巖溶區(qū)橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)探討
2016-09-26
1、前言
隨著公路建設(shè)的快速發(fā)展和高速公路的修建，在巖溶地區(qū)上進(jìn)行高速公路橋梁的設(shè)計(jì)和施工，常常無(wú)法避免。在巖溶地區(qū)，由于溶洞的存在，這就給橋梁基礎(chǔ)的施工帶來(lái)一定難度，即樁基的承載能力、樁基的施工等都會(huì)受到很大的影響。因此，為了確保橋梁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)如何準(zhǔn)確地確定基礎(chǔ)地基持力層厚度、溶洞頂板安全厚度等，就成了橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)巖溶地區(qū)橋梁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)進(jìn)行有關(guān)分析，以期能為巖溶地區(qū)的基礎(chǔ)施工提供參考。
2、巖溶區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)勘察
為了進(jìn)一步探查明溶洞分布、發(fā)育情況，為橋梁孔徑和基礎(chǔ)形式選定、樁位的調(diào)整及終孔標(biāo)高、施工方案的確定提供可靠依據(jù)，則須采用鉆探和物探的方法對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行勘察。對(duì)于一些強(qiáng)發(fā)育的溶洞，則應(yīng)逐樁鉆探，并繪制溶洞的剖面圖。在勘察時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
2.1鉆孔在完整基巖內(nèi)鉆進(jìn)不少于5～10m，在該深度內(nèi)遇到溶洞時(shí)鉆孔應(yīng)穿過(guò)溶洞，在洞穴底板完整基巖鉆進(jìn)不小于5m。
2.2多層溶洞地區(qū)，鉆孔穿過(guò)多層溶洞后，頂板累計(jì)厚度達(dá)到5～7m以上時(shí)，再往下層的頂板需要鉆進(jìn)3m以上。
2.3鄰近鉆孔若巖層厚度相差太大或發(fā)現(xiàn)有扁平溶洞需進(jìn)行補(bǔ)鉆。
3、巖溶區(qū)溶洞頂板安全厚度的計(jì)算
溶洞頂板安全厚度的計(jì)算準(zhǔn)確與否，關(guān)系著洞穴的穩(wěn)定性，嚴(yán)重的會(huì)直接危害橋梁的安全。在具體計(jì)算時(shí)，由于溶洞發(fā)育的不規(guī)則性，在實(shí)際的設(shè)計(jì)時(shí)難以獲取溶洞平面、立面大小尺寸等準(zhǔn)確的巖體力學(xué)參數(shù)，這就使得計(jì)算頂板的安全厚度存在很大的困難。一般，在實(shí)際工程中采用如下幾種方法計(jì)算頂板安全厚度。
3.1 結(jié)構(gòu)力學(xué)近似分析法
首先假設(shè)溶洞的最不利溶洞橫向尺寸，確定受力條件，然后按照頂板抗彎、抗剪要求，以下列的計(jì)算公式計(jì)算出頂板的安全厚度T1、T2，并取其最大值。
?。?）頂板抗彎安全厚度計(jì)算
當(dāng)洞體頂板完整性較好時(shí)，可按四周嵌固板驗(yàn)算其穩(wěn)定性，板的最大彎矩在長(zhǎng)邊支點(diǎn)間的中心處，頂板安全厚度T1按下式計(jì)算：
式中：q――長(zhǎng)邊每延米均布荷載，kN /m；
L，b――洞體的平面長(zhǎng)、短徑；
σ――巖體彎曲應(yīng)力，kPa，灰?guī)r一般取其抗壓強(qiáng)度的0.1～0.125倍。
當(dāng)頂板巖層裂隙發(fā)育，可按不同情況，模擬為懸臂梁或簡(jiǎn)支粱情況進(jìn)行計(jì)算。
?。?）頂板抗剪安全厚度計(jì)算
式中：F――上部荷載傳至洞體的豎向力，kN；
G――頂板自重，kN；
U――洞體平均周長(zhǎng)，m；
?t――巖體頂板抗剪強(qiáng)度，kPa，灰?guī)r一般取其抗壓強(qiáng)度的0.06～0.13倍。
3.2極限平衡法
當(dāng)溶洞頂板巖層完整，層理較厚，巖體強(qiáng)度高但洞跨較小時(shí)（小于3倍樁徑），剪力是主要控制條件。此時(shí)，可根據(jù)極限平衡條件計(jì)算公式： T≥P，T=τ・H・L來(lái)計(jì)算頂板厚度，即：
式中：P――溶洞頂板自重、頂板上覆蓋土層的重量和頂板上附加荷載的總 和，kN；
τ――橋基范圍內(nèi)的頂板抗剪力，kN；
L――溶洞的平面周長(zhǎng)，m。
計(jì)算所得H再加適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)，即為頂板的安全厚度。
4、樁基的設(shè)計(jì)
巖溶區(qū)橋梁基礎(chǔ)可根據(jù)溶洞的埋藏深度、規(guī)模、類(lèi)型和巖石的完整程度選擇不同的基礎(chǔ)類(lèi)型，則分為明挖基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)。一般，當(dāng)溶洞位于地表6m以下，且溶洞以上地質(zhì)承載力較好（地基承載力≥300kPa）時(shí)，盡量采用明挖基礎(chǔ)。在此僅就樁基的設(shè)計(jì)進(jìn)行論述。
樁基礎(chǔ)是巖溶區(qū)橋梁最為常用且最有效的基礎(chǔ)形式。根據(jù)地質(zhì)情況和受力方式的不同，樁基礎(chǔ)又分為摩擦樁和嵌巖樁。
4.1摩擦樁
