桥梁桩基几何特性与岩溶地层相关性浅析

李樟林

(湖南湘西自治州交通规划勘察设计院，湖南 吉首 416000)

岩溶区桩基承载力取决于3 个方面，即桩本身的材料强度、岩土层的支承能力、上部结构的容许变形值。其承载力影响因素有施工层面的、设计层面的，以及地层固有的岩土特性。摩擦桩以嵌岩段侧阻力、端承桩以桩端阻力为控制进行设计，本文以吉首市小溪桥为实例，分析桩径的大小与嵌岩深度、顶板厚度之间存在的内在关系，提出岩溶地层桥梁桩基设计中把握的原则和应注意的问题。

1 岩溶地层桩基力学特性

岩溶地层是一种特殊的地质构造，岩溶是由石灰岩等可溶性碳酸质岩石在一定的地理环境条件如地形、气候等影响下，长期受水的侵蚀溶解作用而形成的特殊地层。岩溶地层的显著特点就是岩石溶蚀作用强烈，溶槽、溶沟、溶蚀裂隙、洞穴发育，或岩层间夹有土层，岩层的不连续，基岩的完整性遭到破坏，岩基的整体承载能力被削弱，地层的承荷能力具非均匀性。

1.1 岩溶区桩基承载力特性

岩溶地区的桥梁墩台基础多采用钻孔灌注桩，桩基进入或穿过岩石地层，利用岩体的较高强度提高桩基的承载水平，减少桩的沉降。

钻孔灌注桩分为端承桩与摩擦桩2 种形式，一般采用机械冲击成孔或旋转除土成孔，泥浆护壁，水下灌注桩身混凝土，但其受力特征明显不同于打入桩或沉入桩。

荷载作用于桩顶向下传递，对于端承桩，桩端持力层支承力先于桩周侧阻力发挥作用，以桩端持力层承荷为主;对于摩擦桩，桩身入岩段桩周侧阻力先于软弱地层桩周侧阻力发挥作用，以入岩段桩周侧阻力承荷为主。

岩溶的存在，溶洞顶板较薄、顶板失稳时，端承桩则需穿过此层顶板转化为摩擦桩或止于承载力强大的顶板成为端承桩。

1.2 岩溶地层桥梁桩基承载力影响因素

但无论是端承桩、还是摩擦桩，其岩溶的存在，对桩基的承载力的影响是显而易见的。影响岩溶地层嵌岩桩承载力特性的因素主要有以下几个方面:

1)施工工艺，如成孔方法、清孔情况、清底情况等。不同的成孔工艺会产生不同的孔壁粗糙程度和对岩层造成不同的损伤，孔底沉渣的有无不仅影响桩的设计承载力，甚至影响到桩的设计原则，超过一定厚度的沉渣将使全嵌岩桩变成了侧阻嵌岩桩，这方面的影响通过完善施工工艺、规范施工操作等手段，是可控的。

2)桩的几何因素，表现为桩径大小、桩在土层中的埋入深度、嵌入岩体的深度，可以通过计算予以确定。

3)溶洞的几何因素，包括溶洞的高度、跨度以及几何形状、充填类别、分布形态、顶板厚度等，可通过工程地质勘察工作等手段和方法进行探查。

2 端承桩桩径与极限嵌岩深度相关性

根据桥规D63，支承在基岩上或嵌入在基岩内的钻孔桩，即嵌岩桩单桩承载力一般由桩周土总侧阻力、嵌岩段总侧阻力和总端阻力三部分组成。

嵌岩段极限阻力R2=uc2hfrk

式中:u 为嵌岩段的桩身周长，m;Ap为桩端截面面积，m2;h 为极限嵌岩深度，m;frk为桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值，kPa，中风化石灰岩 frk取25 MPa;c1为岩层的端阻力发挥系数，取0.3;c2为岩层的侧阻力发挥系数，取0.024。

嵌岩段极限阻力计算模型见图1。

不同桩径极限嵌岩深度计算结果见表1，D －h关系曲线见图2。

表1 不同桩径极限嵌岩深度计算结果

从表1中可以看出，桩径与嵌岩深度成反比，桩径越大，所要求的嵌岩深度越小，对于岩溶地层的顶板厚度的要求就越低，最大嵌岩深度为2 倍桩径。临界安全顶板厚度条件下，要求嵌岩深度尽量的小，桩径尽量的大。过大的桩径带来的是工程经济问题，桩径越小，桩身工程量越小，成孔费用也越低。

