岩溶区桥梁桩基施工技术及设计方法研究

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岩溶地区地质条件复杂，处治难度大，因而在岩溶地区建设桥梁桩基的影响因素众多。如果对岩溶地区桩基地层特点及破坏机理不清楚，施工技术和设计理念不合理，可能导致桥梁结构整体塌陷，影响行车安全和桥梁运营寿命等[1]。近年来，国内外学者及工程师通过理论公式计算、室内模型试验等方法探讨了岩溶区桥梁桩基破坏机理和处治措施等，并提出了一些有价值的研究成果，但是溶洞跨度及形态、顶板裂隙发育程度等难以探明，仍没有形成一套系统性的理论来指导岩溶区的桩基建设，实际工程中以工程类比法为主，设计方案偏保守。因此，分析岩溶区桥梁桩基施工技术及设计方法具有十分重要的工程意义。

1 岩溶区桩基地层特点及计算理论

（1）岩溶地层特点。岩溶现象是指水对地层中的可溶性岩石（如石灰岩、白云岩等）进行以化学溶蚀作用为特征的综合地质作用及由此产生的地质现象。岩溶发育十分复杂，主要表现为溶洞形式，具有埋藏浅、分布密集、顶板强度低、受地下水文影响大等特点，因而在岩溶地区修建桥梁桩基础存在一定的潜在危险，如地基承载力不足、钻孔成桩时涌水或突水等，容易导致桩基塌陷失稳[2]。

（2）桩底端岩体破坏模式。岩溶地区的桩基础竖向承载力与桩底溶洞尺寸大小、顶板厚度、岩体裂隙、岩溶处理方法等因素密切相关。根据岩体破坏机理和结构面类型的不同，可将桩端岩体破坏分为单轴压缩破坏、剪切破坏、劈裂破坏三种形式，如图1所示。

图1 岩溶区桩端岩体破坏模式

由图1可知，当桩端岩体结构面间距不超过基础宽度B时，岩体主要受到竖向压应力作用，会出现单轴压缩破坏；当桩端岩体结构面间距小且处于闭合状态时，岩体可能出现整体剪切破坏或局部剪切破坏，其剪切破坏不只是因岩体自身的弹塑性变形而引起的，还可能是岩体节理裂隙所致；当桩端岩体结构面间距远大于基础宽度B时，桩基会直接刺入岩体，出现劈裂式破坏。

（3）岩溶桩基承载特性。在岩溶发育地区，岩层一般是抗压强度较大的灰岩，在进行岩溶顶板承载能力计算时，可将其视为“梁板模型”[3]。具体可划分为以下三种情况：第一，岩溶顶板跨中存在裂隙，支座位置岩石完整性和硬度较好，按悬臂梁计算；第二，岩溶顶板坚固，一处支座位置有较多裂隙，按简支梁计算；第三，当岩溶顶板和两侧山体连为一体时，按两臂固定梁计算。

2 岩溶区桥梁桩基施工技术

岩溶区的桥梁桩基施工是确保项目整体进度和建设水平的关键环节，但是岩溶区地质复杂，桩基成孔难度较大，桩基承载力也难以保证，因此必须严格控制桩基施工过程。

2.1 钻孔灌注桩施工要点

岩溶区桥梁桩基施工主要采用的是反循环钻孔灌注桩，其施工流程如下：埋设护筒→制备泥浆→钻孔→孔底清渣→放入钢筋笼→灌注混凝土→成桩检测[4-5]。

（1）埋设护筒。护筒直径一般要大于桩基直径，其端部应尽可能埋入透水性较差的黏土层，以避免地下水渗入钻孔内，从而影响孔内外的静水压力平衡，防止塌孔。如果黏土层距离桩顶设计标高较远，也可将护筒底埋入砂砾层中，此时应在护筒外侧分层回填透水性差的黏土或粉土夯压密实，并确保孔壁水压能稳定在0.02MPa以上。

（2）制备泥浆。制备护壁泥浆时胶体率不得超过95%，含砂率要小于4%，同时还应根据土层特点选择合理的泥浆比重。如果泥浆比重过大，则桩孔钻挖效率较低；如果泥浆比重过小，则泥浆难以充分发挥钻孔护壁功能。在黏土中钻挖时，土层透水性小，泥浆比重控制在1.02～1.04即可。在砂砾土层钻挖，由于其透水性强，容易塌孔，需要适当提高泥浆比重，可取1.05～1.08。

