桥梁岩溶地基稳定性分析及处理方法

南昌铁路局龙岩工务段　肖　军

桥梁岩溶地基稳定性分析及处理方法

南昌铁路局龙岩工务段肖军

岩溶地基对桥梁的危害性非常大，设计时应引起高度重视。该文根据岩溶的分布及特征，对桥梁岩溶地基稳定性的评价方法进行了探讨，根据经验总结了桥梁基础遇到岩溶时常用的处理方法，对岩溶区的桥梁设计具有一定的工程参考意义。

岩溶地基稳定性分析桥梁基础设计

岩溶是可溶性岩层，因常年受水流侵蚀作用，逐渐溶蚀形成溶槽、溶沟或溶洞。我国西南、中南、华东等地区岩溶现象分布比较普遍，它一般以隐蔽的形式存在，现有勘探手段难于事先查明它的准确位置及大小，这给桥梁基础构成了极大的危害性，因而在岩溶区修建桥梁，处理不当将严重威胁桥梁使用过程中的安全。本文结合笔者在岩溶区桥梁基础的一些设计实践，介绍地基稳定性分析的几种方法和处理措施。

1　岩溶区桥梁基础稳定性分析

岩溶区的桥梁基础设计一般要考虑岩溶的分布情况，溶洞顶板的厚度、跨度、岩石发育程度及物理力学指标、洞内水的破坏作用和荷载大小等，采取相应的分析方法对其进行稳定性评价，以便必要时采取措施处理。但如果基础底面下土层的厚度大于地基压缩层的厚度，且不具备形成土洞的条件，可不考虑岩溶对地基稳定性的影响；或者基础底面下土层的厚度虽小于地基压缩层的厚度，但溶洞内已被密实的沉积物填满而又无被水冲蚀的可能时；或洞体较小，基础尺寸大于溶洞的平面尺寸，又有足够支承时；或洞体顶板岩石坚固完整，其顶板具有一定的安全厚度时，也可不考虑岩溶对地基稳定的影响。至于溶洞顶板安全厚度的验算，目前一般采用传统经验半定量分析方法和有限元方法。

1.1完整顶板安全厚度的估算

完整顶板系指未被节理裂隙切割或虽被切割但胶结良好，可视为整体的溶洞顶板。完整顶板安全厚度的估算方法有如下几种：

1.1.1荷载传递线交汇法

对于完整的水平顶板，参照《铁路桥梁设计规范》，假定由顶板中心按与竖直线成30°～35°扩散角向下传递，此传递线位于顶板与洞壁的交点以外时，即认为溶洞直接支承顶板上的外荷与自重，顶板是安全的。

1.1.2厚跨比法

影响溶洞顶板的稳定因素主要有四个方面，即顶板的完整程度、顶板形态（水平或拱形）、顶板的厚度（h）及基础跨过溶洞的长度（l）。根据多年来的调查统计分析及现场试验得出结论：当溶洞顶板为完整顶板时，其顶板的厚度与基础跨越溶洞的长度之比（h/l）大于2时，顶板厚度是安全的。

1.1.3剪切概念估算法

当溶洞顶板岩层完整，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。如图1，根据极限平衡条件而，得

图1　溶洞示意图

式中：Q1——溶洞顶板自重加上覆盖土层自重，kN；Q2——桩基对溶洞顶板的集中力，kN；τ——岩体的抗剪强度，石灰岩一般为其允许抗压强度的1/12，kPa；L——溶洞平面周长，m；所得H再加适当的安全系数，即为顶板的安全厚度。