综合成孔机械设备与桩长，合理的桩径为1.5～2.0 m，嵌岩深度为(1.5～0.85)D。

3 桩径与持力顶板相关性

3.1 抗冲切分析

参考《CESC88:97 规程》，抗冲切公式为:

式中:ro=1.2;F 为冲切荷载，kPa;Rt为岩石抗拉极限强度，kPa，石灰岩 Rt=100 kPa;Um=π(D+h)，m;h 为桩端下持力层顶板厚度，m。

选用不同的桩径，分析相同荷载作用下桩径对临界顶板厚度的影响，计算结果见表2，桩径对顶板厚度影响曲线见图3。

表2 顶板厚度计算结果

从表2可看出，随着桩径的增大，相同荷载下要求的临界顶板厚度减小，但板厚均达到了5 m 以上，平均为桩径的3 倍以上。同时也可看出，相同的持力顶板厚度下，随着桩径的增大，安全性在增大。

3.2 桩径与顶板厚度相关性

当溶洞顶板岩层比较完整、层理较厚、强度较高、洞跨较大时，弯矩是主要控制条件，采用结构力学近似分析法，抗弯安全厚度的估算结合顶板厚跨比值，h/L 小于0.5 时按梁板受力情况计算，最小设计持力层板厚为h=(6M/b［σ］)1/2(公式①)，岩溶顶板的承力工况可以简化为3 种计算模型:悬臂梁、简支梁、两端固定梁。梁板计算模型见图4。

1)顶板跨中有裂缝，顶板两端支座处岩层坚固完整，按悬臂梁工况:M=PL2/2。

2)裂缝位于某一侧支座处，而顶板完整，按简支梁工况:M=PL2/8。

3)顶板和支座岩层均较完整，按两端固定工况:M=PL2/12。

P 为顶板所受荷载，kN，包括顶板厚为 h 的岩体自重、顶板上部所留土层的重量、顶板上附加荷载;L 为溶洞跨度，m;b 为计算梁板宽度，m;［σ］为岩体抗弯强度，kPa，取抗压强度设计值的1/8。

由公式①可以看出，最小顶板设计厚度由顶板的构造特性、几何特性、物理特性和顶板所受的荷载大小等因素决定，顶板厚度与桩径相关联体现在顶板上附加荷载方面。

4 工程实例

4.1 工程概况

小溪桥是吉首市人民南路上的一座公路桥梁，为老桥拆除重建工程，2012年6月建成通车。桥梁桥跨布置为(25+40+10)m，桥宽24 m，先简支后桥面连续;其中25 m 采用预应力混凝土简支T 梁，梁高1.7 m;40 m 跨采用预应力混凝土简支T 梁，梁高2.5 m;10 m 跨采用空心板，梁高0.6 m。

桥位处工程地质条件复杂，出露地层岩性为奥陶系下统盘家咀组灰岩，属可溶岩隐伏区;桥址区附近有一条走向为东北向的吉首～古丈大断层，位于桥址区西北方约3 500 m 处，走向北东向，倾向北西约300°，倾角为40°左右;另一条断层位于拟建桥址区垂直于小溪桥大桥，从万溶江中心平行穿过，走向近东西向，倾角约为75°，为一平移断层，断层带宽约5～10 m。由于钻孔未揭露断层，桥址区不良地质作用表现为岩溶发育。

由于断层的影响，岩溶发育，地下水丰富，地下水和河水相互补给;拟建桥址处为可溶岩，岩体较破碎;工程地质勘察工作中的25 个钻孔中有24 个钻孔见岩溶裂隙，占总孔数的96%。岩溶顺岩层面发育，分布于整个桥址区，规模0.10～8.30 m，其中1～2 m 厚的岩溶较多，内部充填粘性土，粘性土呈软～流塑状态，少量岩溶无充填物，其不良地质作用强烈发育。其它相关系数见表3～表5。