巖溶區(qū)的摩擦樁主要有兩種情況：一是覆蓋層較深，其摩阻力足以提供樁基豎向承載力，樁尖不進(jìn)入溶洞區(qū)；二是樁基礎(chǔ)進(jìn)入溶洞區(qū)，樁尖置于溶洞薄頂板或填充區(qū)。第一種情況和普通橋梁沒(méi)有區(qū)別，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)視實(shí)際情況考慮加長(zhǎng)樁基礎(chǔ)。第二種情況較為復(fù)雜，由于樁基穿過(guò)溶洞，因此在設(shè)計(jì)中不計(jì)樁端阻力的作用，按摩擦樁計(jì)算基樁長(zhǎng)度，并根據(jù)每根樁的實(shí)際地質(zhì)情況逐驗(yàn)算。在實(shí)施過(guò)程中，若遇到溶洞，洞穴等不良情況，則應(yīng)根據(jù)每根樁的地質(zhì)補(bǔ)鉆情況逐樁重新計(jì)算基樁長(zhǎng)度。
4.2嵌巖樁
在設(shè)計(jì)時(shí)，一般要求嵌巖樁樁尖置于溶洞頂板上，不要落在溶洞內(nèi)。而在實(shí)際施工時(shí)，很多嵌巖樁都會(huì)穿過(guò)巖板。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，要求樁的承載力應(yīng)滿足下列公式的要求：
式中：h為嵌巖深度（不包括風(fēng)化層），m；系數(shù)C1取為0；C2取為0.03；一般Ra不小于40000kN/m2。
不過(guò)，從式中可發(fā)現(xiàn)，樁的承載力僅考慮樁的側(cè)摩阻力和樁底反力，且樁側(cè)摩阻力系數(shù)對(duì)基樁深度計(jì)算影響很大。從這點(diǎn)看來(lái)，當(dāng)樁的豎向位移微小，或是在實(shí)際計(jì)算時(shí)，可忽略土層側(cè)摩阻力作用時(shí)，該計(jì)算公式適用。但是當(dāng)溶洞土層的側(cè)摩阻力過(guò)大，在計(jì)算時(shí)無(wú)法忽略時(shí)，仍舊采用上式公式，則可能就會(huì)導(dǎo)致嵌巖深度過(guò)大。
另外，在進(jìn)行樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)時(shí)，除了要考慮上述因素外，還應(yīng)注意下列事項(xiàng)：
?。?）現(xiàn)行土工試驗(yàn)規(guī)范中，無(wú)法通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)獲得基巖極限摩阻力系數(shù)，地質(zhì)報(bào)告所提供的基巖極限摩阻力系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值，與實(shí)際情況可能會(huì)有較大差異。因此，對(duì)于類(lèi)似地質(zhì)情況橋梁，若按摩擦樁設(shè)計(jì)，建議在施工圖設(shè)計(jì)前，通過(guò)試樁獲得基巖極限摩阻力。
（2）有些溶洞規(guī)模較大，直徑可達(dá)6.0～7.0m，頂板厚度3.0m～5.0m，巖性較完整，巖石強(qiáng)度高，但有較大裂隙發(fā)育，如按規(guī)范中的嵌巖樁計(jì)算，樁底入巖較深，基巖頂板安全厚度很薄，不安全，且有較大裂隙，不宜作持力層，需穿透溶洞或采取特殊措施對(duì)溶洞進(jìn)行處理。
?。?）一般，樁的軸向承載力應(yīng)根據(jù)溶槽或溶溝底面巖層的穩(wěn)定確定。但在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，有部分墩臺(tái)位下的溶洞呈多層分布，上下溶洞巖層厚度僅1.0m～2.0m，樁基必須穿過(guò)溶洞群，置于溶洞內(nèi)的填充土層內(nèi)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，樁長(zhǎng)（樁的豎向力）按摩擦樁計(jì)算，但樁身內(nèi)力與普通摩擦樁受力模式不同，建議設(shè)計(jì)中按第一層溶洞頂板為彈性嵌固點(diǎn)進(jìn)行樁的內(nèi)力計(jì)算。
?。?）當(dāng)樁基穿進(jìn)多層巖溶層支立 于堅(jiān)固的巖層上時(shí)，考慮到樁的軸向荷載分配的復(fù)雜因素，因此在在設(shè)計(jì)時(shí)可不考慮多層巖溶層對(duì)樁側(cè)的摩阻作用，且在施工時(shí)，要求將多層巖溶層與樁壁之間分隔開(kāi)，使基樁承受的軸向荷載全部作用于樁底的堅(jiān)固巖層上，并按柱樁設(shè)計(jì) 。
?。?）設(shè)計(jì)應(yīng)注意樁基負(fù)摩擦力的影響。一般地基土石在擾動(dòng)之后都會(huì)在自重的作用下固結(jié)下沉，特別是由于大量開(kāi)采地下水而導(dǎo)致地基軟弱層相對(duì)樁基固結(jié)下沉而產(chǎn)生一個(gè)向下的摩擦力（即負(fù)摩擦力），從而增加了樁基所承受的軸向荷載，甚至可能導(dǎo)致樁基破壞。因此，施工時(shí)應(yīng)考慮在中性點(diǎn)（負(fù)摩擦力和正摩擦力分界點(diǎn)）以上用油毛氈或鋼套管（管內(nèi)抹油）作隔離層，消除負(fù)摩擦力的影響?？朔?fù)摩擦力方法與解決巖溶層樁基破壞方法相似，但原理不同。
總而言之，在修建巖溶地區(qū)的橋梁時(shí)，應(yīng)先勘察清楚基礎(chǔ)地質(zhì)情況，針對(duì)其具體的地質(zhì)狀況，來(lái)確定基礎(chǔ)的選型和設(shè)計(jì)方法、樁底的設(shè)計(jì)位置等，從而最終確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。
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