岩溶地区桥梁基础设计
2016-09-18
岩溶是指可溶性岩石，特别是碳酸盐类岩石（如碳酸盐岩、硫酸盐岩等），受含有二氧化碳的流水溶蚀，有时并加以沉积作用而形成的地貌。其表现形式主要有溶洞、溶槽、溶牙、溶沟等，比较多见于我国西南、中南、华东等地区。由于岩溶地区地质的复杂多变性和隐蔽性，在岩溶地区修建桥梁，桥梁应尽量避开岩溶强烈发育地带，在无法绕避时，岩溶地区墩台基础设计应综合分析钻探资料，对溶洞进行详尽的分析，采取相应的处理措施。
1 岩溶地区桥梁基础地质勘察要求
由于岩溶地质的复杂性，合理的处理措施必须要有详细准确的地质资料。有效的岩溶地区桥梁基础处理方法需要的地质资料，包括岩溶的发育情况、基本形态、规模大小，洞穴顶板岩层厚度和完整性，以及洞内充填物形状。
1.1 初测阶段的地质勘察
传统的地质钻探方法在岩溶发育地区钻探取样所揭示的地质条件不能完全反映桩位处岩溶、裂隙的发育状况。因此，在初测阶段采用钻探与物探相结合，了解整个场地的地质情况，初步探明地质异常区域，再与钻探相结合，合理布置钻孔，此阶段的工作重点是探明岩溶发育程度及分布规律。
1.2 定测阶段的地质勘察
在初勘的基础上，根据桥梁的墩台布置，进行逐墩勘察钻探，分析逐墩钻孔资料中溶洞、溶沟、溶槽以及溶洞裂隙的发育情况，若发现强发育的溶洞，应进行逐桩钻探，并绘出反映桥梁墩台位置的横向地质剖面展示图。
(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)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。
(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。
1.3 施工前的补充钻探
因岩溶地质的复杂性，岩溶地区的扩大基础在施工开挖至基底标高后，需在基础范围内四角及中心深约5m的范围内探明基础以下是否有溶洞存在。
2 岩溶洞穴的稳定性评价
岩溶洞穴其顶板常因失去稳定而坍塌。顶板坍塌突然，时间短暂。一旦发生，造成的后果是相当严重的,对桥梁基础的安全可构成严重危害，因此如何评价顶板稳定性问题是岩溶地区工程建设中的关键性问题。
根据我国在岩溶地区工程建设中处理基岩洞穴顶板的实践经验认为，评价洞穴稳定性必须分析两个因素：一是内在因素，包括洞穴顶板的厚度、跨度及形态、岩层产状、节理裂隙状况，以及岩石的物理力学指标等。二是外在因素，包括受载状况(时间长短、荷载大小、动载或静载)，岩石含水量及温度变化影响，以及洞内水流搬运的机械破坏作用。此外，洞穴的坍塌有一个发展变化的过程。以水平顶板为例，开始顶板在静载作用下，产生初始应力，处于变形阶段；变形过大，顶板拉裂，处于松动阶段；继而逐步坍塌，处于塌落阶段；塌落成拱形后，顶板可以自承其上的压力，而趋于稳定，是成拱阶段。因此，评价洞穴稳定问题是一个复杂的问题。影响岩溶洞穴顶板稳定的主要因素有四个：顶板的完整程度、洞顶板的形状(水平或拱形)、顶板厚度及建筑物跨过溶洞的长度。关于溶洞顶板厚度的验算，包括抗弯验算、抗剪验算法、极限平衡法、厚跨比法以及利用顶板坍塌物填塞溶洞来估算完整顶板和不完整顶板的安全厚度。
2.1 按梁板受力情况估算顶板安全厚度
当溶洞顶板和岩层比较完整，层理又较厚，强度较高，洞跨较大，弯矩是主要控制条件时，可按梁板受力情况计算H，所得H再加适当的安全系数即为顶板的安全厚度。
式中：[σ]――岩体的允许抗弯强度（石灰岩一般为其允许抗压强度的1/8），kPa；
b――桥梁基础的影响宽度，m；
M――弯矩，kN•m。根据顶板岩石的完整性，分别按简支梁、悬臂梁和固定梁三种情况计算：当顶板跨中有裂隙，两支座处岩石坚固时，按悬臂梁计算端部所受弯矩；当顶板较完整，但两端支座处岩层有裂隙与洞壁不成整体，按简支梁计算弯矩；当顶板和洞壁岩层均完整，可按两端固定梁计算弯矩。
Q――支座处的剪力，kN；
τ――岩体的计算抗剪强度(石灰岩一般为其允许抗压强度的1/12)，kPa；
2.2 利用顶板坍塌物填塞溶洞估算顶板安全厚度
溶洞顶板坍塌后，塌落体体积会增大，当塌落到一定高度H时，洞体就自行填满，无需再考虑其对地基的影响，塌落高度再加适当的安全系数便为顶板的安全厚度。此种方法适用于顶板岩层风化严重、裂隙发育、有坍塌的可能性。