1.1.4弯矩概念估算法

当溶洞顶板岩层完整，岩体强度高但洞跨较大时（大于3倍桩径），弯矩是主要控制条件。根据抗弯验算

式中，［σ］——岩体的抗弯强度，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。

（1）当溶洞顶板四周有裂缝，桩基基底（即溶洞顶板跨中）完整时，按简支梁计算

（2）当溶洞顶板四周完整，桩基基底（即溶洞顶板跨中）有裂缝时，按悬臂梁计算

其中，q——溶洞顶板自重加上覆盖土层均布荷载，kN/m2；p——桩基对溶洞顶板的集中力，kN；l——溶洞宽度，m。所得H再加适当安全系数，即为顶板的安全厚度。

1.2不完整顶板安全厚度的估算

1.2.1溶洞顶板坍塌堵塞估算法

洞内无地下水搬运的情况下，溶洞顶板坍塌后，塌落体体积会增大，当坍塌至一定高度，溶洞将被完全堵塞，顶板不再坍塌，坍落高度H再加适当的安全系数便为顶板安全厚度，坍塌高度H可采用下式估算：

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。

在坍塌前，溶洞可视为柱体，顶板坍塌后，可能形成棱锥体，也可能形成柱体。当为棱锥体坍塌时，所需坍塌高度大于柱体坍塌高度，但其顶板受力条件比柱体坍塌的顶板有利。柱体坍塌时，顶板坍塌高度为：

1.2.2成拱概念估算法

适用于溶洞顶板风化破碎的岩层，如图2所示，溶洞未坍塌时，相当于天然拱处于平衡状态，如发生坍塌则形成破裂拱，破裂拱高度H为H=0.5b+H0tgφ。

图2　破裂拱估算顶板厚度示意图

破裂拱以上的岩体重量由拱承担，故溶洞顶板的安全厚度为破裂拱高加上上部荷载作用所需的厚度，再加适当的安全系数。

2　岩溶区桥梁基础的处理方法

岩溶区桥梁基础的设计，应根据岩溶形态的具体情况，结合桥梁跨度和桥墩台荷载的大小，以及岩面以上覆盖层的土质、厚度和稳定性等加以考虑，选择合理的桥梁基础型式。

2.1明挖基础

具备以下条件时可采用明挖基础：

（1）地基表层的溶沟、溶槽等在查明下无溶洞或虽有溶洞，但其完整顶板厚度与溶洞跨长之比大于2.0，且厚度大于6m，基础类型均可采用明挖基础。

（2）浅层较小溶洞，基底局部有溶槽，深度不深且呈收敛状态，则清除槽内填充物，并探明槽底以下2.0～3.0m内无溶洞时，以与基础同等级砼回填，其上增设一层钢筋网，再灌注基础砼。

（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。

2.2桩基础

对于岩溶较发育，基底局部有溶洞或多层溶洞时，桩基础是处理桥梁岩溶地基最有效的方法。

（1）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。

（2）岩溶发育，溶洞埋藏不深，溶洞高度在3m以上，或多层溶洞总深度在15m以内，且地下水不发育，则可采用挖孔桩基础穿透溶洞，并探明桩底下2.0～3.0m内应确无溶洞。挖孔桩桩身与基岩相接的侧面上应加打牵钉。

（3）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。

（4）置于岩溶区溶槽或溶沟处的桩基，当桩穿过溶槽、溶沟内的填充土支立于溶槽或溶沟底面的岩层上时，可按支立于一般岩层上的柱桩分析方法进行桩的内力分析。桩的轴向容许承载力应根据溶槽或溶沟底面岩层的好坏（包括强度和缝隙等情况）来确定。如果溶洞顶板很薄，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。

（5）对于桩尖下伏溶洞，是采取穿过溶洞还是桩尖立于溶洞顶，需根据检算和经验设计。一般情况，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。

3　结束语

我国岩溶地基特别是多层岩溶地基分布很广，对于岩溶地基上如何合理选择基础类型，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。

［1］铁道部第三勘察设计院.桥梁地基和基础［M］，北京：中国铁道出版社，1991.

［2］铁道部第二勘察设计院.岩溶工程地质［M］北京：中国铁道出版社，1984.

［3］李聪林.桥梁岩溶地基的处理方法［J］.铁道标准设计，2003（1）：17-18.

［4］丘斌.岩溶地区桥梁桩基设计［J］.铁道建筑，2004（5）：13-14.