(qū)地質(zhì)勘察報(bào)告可知，軟質(zhì)巖的側(cè)摩阻力大約為120 kPa，因此在山區(qū)橋梁樁基設(shè)計(jì)中建議樁體嵌入巖層深度控制在3～5d之間[4]。

在軟巖和強(qiáng)風(fēng)化巖地帶橋梁樁基設(shè)計(jì)中，如果采用的樁型為摩擦型樁，應(yīng)考慮不同樁基的沉降，重視差異沉降，盡量在設(shè)計(jì)中做到承臺(tái)與樁基一一對(duì)應(yīng);承臺(tái)設(shè)置應(yīng)盡量避開破碎地帶。為提高安全儲(chǔ)備，在設(shè)計(jì)階段采用樁端后壓漿的措施，使樁基承載力進(jìn)一步提高。如圖3所示，為強(qiáng)風(fēng)化巖層設(shè)計(jì)的橋梁樁基礎(chǔ)。

2.3 溶洞與斜坡地段橋梁樁基優(yōu)化設(shè)計(jì)

溶洞地區(qū)橋梁樁基設(shè)計(jì)的主要原則為“宜淺不宜深，優(yōu)先保證承重頂板安全厚度”，綜合考慮巖層特征、上部荷載及樁長(zhǎng)等因素，樁基嵌入巖層深度不得小于50 cm。然而，在實(shí)際的地形條件中，溶洞分布不是均質(zhì)整齊的，設(shè)計(jì)過程采用的溶洞頂板厚度值與實(shí)際情況往往不相同，二者之間存在差異時(shí)，應(yīng)根據(jù)地勘報(bào)告確定，甚至于對(duì)該區(qū)域重勘或詳勘。若溶洞頂板提供的承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過上部荷載時(shí)，樁基則不需要穿過溶洞，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)樁長(zhǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低工程造價(jià)。圖4為樁底溶洞及樁的懸空。

巖溶地區(qū)橋梁基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)和處理措施如下：減小樁長(zhǎng)，樁體不穿透溶洞頂板。提高對(duì)地質(zhì)勘察的重視程度，采用多種手段相結(jié)合的方式探明區(qū)域內(nèi)的溶洞情況，根據(jù)地質(zhì)情況確定橋孔的選擇。若根據(jù)地勘報(bào)告，溶洞頂板厚度較大且上部覆蓋層較厚，這種類型的溶洞便不會(huì)再繼續(xù)擴(kuò)散，在設(shè)計(jì)中可以將樁長(zhǎng)縮短，樁端處于溶洞頂端即可，樁體無(wú)須穿越溶洞內(nèi)部。為避免穿透溶洞頂板，縮短樁長(zhǎng)的措施見表1。

若溶洞上部的巖層具備較好的完整度，層理發(fā)育好，具備足夠的承載力，當(dāng)溶洞跨徑為樁徑的3倍以上時(shí)，溶洞頂板的彎矩是主要影響因素，通過計(jì)算分析溶洞頂板的受力，可以得到頂板的安全厚度。最小頂板厚度H按下式確定[5]：

若溶洞上部的巖層完整程度較好，層理發(fā)育好，具備足夠的承載力，當(dāng)溶洞跨徑為樁徑比值小于3時(shí)，可通過溶洞頂板受到的剪切應(yīng)力計(jì)算出頂板安全厚度H。

在斜坡地段對(duì)橋梁基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證坡體的自然穩(wěn)定性或采取加固措施后可以成為穩(wěn)定體。應(yīng)對(duì)斜坡體開展受力分析，避免將樁端設(shè)置于滑動(dòng)面上部，避免滑坡事故對(duì)橋梁樁基的影響，使橋梁樁基具備足夠的穩(wěn)定性。當(dāng)前，針對(duì)斜坡地段上橋梁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)正處于起步階段，沒有規(guī)范參考，設(shè)計(jì)人員多依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和工程實(shí)際開展優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了保證橋梁基礎(chǔ)的安全性能和提高設(shè)計(jì)的可行性，可將其簡(jiǎn)化為樁基承載力影響范圍的計(jì)算。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，橋梁樁基處的樁前土體與斜坡體的臨空面距離為3倍樁徑以上，樁前土體不產(chǎn)生水平抗力，因此，對(duì)斜坡段上的橋梁基礎(chǔ)開展優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證橋梁樁基處的樁前土體與斜坡體的臨空面距離值不小于3倍樁徑。

巖溶區(qū)樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)在探明溶洞的分布特征、位置、規(guī)模及類型后進(jìn)行科學(xué)分析后進(jìn)行，與實(shí)際情況結(jié)合起來(lái)。因此，如何有效利用好溶洞探測(cè)技術(shù)為工程建設(shè)服務(wù)是當(dāng)前的重點(diǎn)研究方向，亦是未來(lái)一段時(shí)間橋梁工程、巖土工程及物探技術(shù)聯(lián)合解決的難題。

3 工程案例分析

貴州某公路連接線位于巖溶發(fā)育區(qū)，大量橋梁樁基穿過巖溶區(qū)域。該工程中的所有橋梁均采取鉆孔灌注樁。前期勘探時(shí)，部分巖溶區(qū)域未發(fā)現(xiàn)，在鉆孔過程中，孔內(nèi)出現(xiàn)涌水、漏漿等問題，發(fā)現(xiàn)潛在溶洞。最常見的溶洞處理方法是回填，但如何回填、回填何種材料是施工的關(guān)鍵問題。該工程中主要采用石黏土作為回填材料。

在現(xiàn)場(chǎng)后續(xù)施工中，鉆孔樁施工中出現(xiàn)了卡鉆、塌鉆的現(xiàn)象，導(dǎo)致施工進(jìn)度緩慢。在設(shè)計(jì)優(yōu)化中采用了縮短樁長(zhǎng)的第二種措施，利用群樁效應(yīng)并結(jié)合地質(zhì)先導(dǎo)孔的措施將這一問題進(jìn)行解決。

4 結(jié)論

當(dāng)前，山區(qū)不良地質(zhì)情況主要有山區(qū)深厚覆蓋層、軟質(zhì)巖、強(qiáng)風(fēng)化巖、斷層破碎帶、斜坡地段、溶洞、濕陷性黃土等。該文通過對(duì)山區(qū)典型地質(zhì)不良條件下橋梁樁基設(shè)計(jì)存在的難點(diǎn)進(jìn)行分析，提出在山區(qū)不同不良地質(zhì)條件下橋梁基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)建議，保證橋梁基礎(chǔ)工程具備經(jīng)濟(jì)性和合理性，為山區(qū)不良地質(zhì)橋梁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)提供參考。

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