式中：V――可能坍塌岩体体积，m3；V0――溶洞体积，m3；K――岩石的胀余系数，一般石炭岩K=1.2。
2.3 利用剪切概念估算顶板安全厚度
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。可按受剪计算顶板厚度。根据极限平衡条件计算公式： T≥P；而T=τ•H•L；得到：
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；Q2――桥基范围内的顶板抗剪力，kN；L――溶洞的平面周长，m。
计算所得H再加适当的安全系数，即为顶板的安全厚度。
2.4 利用厚跨比法判断顶板安全
根据多年来的调查统计分析及现场试验：当溶洞顶板为完整顶板时，其顶板的厚度h与基础跨越溶洞的长度l之比（h/l）大于2时，顶板厚度是安全的。
3 岩溶区桥梁基础类型
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，一般有明挖基础和桩基础。
3.1 明挖基础
（1）在岩溶埋藏较浅局部有溶沟溶槽，下部已探明无溶洞时采用扩大基础，并对基底以下溶沟溶槽采取换填片石混凝土或钢筋混凝土基础跨越溶沟溶槽等措施。
（2）溶洞落在持力层范围内，清除溶洞内的填充土，探明以下2.0～3.0m内无溶洞时，视溶洞宽窄分别打入小钢轨，用与基础同等级的混凝土回填，设置钢筋混凝土盖板或基础内部加设一层钢筋网。
（3）对溶洞埋藏不深，洞中有较厚的碎块石堆积物，可采用压浆的方法使其固结。
（4）溶洞若在基底设计高程附近或以上时，可采取换填方法处理，并要符合下式要求：
H≥（Q/[σ]-b）/2tgβ
式中：H――换填层厚度，m；
Q――换算荷载，kN/m；
β――换填材料的压力分布角，度；
[σ]――溶洞充填物的基本承载力，kPa；
b――换填材料顶面宽度（基础侧面加0.3m），m。
同时，要求换填厚度不得小于2m，基底至换填层底部距离要大于2倍冻结深度。
3.2 桩基础
桩基础是岩溶地区最常见的桥梁基础形式。当桥梁地基上的溶洞较大，埋藏较深，但又不满足顶板厚度检算要求时，或当岩面溶蚀高差大于1m或溶洞洞穴平面、剖面尺寸大于1m者，可溶性岩层埋深在8m以上，基底岩层部分缺角且无法嵌补，明挖或水下施工压浆有困难等情况均可采用桩基础处理。
3.2.1 溶洞顶板很薄，而溶洞内的底面很深，且洞内填充土属于密实稳定，具有足够强度，则桩底可穿过溶洞的顶板置于溶洞内的填充土层内，而不置于溶洞的底板上时，可按摩擦桩进行设计。
3.2.2 当桩基穿过多层岩溶层支立于坚固的岩层上时，不应考虑多层岩溶层对桩侧起摩阻作用，因为岩溶层与桩侧之间的摩阻作用，在本质上不同于一般土与桩侧之间的摩阻作用。可采取隔离措施，将多层岩溶层与桩壁之间分隔开，使桩基承受的轴向荷载全部作用于桩底的坚固岩层上，按柱桩设计。
3.2.3 对于桩尖下伏溶洞，是采取穿过溶洞还是桩尖立于溶洞顶，须根据检算和经验设计。一般情况下，若完整基岩顶板厚大于6m且顶板厚与溶洞孔径之比大于2时，基底以下溶洞可以不处理，否则应采用桩基穿过溶洞。当钻探深度达到40～50m仍找不到6m以上厚度的顶板时，要求桩侧累计顶板厚度不小于5m且桩尖置于下层岩层上，支承顶板厚度不小于3m，嵌入岩层0.5m。在累计岩层顶板厚度时，要考虑邻近钻孔的岩层情况，避免将石笋尖当作岩层顶板。
3.2.4 对同一基础范围内因溶深高差悬殊，造成长短桩基础，在荷载作用下，各桩承受弯矩、轴向力、剪力很不均匀。按照岩溶地区桩基设计经验，桩的最小入土深度(包括嵌固深度)，最好不小于3.0m。对于短桩应检算主拉应力，并根据需要加强配筋。当采用加强桩顶配筋，都不能满足短桩受力要求时，则以钢护筒穿过顶部岩层调节短桩的嵌固深度，以改善短桩的受力。
4 结论
4.1 因岩溶地质的复杂性及隐蔽性，探明岩溶的发育程度和岩层强度情况是岩溶地区桥梁基础设计的重要前提，工程实践中，可结合多种地质勘探方法进行地质勘察工作，确保地质资料的准确可靠。
4.2 岩溶地区桥梁基础设计是比较复杂的课题。本文根据岩溶的分布、形态及发育规律，探讨了岩溶区桥梁基础的稳定性评价方法，提出了安全、经济、可行的处理方案，对岩溶区桥梁基础的设计具有一定的工程参考意义。
参考文献
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