岩溶区桥梁基础设计

1、前言

随着公路建设的快速发展和高速公路的修建，在岩溶地区上进行高速公路桥梁的设计和施工，常常无法避免。在岩溶地区，由于溶洞的存在，这就给桥梁基础的施工带来一定难度，即桩基的承载能力、桩基的施工等都会受到很大的影响。因此，为了确保桥梁基础的稳定性，在设计环节如何准确地确定基础地基持力层厚度、溶洞顶板安全厚度等，就成了桥梁基础设计的重难点。本文通过对岩溶地区桥梁基础的设计进行有关分析，以期能为岩溶地区的基础施工提供参考。

2、岩溶区基础地质勘察

为了进一步探查明溶洞分布、发育情况，为桥梁孔径和基础形式选定、桩位的调整及终孔标高、施工方案的确定提供可靠依据，则须采用钻探和物探的方法对基础进行勘察。对于一些强发育的溶洞，则应逐桩钻探，并绘制溶洞的剖面图。在勘察时应注意以下几点：

2.1钻孔在完整基岩内钻进不少于5～10m，在该深度内遇到溶洞时钻孔应穿过溶洞，在洞穴底板完整基岩钻进不小于5m。

2.2多层溶洞地区，钻孔穿过多层溶洞后，顶板累计厚度达到5～7m以上时，再往下层的顶板需要钻进3m以上。

2.3邻近钻孔若岩层厚度相差太大或发现有扁平溶洞需进行补钻。

3、岩溶区溶洞顶板安全厚度的计算

溶洞顶板安全厚度的计算准确与否，关系着洞穴的稳定性，严重的会直接危害桥梁的安全。在具体计算时，由于溶洞发育的不规则性，在实际的设计时难以获取溶洞平面、立面大小尺寸等准确的岩体力学参数，这就使得计算顶板的安全厚度存在很大的困难。一般，在实际工程中采用如下几种方法计算顶板安全厚度。

3.1 结构力学近似分析法

首先假设溶洞的最不利溶洞横向尺寸，确定受力条件，然后按照顶板抗弯、抗剪要求，以下列的计算公式计算出顶板的安全厚度T1、T2，并取其最大值。

（1）顶板抗弯安全厚度计算

当洞体顶板完整性较好时，可按四周嵌固板验算其稳定性，板的最大弯矩在长边支点间的中心处，顶板安全厚度T1按下式计算：

式中：q――长边每延米均布荷载，kN /m；

L，b――洞体的平面长、短径；

σ――岩体弯曲应力，kPa，灰岩一般取其抗压强度的0.1～0.125倍。

当顶板岩层裂隙发育，可按不同情况，模拟为悬臂梁或简支粱情况进行计算。

（2）顶板抗剪安全厚度计算

式中：F――上部荷载传至洞体的竖向力，kN；

G――顶板自重，kN；

U――洞体平均周长，m；

?t――岩体顶板抗剪强度，kPa，灰岩一般取其抗压强度的0.06～0.13倍。

3.2极限平衡法

当溶洞顶板岩层完整，层理较厚，岩体强度高但洞跨较小时（小于3倍桩径），剪力是主要控制条件。此时，可根据极限平衡条件计算公式： T≥P，T=τ・H・L来计算顶板厚度，即：

式中：P――溶洞顶板自重、顶板上覆盖土层的重量和顶板上附加荷载的总 和，kN；

τ――桥基范围内的顶板抗剪力，kN；

L――溶洞的平面周长，m。

4、桩基的设计

岩溶区桥梁基础可根据溶洞的埋藏深度、规模、类型和岩石的完整程度选择不同的基础类型，则分为明挖基础和桩基础。一般，当溶洞位于地表6m以下，且溶洞以上地质承载力较好（地基承载力≥300kPa）时，尽量采用明挖基础。在此仅就桩基的设计进行论述。

桩基础是岩溶区桥梁最为常用且最有效的基础形式。根据地质情况和受力方式的不同，桩基础又分为摩擦桩和嵌岩桩。

4.1摩擦桩

岩溶区的摩擦桩主要有两种情况：一是覆盖层较深，其摩阻力足以提供桩基竖向承载力，桩尖不进入溶洞区；二是桩基础进入溶洞区，桩尖置于溶洞薄顶板或填充区。第一种情况和普通桥梁没有区别，设计时应视实际情况考虑加长桩基础。第二种情况较为复杂，由于桩基穿过溶洞，因此在设计中不计桩端阻力的作用，按摩擦桩计算基桩长度，并根据每根桩的实际地质情况逐验算。在实施过程中，若遇到溶洞，洞穴等不良情况，则应根据每根桩的地质补钻情况逐桩重新计算基桩长度。

4.2嵌岩桩

在设计时，一般要求嵌岩桩桩尖置于溶洞顶板上，不要落在溶洞内。而在实际施工时，很多嵌岩桩都会穿过岩板。因此在设计时，要求桩的承载力应满足下列公式的要求：

式中：h为嵌岩深度（不包括风化层），m；系数C1取为0；C2取为0.03；一般Ra不小于40000kN/m2。

不过，从式中可发现，桩的承载力仅考虑桩的侧摩阻力和桩底反力，且桩侧摩阻力系数对基桩深度计算影响很大。从这点看来，当桩的竖向位移微小，或是在实际计算时，可忽略土层侧摩阻力作用时，该计算公式适用。但是当溶洞土层的侧摩阻力过大，在计算时无法忽略时，仍旧采用上式公式，则可能就会导致嵌岩深度过大。

另外，在进行桩基础的设计时，除了要考虑上述因素外，还应注意下列事项：

（1）现行土工试验规范中，无法通过室内试验获得基岩极限摩阻力系数，地质报告所提供的基岩极限摩阻力系数经验值，与实际情况可能会有较大差异。因此，对于类似地质情况桥梁，若按摩擦桩设计，建议在施工图设计前，通过试桩获得基岩极限摩阻力。

（2）有些溶洞规模较大，直径可达6.0～7.0m，顶板厚度3.0m～5.0m，岩性较完整，岩石强度高，但有较大裂隙发育，如按规范中的嵌岩桩计算，桩底入岩较深，基岩顶板安全厚度很薄，不安全，且有较大裂隙，不宜作持力层，需穿透溶洞或采取特殊措施对溶洞进行处理。

（3）一般，桩的轴向承载力应根据溶槽或溶沟底面岩层的稳定确定。但在实际设计时，有部分墩台位下的溶洞呈多层分布，上下溶洞岩层厚度仅1.0m～2.0m，桩基必须穿过溶洞群，置于溶洞内的填充土层内。在实际设计中，桩长（桩的竖向力）按摩擦桩计算，但桩身内力与普通摩擦桩受力模式不同，建议设计中按第一层溶洞顶板为弹性嵌固点进行桩的内力计算。

（4）当桩基穿进多层岩溶层支立 于坚固的岩层上时，考虑到桩的轴向荷载分配的复杂因素，因此在在设计时可不考虑多层岩溶层对桩侧的摩阻作用，且在施工时，要求将多层岩溶层与桩壁之间分隔开，使基桩承受的轴向荷载全部作用于桩底的坚固岩层上，并按柱桩设计 。

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