岩溶地区桥梁桩基设计分析

摘要 桩基础若处于岩溶地区，溶洞影响桩基竖向形变，桩端岩溶顶板的稳定性较差，甚者溶洞坍塌，桥梁質量受到损害。基础沉降和结构不均匀会带来形变，为降低形变，文章通过理论结合案例，对岩溶地区桥梁桩基的类型选择、承载力影响因素以及多种类型的桥梁桩基设计进行了阐述，确保岩溶地区桥梁桩基工程质量。结果表明：桥梁桩基承载力受溶洞顶板厚度、溶洞跨度以及溶洞与桩轴线的偏心距离等因素影响。

关键词 岩溶地区;桥梁;桩基设计

中图分类号 U443.15 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）09-0172-03

引言

在岩溶地区，桥梁桩基础不可避免地会遇到土洞、溶洞等不良地质问题。目前，岩溶勘察、桩基础施工措施、桩顶板稳定性评价和桩基承载力特性研究等是熔岩地区桩基常见的工作方法，岩溶区桥梁桩基的设计实践研究相对较少。岩溶地区桥梁桩基通常存在桩周板顶厚度不够的问题，在桥梁自重及行车等其他荷载的作用下，顶板被压碎，桩基础承载能力损失从而使桥梁结构破坏。对岩溶地区的桥梁桩基础进行合理地设计、施工控制，可确保桩基础的工程质量，桩基础有足够的承载能力，建造出质量安全可靠的桥梁工程。

1 岩溶地区桥梁桩基设计原则及步骤

1.1 桩基础设计原则

（1）经济、合理，且可以安全储备。

（2）桩基与桥梁上部结构的铰接完好，容许承载力和变形满足规范要求。

（3）设计考虑施工技术，成桩过程的影响因素，桩基能在现有施工条件下成桩[1]。

1.2 桩基设计步骤

（1）分析得出的地质勘察资料，根据勘察资料制定合理的设计方案。

（2）根据设计方案及实际情况核算确定桩基类型、根数、位置以及尺寸。

（3）桩基强度、稳定性、变形检测。

（4）根据检测结果，计算、修正初步设计方案，使其符合规范要求，确定最终设计方案。

（5）不断进行实地检测，根据实际情况不断变更设计，以求设计桩基础能达到最佳的承载能力[2]。

2 岩溶地区桥梁桩基类型及设计要点

2.1 桩基类型的选择

2.1.1 摩擦桩

岩溶地区的溶洞分布较浅，溶洞顶板过薄嵌岩桩的设计满足不了承载力的要求[3]。当穿过溶洞群时，桩基的长度按照摩擦桩计算。桩基设计要假设混凝土桩身与岩石铰接好，在试验桩成桩后进行桩基抗剪强度检测。基岩的裂缝含有丰富的水分，在施工过程中，可能发生渗水、漏浆等问题。

在摩擦桩的设计中，不计算桩端抗力作用，成桩后逐桩验算，遇溶洞多的地质时，根据检测桩的实际情况，进行补桩以达到设计桩基承载力。桩基漏浆形式如表1所示。

2.1.2 嵌岩桩

嵌岩桩的形式有单排桩和群桩，具有单桩轴向承载力大、横向稳定性好等特点，适合于桥面宽且孔径大的桥梁桩基，嵌岩桩桩底须位于同一岩层，基岩完整层厚度≥4 m，同时满足桩底地区地质情况基本相同。桩底基岩极限抗压强度>3.0 MPa，若嵌入层位弱风化灰岩则嵌入深度应>3 m，并在成桩后检测桩基的强度、承载力、稳定性等，根据实际检测情况进行补桩，确定墩台桩基方案。

2.2 桩基设计要点

（1）桩基设计在岩溶发育地区，采用地质雷达物探和逐桩钻孔勘探结合相互校核，逐桩检验，对照已有的临近桩基，掌握节理发育情况，明确溶洞的深度、高度以及内有填充物等，为桩基设计提供可靠依据。

（2）将持力层基岩进行土工试验，确定基岩的饱和极限抗压强度;溶洞内填充物进行土工试验，确定填充物的物理力学性能，并检测其容重、孔隙率和含水量等，为桩基施工处理岩溶提供依据。

