一座岩溶区桥梁桩基的设计

张科峰

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

岩溶（又称喀斯特）是可溶性岩石在水的溶蚀作用下，产生的各种地质作用、形态和现象的总称[1]。随着公路交通的不断发展，许多高速公路不可避免地要穿越岩溶区，而形态各异、分布广泛的溶洞却极大地影响了公路工程的设计与施工。本文以广东省某高速公路中的一座桥墩为例，简单介绍了该墩的溶洞处治及桩基设计，旨在为同类工程的建设提供参考和借鉴。

1 项目概况

汕（头）湛（江）高速公路云浮至湛江段及支线工程位于珠三角西部地区外围，是广东省高速公路网规划“九纵五横两环”之“第二横”的重要组成部分。三茂铁路跨线桥为本合同段唯一的一座特大桥，采用上跨三茂铁路的方式通过，与铁路的交叉角度为53.94°。本桥互通区采用（5×25+5×25+4×25+25）m 先简支后桥面连续预应力混凝土组合箱梁，设计荷载：公路-Ⅰ级；设计洪水频率：1/300；地震动峰值加速度：0.05g。左幅35号桥墩为本桥的第3联，采用1.4～1.6 m的双柱式墩，墩高14.6 m。

2 地质勘探

详勘阶段地勘单位对该桥进行了详细的勘探，共布置了109个钻孔，基本查明了桥位处的工程地质条件。工程地质勘察报告显示桥位处不良地质为岩溶，极发育，溶洞高度大、深覆盖，填充物密实度不均匀；且桥位处遇洞率为20%，工程地质条件较为复杂。本桥左幅35号桥墩原位钻孔柱状图见图1所示。

图1 桩基原位钻孔柱状图

3 桩基设计

3.1 溶洞的处治

岩溶区桥梁桩基设计必须要考虑溶洞的影响，目前溶洞处治常见的有如下3种方法：

a）片石、黏土等封闭法，此法适用于溶洞较小的情况。

b）护筒跟进法，护筒可单层或多层，通过护筒的“支护、隔离”，达到正常成孔，此法适用于溶洞较大、上覆层较厚或单个溶洞不大但有串珠时。

c）静压注浆法，以压浆固结填充物、或填满溶洞，以提高溶洞中土体的承载力。

设计阶段结合本项目特点拟定了溶洞处治方案，溶洞处治一般原则见表1所示，溶洞处治示意见图2。由于该墩0号、1号桩基钻孔柱状图中溶洞上覆土层均超过20 m，单个洞深均超过5 m，所以考 虑采用双层护筒方案处治溶洞。

表1 溶洞处治一般原则

图2 溶洞处治示意图（单位：m）

3.2 嵌岩深度与承载力的对比

岩溶区桩基类型的选择应根据钻孔资料中溶洞的具体情况、处治方式以及周边桩基溶洞的发育情况综合考虑。岩层较浅的采用端承桩，岩层较深的应对摩擦桩与端承桩做比较，选择经济合理的桩基类型；岩层埋深对于端承桩与摩擦桩区别不明显时，考虑到端承桩沉降量小，优先考虑采用端承桩。

一般地层端承桩的承载力按《公路桥涵地基与基础设计规范》[2]JTG D63—2007（以下简称07地基规范）中5.3.4条计算,但岩溶区由于溶洞的存在必然对端承桩承载力产生不利。广东省地方标准《广东省岩溶地区桩基设计与施工技术指南》[3]（以下简称广东岩溶桩基指南）中通过对桩端阻力、总侧阻力进行折减来反映溶洞对桩基承载力的影响，所以相比07地基规范更符合实际情况。基于07地基规范修正后的端承桩单桩轴向受压承载力容许值计算公式为：

式中：k1、k2分别为根据溶洞顶板厚度而定的桩端折减系数和总侧阻发挥系数，其取值参见表2。其余参数详见07地基规范。

表2 系数k1、k2取值参考表[3]

岩溶区端承桩的最佳嵌岩深度，应根据桩顶荷载、岩溶区地质条件、上覆土层厚度、持力层基岩、桩径、桩长等因素综合考虑。广东岩溶桩基指南中通过数值分析，考虑嵌岩深度和溶洞顶板的相互制约条件下，其桩基嵌岩段桩端力、侧阻力及总体承载力关系曲线见图3。

图3 桩基桩端力、侧阻力及总承载力对比图[3]

从图3中可见，岩溶区由于溶洞的存在，桩基端承力随着嵌岩深度的增加是减小的，虽然这个阶段侧阻力也在增加，但其幅度远比端承力的减小要慢，端承桩的总承载力基本随桩端力的减小而减小，所以端承桩要首先考虑如何有效提高桩端力。