（3）钻挖速度。岩溶区桥梁桩基在成孔时要根据地层特点、项目工期和进度要求等选择合适的钻孔速度，如表1所示。

表1 不同地区桥梁桩基成孔速度

2.2 穿越溶洞成孔施工

穿越溶洞是岩溶地区桩基施工的难点，如果选择的施工方法不当，容易引起施工困难或成桩质量不合格，造成桥梁整体塌陷等事故。

钻孔穿越溶洞之前，需要对桩基范围内的岩溶发育情况进行充分调查，并准备足量的片石、泥浆等，以便漏浆时可以及时处治。当钻挖至溶洞附近时，孔内泥浆液面迅速降低，应用片石填充桩孔，待泥浆液面基本稳定再钻孔。如果溶洞规模大，为了提升封堵效果，可选择C20混凝土（添加速凝剂）封堵，混凝土初凝结束再钻挖。同时，岩溶区桩基施工还容易发生掉钻的情况，主要原因在于埋钻与卡钻后施工人员操作不当，或桩基钻挖成孔期间遇到坚硬石块，对钻杆产生了一定程度的磨损，从而引起掉钻。

当桩基成孔过程中发生掉钻时，施工人员应立即查明原因，并制订相应的解决方案。对于普通掉钻事故，可根据钻具掉落位置、深度等选择打捞钩、活套等打捞；当钻头上有较多坍落物时，必须采用空心冲击钻将坍落物清理干净，再选择打捞工具进行处理。

3 岩溶区桥梁桩基设计方法

3.1 工程实例

文章以某公路大桥为研究对象分析岩溶区桥梁桩基的设计方法。该桥梁全长428.5m，桥梁跨径为14m×30m，桥梁结构为装配式预应力混凝土T梁，桥墩为双柱式墩，基础采用直径为1.8m和2.0m的嵌岩桩，溶洞发育区采用直径为1.6m的群桩。岩土勘察报告中提到，在桩号K43+615附近存在溶洞（洞跨比值小于0.5），顶板岩体为中风化灰岩，顶板厚度为5.0m，跨度为10.1m，宽度为5.0m。

3.2 溶洞顶板安全性分析

溶洞的厚跨比值小于0.5，弯矩为主要控制条件，可以采用抗弯估算法。计算溶洞顶板安全厚度时，对模型参数进行了以下假设：第一，溶洞尺寸固定，其中的填充物视为有利因素；第二，荷载为静力荷载，不考虑构造应力场的影响；第三，溶洞上覆土层为各向同性材料。

桩底附加荷载弯矩M0的计算公式如下：

式中：q0为桩底附加荷载，kN；d为桩基直径，m；l为溶洞跨度，m。

桩底附加荷载q0的计算公式如下：

式中：F为桩底反力，取2600kN。

溶洞顶板覆土荷载弯矩Mg1的计算公式如下：

式中：qg1为溶洞顶板覆土荷载，kN。

溶洞自重荷载弯矩Mg2的计算公式如下：

式中：qg2为溶洞顶板自重荷载，kN。

溶洞顶板总荷载弯矩M的计算公式如下：

溶洞顶板安全厚度的计算公式如下：

岩土勘察报告资料提供的顶板厚度为5.0m，计算安全厚度为2.49m，该岩溶区域桩基础处于稳定状态。嵌岩深度+顶板厚度≤6d，嵌岩桩嵌岩深度确定应遵循“宜浅不宜深，优先保证顶板安全厚度”的原则，桩基嵌入顶板厚度取1.0m。

4 结论

文章探究了岩溶地区桩基的承载特性、破坏模式、施工关键技术、设计步骤、溶洞顶板安全性分析等方面内容，主要得到了以下结论：（1）岩溶桩基础承载力与桩底溶洞尺寸、顶板厚度、岩体裂隙等因素有关，其破坏类型可分为单轴压缩破坏、剪切破坏、劈裂破坏三种。（2）钻孔穿越溶洞期间，容易出现漏浆、掉钻等问题，施工人员应立即查明原因，并制订相应的处治措施。（3）岩溶桩基承载力计算一般会忽略嵌岩段的侧摩擦阻力，仅将其作为安全系数储备。（4）桩基布置可采用方形或梅花形布置，中心间距不宜过大或过小，且要满足溶洞顶板安全厚度的要求。