山西省复杂地质条件桥梁基础设计

杜 夏 菲

(1.太原理工大学，山西 太原 030024； 2.山西长治公路勘察设计院,山西 长治 046000)

0 引言

山西地形地质较为复杂，主要地质为粉土与粉质粘土，斜坡地段对于公路工程的影响非常突出。桥梁工程对于我省基础建设的影响巨大，所占造价的比重也很高，根据往年统计，桥梁工程的造价在公路工程总造价中所占的比重高达40%左右，在桥梁工程中，基础占据的比重也很大。目前我国对于复杂地质条件下桥梁设计的相关研究人员较少，而这部分的研究内容与规范上所涉及的内容区别较大，而且相关规范也较少，从业人员缺乏相关依据，因此如何在保证安全的前提下，经济地设计桥梁基础是非常值得研究的问题。

1 山西省桥梁基础的设计现状

多年以来，我省的专家对于桥梁的设计理论进行了大量的试验与研究，也得到了一些可以指导实践的研究成果。然而，我省地质比较复杂，桩基的极限承载能力要求较高，山区交通不发达，运输设备艰难，试验成本高，因此所做的试验数量有限，专家对于黄土地区的桩基承载机理还没有得出确切的结论，对于山区复杂地区桥梁基础桩基的设计参数、设计方法也没有系统研究，所以在设计过程中存在一些情况。

我国桥梁规范要求桩基底端伸入中等风化层以上的基岩，单轴抗压强度小于2 MPa的按照摩擦桩进行设计与计算，而大于2 MPa的基岩、稳定的堆积体等不能够作为稳定的桩基承载体，因此要求设计桩长穿过这些岩层，这样就增加了桩基的设计长度；为了安全考虑，我国复杂地区的桩基一般都设计为嵌岩桩，在地基勘察报告中给出的桩基侧阻力数值范围较大，不能提供参考依据，因此在设计中经常选择最小值，甚至不考虑侧阻力，造成嵌岩的深度增加，而且由于侧阻力的存在，施工难度较大，对材料造成大量浪费；在桩基设计过程中还存在岩溶区的特殊情况，一般设计人员在设计中设计为穿透岩溶区的设计方法，并没有考虑对岩溶区相对承载力较高的顶板进行合理利用；由于地质的复杂性，很多桩基的设计施工不得不在斜坡上，斜坡的受力特性相较平坦场地，桩基的承载特性更加复杂，现场实测数据不足，加上斜坡桩基设计理论还不成熟，利用平坦场地上的规范进行桩基设计就会造成与实际情况偏差较大，甚至存在很大的技术失误，给桥梁桩基带来了一定的安全隐患。

2 复杂地质条件下桥梁基础设计的难点

由于设计人员缺乏设计依据，因此在进行山区复杂地质的桩基设计中往往带有一定的盲目性，在实际的工程中也设计出来很多超长桩基。我省的地质特点大致可以分为4类：黄土覆盖层、软质岩、断层破碎带、斜坡地段。黄土覆盖层主要包括黄土、粘土、碎石土等等，分布的厚度较大，有的甚至能达到60 m～80 m。黄土的侧阻力一般能够达到100 kPa以上，因此对于桩基设计中的承载力贡献还是很大的，我省的公路桥梁设计现场一般都缺乏对于桩基侧阻力参数的测定，为了节约成本，地基勘察单位只检测一两个点，结合实际经验给出一个区间，使得实际情况与计算值存在很大误差。如何选择侧阻力值成为了桩基设计中的难点，只有明确侧阻力才能够明确设计参数，从而对桥梁桩基的基础形式、桩的持力层以及深度进行合理的选择。

在我省的软质岩上进行桩基施工后与硬质岩上施工完成后的情况有所区别，这些区别主要在桩基的受力与破坏形式上，软质岩的单轴抗压强度较低、侧阻力也较低，所以在进行软质岩上桩基深度设计时需要考虑实际荷载与桩基的承载能力，对于强风化层，一般侧阻力较大，所以应当在设计中充分考虑到侧阻力对承载能力的影响后决定是否采用直接穿透的形式进行设计，如果阻力足够，就应当缩短设计桩长，充分发挥侧阻力的作用，降低工程成本。如果存在断层还应当考虑断层斜度对于桩基承载能力的影响。

对于岩溶场地，设计规范要求穿透溶洞，将桩端放置在较稳定的岩石上。但是有些地方溶洞较多，不可能一一穿透，这样工程造价很高，浪费较大，就应当详细探明岩石溶洞的发育情况并结合结构力学中板、拱的理论对溶洞的顶板承载力进行科学计算，当然这样的计算具有不确定性，所以应当结合试验的方法进一步研究，合理确定溶洞的安全顶板厚度。