表3 端承桩饱和单轴抗压强度标准值［frk］

表4 桩侧土的摩阻力标准值qik

表5 岩层端阻、侧阻力发挥系数c1、c2

4.2 桩基设计

下部结构采用桩柱式墩台，钻孔灌注桩基础，单排桩柱，每排横向设5 根桩(柱)，桩基均按嵌岩桩设计。因桥位处为溶岩发育地区，桩基设计时，据工程地质逐桩柱状图，对每根桩进行桩长设计，确保承载力均满足要求。桥台位置桩基直径为φ1.3 m，桥墩位置桩基直径为φ1.8 m。桩长确定原则如下:

1)嵌岩2.5D，桩底以下完整段3D，也就是桩底所在岩层完整段要求5.5D，D 为桩直径。

2)要求桩侧入岩深度大于1 m。

最长桩为2 号桥墩第5 根桩，工程地质勘察钻孔深度40.6 m，钻孔时揭示地表以下至完整持力层有岩溶裂隙夹粘土层6 次、最大粘土填充厚度为5.2 m，位于桩基的上部;溶洞1 次，孔洞高2.9 m，位于桩基的下部，设计桩柱长度为45.97 m。

4.2.1 摩擦桩工况计算

依地质报告，桥位中风化灰岩饱和抗压强度为25 MPa，承载力为2 500 kPa，对桩身穿越的中风化灰岩单独计算摩阻力，按每延米150πD 来计算，确保即使在桩端失效的情况下，摩阻力也能满足要求。

4.2.2 持力层厚度计算

根据溶洞顶板弯矩控制和剪切应力控制两种力学计算模式计算，小溪桥多层溶洞桩端持力层厚度根据溶洞顶板溶蚀、裂隙情况和整体性，分别采用摩擦桩和嵌岩桩两种情况分析计算。对于溶蚀、裂隙严重的溶洞顶板，按摩擦桩计算;对于无溶蚀、裂隙现象的持力层，溶洞顶板按嵌岩桩计算，持力层为中风化完整基岩顶板的计算厚度为3.2 m (φ130)和4.1 m (φ180)，作为桩基终孔最小控制溶洞顶板厚度。考虑安全系数后，设计时按5.5D 进行控制，即控制厚度为7.15 m (φ130)和9.9 m (φ180)。

为检验桩基的承载能力，溶洞桩基在施工过程中采取大应变检测，检测结果证明，桩基承载能力完全满足设计要求。

5 结语

通过桥梁桩基几何特性与岩溶地层相关性分析，可以得出以下结论及建议:

1)桩径的大小应适应上部构造荷载，40 m 及以下跨度梁桥的合理桩径为1.5～2.0 m。

2)端承桩桩端嵌岩深度应不小于1.0D，且不宜小于1.5 m。

3)端承桩的桩端面以下的完整顶板厚度不宜小于5.0 m。

桩基础是处理桥梁岩溶地基最有效的方法之一，不良地质构成的岩溶地基常引起地基承载力不足、不均匀沉降、地基滑动和塌陷等地基变形破坏，岩溶地区的桩基设计问题就成为工程建设中的突出问题。设计阶段应详细了解岩溶的发育情况，应科学选择持力层的位置，正确估算桩端溶洞顶板的安全厚度。设计时应遵循以下原则:

1)岩溶地层桥梁桩基工程设计上首先找符合条件的持力层位置，桩端的顶板厚度足够，按端承桩设计，桩周摩阻力作为承力安全储备;顶板厚度不够，按摩擦桩设计，桩端阻力作为承力安全储备。

2)端承桩应验算在附加荷载作用下溶洞顶板稳定性，确定其顶板安全厚度。

3)在桩端入岩深度和溶洞顶板厚度两个因数相互制约的条件下，设计中应遵循“桩端嵌岩深度宜浅不宜深，优先保证顶板安全厚度”的原则，嵌岩深度可根据基岩的特点(裂隙节理、岩溶发育程度、岩性、厚度等)在(1～3)D 范围内取最优化值。如果顶板厚度在临界值附近时，且顶板完整性较差，裂隙、节理发育强烈，应对桩端持力层进行后注浆加固以确保安全性。

［1］JTG D63 －2007，公路桥涵地基与基础设计规范［S］.

［2］张建华.岩溶区桥梁桩基桩长确定方法研究［J］.公路工程，2009，34(4):1 －5.

［3］谢生祥，暴秀芹，王媛媛.岩溶顶板安全处理厚度研究［J］.工程勘察，2010(S1):152 －157.