（3）地下水位较低的山区，桥梁桩基多采用人工挖孔成桩的方式，勘察时运用地质雷达物探手段探明溶洞情况。

（4）条件允许的情况下，优先考虑明挖基础的基础形式。

3 岩溶区桩基承载力影响因素分析

3.1 顶板厚度对桩基承载力的影响

桩基设计的核心问题取决于桩侧摩阻力，桩侧摩阻力直接决定桩极限承载力。当桩基较长时，极限承载力70%由侧摩阻力占据。而桩土的相对滑移距离是桩侧摩阻力的影响因素，桩土相对滑移距离大，则桩侧摩阻力就大。当顶板厚度较小时，由于桩土相对滑移小于桩侧摩阻力的最小相对滑移距离，因此导致了桩基承载力减小，从而顶板发生破坏。若增加顶板厚度至3倍直径以上时，顶板端承力和相对滑移距离显著提高，侧摩阻力随之增大。顶板厚度对侧摩阻力影响较大，从而影响桩极限承载力，在桩端处存在少量的沉渣可以调整桩体的刚度，起到有利作用，增加桩土的相对滑移距离[4]。

3.2 洞跨对桩基承载力的影响

当溶洞洞跨较小时，桩端承载力较大，溶洞处于桩端应力作用以内，受均匀围压效果，冲切起不到作用，无法破坏，此时溶洞洞跨对桩基承载力影响最小。因此，在溶洞洞跨较小时，可以采用桩端扩头设计或者适当调整桩径来提高桩基的承载能力。当溶洞洞跨为2倍直径时，桩端承载力快速减小，主要体现在桩端对顶板的冲切破坏。溶洞洞跨在不断增大时桩基的极限承载力反而会下降。可以这样认为，溶洞跨度对桩基承载力的影响变化趋于一个临界值，超过临界值时影响反而会降低，此临界值主要受顶板厚度和桩端应力扩散角影响。

3.3 溶洞与桩轴线的偏心距离对桩基承载力的影响

当偏心距离小于3倍直径时，溶洞与桩轴线的偏心距离对桩基承载力的影响小，承载力参数变化不大;当溶洞与桩轴线的偏心距离大于3倍直径时，桩端应力扩散无法起到作用。当溶洞与桩轴线的偏心距离4倍直径时，随着偏心距的增加，桩端承载力显著提高。当溶洞与桩轴线的偏心距离5倍直径时，溶洞对桩基承载力的影响基本不用考虑。由上述得知，提高桩基承载力可以采取桩端周围溶洞压浆或者合理定位桩基位置[5]。

4 岩溶区桩基础设计注意事项

（1）岩石裂隙发育含有大量的碳酸盐类水，渗水、漏浆现象时有发生，設计阶段不考虑桩尖抗力，避免强风化类岩层的松散作用。

（2）单个溶洞直径≥3倍桩基直径时，设计阶段增设钢护筒数量替代混凝土护壁的支护效果，降低素混凝土的用量。

（3）计算单桩承载力时，多层岩溶层与桩侧面的摩阻力作用难以计算，视为安全储备，采用油毛毡隔开多层溶洞层与桩基侧壁按嵌岩桩设计计算。

（4）人工挖孔直接观测桩基内的情况，判断岩溶和桩底持力层，随时采取调整扩大桩头直径的措施，及时补救，经济性好。有特殊情况无法采用人工挖孔时，比如：软弱覆盖层过厚或者地下水旺盛，采用正循环冲击钻法。

（5）桩基础设计分为摩擦桩、端承桩。首选端承桩，具有安全性高、抗震性好等特点。如无法满足沉降要求，再采用摩擦桩，严格按照公式复核计算桩底岩层的厚度，设计摩擦桩。

（6）设计摩擦桩有两种类型，第一，桩基不进入溶洞区，与普通桩基的设计计算相同。第二，桩底进入溶洞区，摩擦桩的计算要合理选取溶洞区桩侧土的极限摩阻力及桩底支承力。

5 案例应用

5.1 工程概况

某桥梁是位于湖北省的一座大桥，桥面连续，单幅桥宽9 m，全桥共计桩基80根，单根最长桩47.0 m，桩径1.6～1.9 m。由于溶洞地区桥梁桩基施工难度大，采取左右幅独立分开设计，尽量避开溶洞。桥梁上部采用连续箱梁构造，下部采用柱式墩台构造。整桥48根桩基处于溶洞区，岩溶发育，厚度大，溶蚀强烈。桥区所在地层自上而下为第四系洪冲积层、角砾岩和下二迭系灰岩，基岩起伏大。溶洞层数最多12层，最高12 m，一般在9～10层，溶洞最高约10 m。该桥区还有一段断层面倾向西的正断层，且盘岩层破碎，落差6 m左右。

5.2 地质勘察

桥梁桩基础设计前要进行岩溶地质勘察，主要勘察地质水文、气候等环境特征、岩溶发育及分布情况、岩层发育节理等，为桥梁桩基的设计、施工提供依据。地质勘察时探孔直径比桩基础的直径小，勘察时个别溶洞并不能准确被勘察到，仅采用逐桩钻孔勘察无法真实反映岩溶发育情况和分布规律[6]。桥梁桩基≥1.5 m时，每个桩设置3个地质钻探孔。在桩基周围设置钻探孔，在一定深度的直径范围研究岩溶发育分布情况。结合本桥梁工程，开工前分析详细勘察资料，组织人员进行物探，根据物探情况，进行逐桩地质钻孔探测，根据详细的地质钻孔探测资料进行桩基设计变更，力求桩基的经济、安全、可靠，部分钻孔勘察柱状图如图1所示。