我省的山地比较多，一些比较陡的斜坡表面都是岩石，所以在进行桥梁基础设计中最多考虑的都是嵌岩桩，斜坡地段进行桩基设计时需要考虑的实际情况是比较特殊的，与平坦场地情况完全不同，因为斜坡的桩基不仅仅要承担承台与桥墩传递来的竖向荷载，还要承担水平荷载。由于斜坡存在高低差，因此桥墩额外受到土体对桥墩本身的推力，使得斜坡侧的桩基受力规律比较复杂，这个力的作用范围比较难以确定，而且由于斜坡与桥墩之间的互相作用以及有车辆经过受到的动荷载，使得桥墩所处的位置容易引起桥墩发生弯曲或者其他非线性的变形情况。在斜坡地段进行桥梁桩基设计的时候必须要考虑：

1)桩基形式为嵌岩桩时桩基的嵌岩深度。

2)斜坡作用于桩基的不利荷载的方向以及大小。

3)加强运营期间的防护措施。

3 复杂地质条件桥梁桩基设计

1)黄土覆盖层场地桥梁桩基设计。

在我国的桥梁基础设计规范中对桩基的设计形式做出了规定，即除了特殊设计需要采用同类型桩基，不得在一个地段的设计当中同时使用端承桩与摩擦桩。现行的规范对于地质与桩基形式采用之间的关系并不明确，没有对什么情况下使用摩擦桩，什么情况下使用端承桩做出明确的规定，因此在实际的勘察中往往把碎石土、块石以及强风化岩当做桥梁桩基的持力层，作为桩基持力层的一般都是中风化以上的岩层。在我省的实际情况下，应当促使勘察设计报告中对黄土覆盖层是否能够当做摩擦桩的持力层做出评价。如果覆盖层大于40 m或者桩基的长宽比大于20时设计摩擦桩依据规范规定进行。

如果地基硬质岩层上面覆盖的黄土层比较厚，在设计采用嵌岩桩的时候需要对深度进行合理的选择。通过对众多相似案例数据的采集与分析，以及大量的参考文献研究表明：如果设计深度的基岩是硬质岩，那么设计的嵌岩深度如果太深反而不能够更好地发挥桩端的承载力。在规范中针对这方面内容也有相关的规定，如果桩基插入土体中的深度h≥4/α时，桩身长度在4/α深度范围内的桩身效应可以不计入受力当中，而在4/α深度以下的桩基弯矩设计为0，如果满足竖向承载力，则不需要嵌入中风化基岩。由于我省碎石土较多，因此当覆盖层厚度较大时嵌岩深度可以适当减小。当桩长在20 m～40 m之间或者长径比在10～20之间，可以综合考虑岩石的强度和完整性，结合覆盖层厚度进行设计。

2)软质岩和强风化岩地带。

由于软质岩的硬度较小，因此在承载力满足设计要求的前提下，桩长要适当伸长，一般要在3d～5d之间，最大的嵌岩深度不宜超过7d。结合我省几条公路的岩土地勘报告对岩土参数的取值情况，软质岩的侧阻力大约在120 kPa之间，单轴抗压强度大于10 MPa。所以建议我省的桥梁桩基嵌岩深度取值范围在3d～5d之间。在软岩和风化岩地段采用摩擦桩时应当注意各个桩基之间的沉降差异。在设计中选择墩—承台—桩基。尽可能避免将承台放置在破碎地带内，为了加强设计安全储备，也可以采用桩端后压浆技术提高桩基承载力，减小沉降。

3)溶洞与斜坡地段桥梁桩基设计。

碰到溶洞应当遵循“浅不深，优先保证承重顶板厚度”的原则，在进行桩基设计的时候充分考虑基岩特征、桩基的荷载以及桩身长度等因素进行桩基设计，桩基设计的嵌岩深度一般情况下不应小于0.5 m，在实际情况中，溶洞的边界条件是比较复杂的，所以在设计中考虑溶洞顶板的厚度与实际情况可能会有一部分偏差，如果存在偏差，就应当结合地勘报告进行确定。如果溶洞的顶板厚度满足桩基承载力的要求，就不用穿透溶洞，从而达到优化桩长，减少浪费的目的。

在斜坡地段进行设计应当确保坡体的自然稳定或者加固后成为稳定的坡体，在设计的时候尽量避免将桩基支撑在滑动的坡体上，桩端必须插入滑动面以下的地基中保证地基的稳定性。由于目前斜坡地段的研究正在进行，针对斜坡地段的设计没有成型的设计方法以及相关的试验数据进行参考，因此在实际设计中，为了避免设计中的失误提高安全性，可以将其简化为确定对桩基进行有效锚固以及确定桩基承载力影响范围的计算，将斜坡条件下的桩基设计等同于平地的桩基设计。单桩的影响范围大致为3d，根据研究，桩前土在桥梁桩基与陡坡的临空面距离大于3d时，桩前土不提供水平抗力，因此在我省进行斜坡上桥梁基础的设计，应当优先保证桩基的外侧与坡面之间的距离不小于3d。

4 结语

我省公路设计面对的地形条件复杂，因此桥梁基础设计与一般的规范上所规定的地质条件下的设计有所区别，目前我省对于该条件下桥梁基础设计的理论还不成熟，缺乏经验与数据，因此针对遇到的实际问题，应当通过研究、试验的方法提出对应的措施，保证桥梁施工的安全与经济，结合规范、文献与研究成果，做好桥梁设计工作。

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