岩溶地区铁路桥梁基础设计

蒋 鹏

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

某铁路沿线岩溶出露广泛，覆盖层较薄，断裂构造发育，地下水丰富，岩溶现象发育，主要发育有溶洞、溶沟、溶槽、石牙、溶蚀裂隙、溶孔等，勘察揭示溶洞直径最大超过50m。岩溶地区的桥梁基础设计比较复杂，结合该铁路线设计经验，总结岩溶地区桥梁基础的设计方法。

1 岩溶地区桥梁必须有勘探详细地质资料

由于岩溶地区地质的复杂性，详细准确的地质资料是桥梁基础选型和设计的关键。只有布置科学合理的钻孔位置，查明每个基础范围内岩溶的发育规律、基本形态、规模大小、洞穴顶板岩层厚度和完整性，以及洞内充填物性状，才能合理设计桥梁基础。岩溶地区的桥梁结合定测钻孔资料，由梁跨和墩高初步拟定出基础尺寸和桩基布置形式提供给地质专业布置钻孔。对于明挖基础一般按对角线布钻，每个明挖基础至少应有2～4个钻孔，施工时需加强验槽，基坑开挖后进行物探探测验槽等。对于桩基础，一般要求逐桩钻探，条件困难时每个基础不应少于4个钻孔，施工时应加强补钻。钻孔在完整基岩内钻进不少于5～10 m，在该深度内遇到溶洞时应穿过，在洞穴底板完整基岩内钻进不小于5 m，必要时采用物探等其他方法予以补充。勘探后地质专业提供每根桩详细的地质钻探资料，绘制地质剖面图，详细说明溶洞深度、高度、填充物、岩面倾斜等情况。对于岩溶地质复杂，如直径过大、层数多、设计施工困难大的溶洞，需及时调整孔跨，有效避开大溶洞，减小投资。

2 岩溶地区桥梁基础形式的选择

根据勘探揭示的溶洞规模及类型，选择合适的基础形式，能减少施工困难，降低投资成本。对于浅层、较小的溶洞，可视溶洞内填充物的形式和密实程度，采用注浆等方式对溶洞进行加固处理后，再选择合适的浅基础形式。

若溶洞位于基底以下一定距离，溶洞形态大小能探测清楚，溶洞直径较小或顶板岩层厚度很大，顶板岩层完整性较好，一般可采用扩大基础如明挖和挖井基础，有需要时可采用筏板基础等。

桩基础是处理桥梁岩溶地基最常见也是最有效的方法。当桥梁地基下的溶洞较大，埋藏较深，但又不满足顶板厚度检算要求时，只能采用桩基础。若溶洞的顶板很薄，溶洞内的底面很深，且洞内填充土较为密实，承载力较高，可按常规摩擦桩考虑。合理选取溶洞区桩侧土的极限摩阻力是摩擦桩设计的关键。摩擦桩通常较长，桩底部分的力一般难以发挥，桩底土的承载力可不予计入，为安全储备。若溶洞顶板较厚，岩层完整性好，岩石承载力好，可采用柱桩基础。柱桩基础有承载力大、沉降小、抗震性能好等优点，桩身穿透多层溶洞和溶槽，嵌固在完整岩层上，是岩溶地区最常见的桩基础形式。

3 嵌岩柱桩长的确定

柱桩桩长的确定需要考虑的因素比较多，只有确定合理的桩长，使得桩尖嵌入合理的岩层并保证嵌入深度，才能有效发挥桩基的作用，保证设计的安全性和经济性。确定每根桩的合理桩长，需要注意以下几点。

(1)桩尖需嵌入基岩面一定的深度，当嵌入深度很浅时，桩身混凝土与其侧面岩石之间的摩擦力和黏结力难以保证，一般嵌入深度不得小于0.5 m，当嵌入深度小于0.5 m时，其嵌入部分桩身侧面承载力不应考虑。一般认为当嵌岩深度大于3～4倍的桩径时，可不考虑桩端下伏溶洞的影响。桩尖岩石持力层厚度的计算：对岩层比较完整，岩体强度高的岩层，通常根据溶洞跨度的大小，按溶洞顶板受弯和受剪的简化算法来粗略计算溶洞顶板厚度。一般视岩层的岩性和完整程度，桩端下有5～6 m持力层厚度的完整岩体认为是安全的。

(2)地质剖面展开图：为了绘图的美观起见，纵横向绘图比例通常情况下不一致，大部分情况是横向比例大于纵向比例，钻孔深度越深，纵横向比例的差值越大，这样一来，在地质剖面展开图中显示的地层线与实际地层线的倾斜度是不一样的，原本很倾斜的岩层线，在地质剖面图中显示可能就比较平缓，这样易引起设计者的视觉误差，按照剖面图中岩层线确定桩长易导致嵌岩深度不能满足要求。