3.3 桩基类型、长度的确定

综上所述，并结合本项目岩溶区端承桩嵌岩要求，同时本着优先保证顶板安全厚度的原则，左幅35号墩桩基拟定为41 m端承桩，35-0嵌岩深度为4.1 m，顶板持力层厚度为3.8 m；35-1嵌岩深度为3.7 m，顶板持力层厚度为7.3 m。桩基嵌岩深度验算见表3。

表3 桩基嵌岩深度验算表

3.4 桩基强度验算

桩基设计为1.6 m钻孔灌注桩，均布32根25的HRB400钢筋，其强度验算见表4。

表4 桩基强度验算表

3.5 桩基轴向承载力验算

计算桩基承载力时不考虑桩基与钢护筒间的摩阻力，且偏保守地认为地质柱状图最底层之下即为溶洞，采用公式（1）计算的35号墩桩基轴向受压承载力见表5。由结果可知该墩桩基满足承载力要求，且有一定的安全储备。

表5 桩基轴向受压承载力验算表

4 顶板安全验算

4.1 抗冲切验算

岩溶区桩端岩层顶板的安全性对于端承桩的承载力及桩基安全都有着重要的影响，现在大量的研究表明，岩溶顶板较厚时桩端持力层多以冲切破坏形式发生。冲切破坏锥体对岩层侧表面的剪应力和拉应力均存在，实际工程中为安全起见，也应分别验算。桩基岩溶顶板冲切破坏简图见图4。根据力学平衡，可得冲切锥体的平衡条件为如下两种模式（不考虑锥体的自重）。

4.1.1 模式1 剪切破坏

式中：K1为抗剪切破坏安全系数；P为桩端荷载（考虑附加荷载），kN；τ为岩体抗剪强度，kPa；D为桩基直径，m；H为岩溶顶板厚度，m；θ为破坏锥体冲切角，θ=45°-φ/2（φ为岩石内摩擦角）。

图4 桩基岩溶顶板冲切破坏简图

4.1.2 模式2 抗拉破坏

式中：K2为抗拉破坏安全系数；σt为岩体抗拉强度，kPa；其余参数同式（2）。

附加荷载计算时偏安全的考虑护筒的自重，并对岩体强度考虑0.75的折减。根据相关参数，该墩桩基岩溶顶板抗冲切验算见表6。

表6 桩基岩溶顶板抗冲切验算

4.2 抗剪切验算

岩溶区溶洞顶板比较薄时，在荷载作用下可能因抗剪强度不足而发生破坏，剪切体为一圆柱体，此种工况下顶板承载力较低，桩基岩溶顶板剪切破坏简图见图5。根据力学平衡，可得剪切体平衡条件为：

式中：K3为溶洞顶板抗剪安全系数，其余参数同式（2）。

代入相关参数后得，35-0桩基K3=4.3，35-1桩基K3=8.5，满足要求。

图5 桩基岩溶顶板剪切破坏简图

4.3 抗弯验算

桩端基岩由于溶洞的存在还可能因顶板抗弯能力不足而发生破坏，《岩溶地区公路基础设计与施工技术指南》[4]认为当顶板厚跨比（H/L）不小于1时，可认为顶板是安全的；当顶板厚跨比（H/L）小于0.5时，弯矩作为主要控制因素，顶板安全厚度可按式（5）估算：

式中各参数详见参考文献[4]。

因桩基地质钻探未明确揭示溶洞跨度，所以文中考虑按H/L=0.5、0.4及按桩端45°应力传递3种情况分别验算，并假定按两端固定梁计算，验算结果见表7。从结果可知，顶板抗弯满足要求。从后期实际施工中了解到，溶洞范围35-0约为8 m，、35-1约为11 m，因此可认为该桩基顶板是安全的。

表7 桩基岩溶顶板抗弯验算

5 结语

a）通过对该墩桩基的溶洞处置、桩基设计及验算、溶洞顶板持力层的验算表明，本墩桩基是安全的，满足设计要求。

b）从文中图表可见，盲目加大嵌岩深度是不合理的，不仅对总承载力的提高有限，还增加了施工难度。

c）岩溶区端承桩需要取舍嵌岩深度与顶板厚度的情况下（一般认为嵌岩深度+顶板厚度小于等于6D），在优先考虑顶板厚度的前提下宜浅不宜深，一般在1D～3D之间择优取值。

d）文中对顶板的安全验算中均认为岩层比较完整、节理裂隙不发育或较发育。实际中应根据岩层裂隙的发育情况、位置、胶结度等综合考虑。

e）施工中要遵循“先已知后未知、先深（长桩）后浅（短桩）、先外后内”的原则，地质情况复杂的，也可先在桩位进行钻孔注浆，然后再进行桩基成孔的施工处置方案[5]。