(3)地质剖面展开图显示的是沿着钻孔连线方向的地质情况，需要结合地质钻孔平面示意图，判断溶洞在空间的分布情况，以判断溶洞的横向发展情况。对于靠近溶洞发展方向的桩长需要参考附近的桩长确定，以保证桩身有效的嵌入基岩面。必要时需补充钻探，探明设计桩位与溶洞的关系。

(4)群桩基础每根桩由基顶传递下来的荷载大小与桩的平面位置及桩身的刚度有关，因此桩长设计中应避免桩长度一边倒的现象，即应避免承台一侧的桩长与另一侧的桩长差值过大，这样将导致群桩中荷载分布不均，影响到整体受力。

(5)位于坡上的桥墩基础除考虑自由桩长外，还需注意桩尖岩层是否为顺层岩石，应充分考虑岩层的顺层角度及稳定岩层线的位置等，确定合理的桩长，适当加大桩基配筋量，防止岩层整体滑移对桩基产生不利影响。

4 桩径的选择

桩径的选择需结合梁跨、墩高、承台尺寸、桩长、墩台基础下部结构的刚度、地质资料等多方面情况综合确定。当桥梁墩台下地基有呈上下成串分布的溶洞时，在充分探明溶洞最下层分布的前提下，宜采用直径不小于1.5 m的钻孔桩。对于穿越大直径溶洞的桩基宜选择大直径桩，可有效减少桩根数，既能减小施工困难，也能较好地满足设计的要求。

对于穿越较大溶洞的桩来说，若溶洞中无填充物或者填充物承载力较弱时，可以将穿越溶洞的这部分桩看做是下端嵌岩固定，上端铰支的压杆，按照混凝土构件压杆稳定的简化算法。

具有纵筋及一般箍筋的轴心受压构件的稳定性按下列公式计算

式中：N—计算轴向压力(MN)，忽略溶洞顶部以上岩土层的摩阻力对桩身轴向的作用，近似按嵌入岩石层的钻孔桩容许承载力计算。考虑岩石层破碎程度和清底情况为一般情况，嵌岩深取2倍桩径，岩石单轴极限抗压强度取8 000 kPa，计算各桩径的容许承载力如表1。

表1 各桩径嵌岩桩的容许承载力

φ—纵向弯曲系数，根据构件的长细比查表确定，一端刚性固定另一端为不移动的铰时构件计算长度l0=0.7D，D为溶洞直径；

σ0—混凝土压应力/MPa；

m—钢筋抗拉强度标准值与混凝土抗压极限强度之比，采用C30混凝土及HPB235钢筋时，m值取11.8。

按压杆稳定计算的各直径桩桩身混凝土压应力如表2所示。

表2 各直径桩桩身混凝土压应力

当钻孔桩达到桩身容许承载力时，桩径较大的桩能适应于更大的溶洞，能较好的满足受压构件稳定性要求。

5 桩基展布图辅助程序设计思路

地质专业逐桩钻孔后，按照一定的桩基布置路径展开生成地质钻孔剖面图。根据逐桩平面关系图和逐桩地质剖面图，设计者就能大致的判断溶洞的空间分布情况。施工图设计时，为便于清楚的呈现各桥墩的桩基与溶洞空间的关系，常在地质剖面图中将桩基按一定的顺序逐桩展开布置，以较全面的展示各桩的设计信息，再根据各桩对应的地层信息进行详细的工程数量计算。手工完成基础展开布置绘图、工程数量计算及校核工作相当繁琐，尤其对于岩溶地区长大线铁路设计，需要耗费相当多的人力物力，寻求优质高效的计算机程序辅助显得尤为重要。根据以往的设计经验和设计思路，提出以下程序编制构思流程，探索辅助程序设计编制方法(如图1)。

6 结束语

岩溶地质对桥梁的危害很大，探明岩溶地质情况是岩溶地区工程建设十分必要的前提，地质勘察、设计和施工单位都应给予足够的重视，必须持有详细准确的地质资料。进行基础设计时需针对不同位置的具体地质情况采取不同的处理措施，确定合理的持力岩层，选择合适的桥梁基础形式，选择合适的溶洞加固处理方式，确定合理的桩基桩根数、桩长、桩径等，综合考虑各方面的影响因素，保证桥梁建设和运营的安全。

图1 桩基展布图辅助程序设计

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