5.3 桩基设计

该工程案例地质存在暗河和多层溶洞，须穿越多处溶槽、溶沟、上下成串溶洞，因此从多方面影响因素考虑，具体设计如下：

5.3.1 溶槽或溶沟处的桥梁桩基设计

溶槽底面或溶沟底面的桥梁桩经过一般岩层上的内力分析方法，根据溶槽或溶沟底面岩层的强度和缝隙计算桩的轴向允许承载力，本桥桩基穿过的溶洞顶板薄，但是溶槽或溶沟底面足够深且填充土密实，达到一定的强度[7]。桥梁桩基立于溶槽底面或溶沟底面的岩层上，穿过溶槽、溶沟内的填充土，不置于溶洞的底板上，按摩擦桩设计。

5.3.2 地基上下成串溶洞的桥梁桩基设计

桥梁地基穿过成串分布的溶洞时，探明溶洞最下层分布情况，采用直径1.5 m的钻孔桩。上下成串溶洞小并且有填充物时，先采取钻孔压浆加固填充至空洞，等待一段时间后，浆体凝固再往下钻孔压浆，按摩擦桩计算桩长。上下成串溶洞大并且无填充物时，可先行钻孔，然后抛石、压浆，等待一段时间后，再往下钻孔压浆，按照柱桩进行计算所需的桩长。

5.3.3 负摩擦力影响的桩基设计

由于自重的作用，扰动的基土石都会发生固结下沉，经过开采地下水后，发生地基软弱层相对桩基固结下沉，下沉会产生负摩擦力，即一个向下的摩擦力。负摩擦力加剧了桩基的轴向荷载，严重会导致桩基破坏。桩基设计要重视负摩擦力问题，可以在中性点以上增设隔离层，隔离层材料选用油毛毡，克服负摩擦力，以此消除负摩擦力的影响。

5.3.4 穿进多层岩溶层的桩基设计

多层岩溶层对桩侧的摩阻作用是一个复杂的力学体系，将多层岩溶层的摩阻作用视作安全储备。当多层岩溶层与桩侧粘连一起，可能先发生摩阻破坏，从而导致桩基础破坏，桩身轴向荷载可能集中在某一岩溶层与桩身粘结处。在钻孔灌注桩施工过程中，采用油毛毡进行隔离，多层岩溶层对桩侧的摩阻作用不予考虑，轴向荷载完全作用于桩底的岩层上，按照柱桩设计。

6 结论

在岩溶地区修建桥梁，由于复杂的地质环境，修建桥梁遇上岩溶地区难以避免。溶洞地区桥梁桩基的设计影响因素多变，该文结合具体案例阐述岩溶地区桥梁桩基的设计要点，得出以下结论：

（1）溶洞顶板厚度对桩基承载能力有显著影响，若增加顶板厚度至3倍直径以上时，顶板端承力和相对滑移距离显著提高，侧摩阻力随之增大。

（2）溶洞跨度对桩基承载力的影响变化趋于一个临界值，此临界值为2倍直径，超过临界值时影响反而会降低，此临界值主要受顶板厚度和桩端应力扩散角影响。

（3）溶洞与桩轴线的偏心距离小于3倍直径时，桩基承载力较小，承载力参数变化不大;当溶洞与桩轴线的偏心距离大于3倍直径时，随着偏心距的增加，桩端承载力显著提高。

参考文献

[1]黎增禄. 浅谈岩溶地区的桥梁桩基设计[J]. 福建交通科技， 2021（3）： 67-69.

[2]梁宪莹. 广西岩溶地区市政桥梁工程桩基设计分析[J]. 工程技术研究， 2019（2）： 149-150.

[3]饶胜. 广佛肇高速岩溶地区桥梁桩基的设计与施工探讨[J]. 中国标准化， 2019（2）： 32-33.

[4]吴红兵. 岩溶地区桩基设计若干问题分析探讨[J]. 珠江水运， 2017（18）： 76-77.

[5]赵祥全. 岩溶地区桥梁桩基设计探讨[J]. 公路交通科技（应用技术版）， 2016（9）： 199-200.

[6]庞新刚. 岩溶地区桥梁桩基设计与施工技术[J]. 山西交通科技， 2016（4）： 37-39+43.

[7]彭银辉. 岩溶地区桥梁桩基设计探讨[J]. 北方交通， 2016（5）： 9-11+16.

收稿日期：2022-03-17

作者简介：朱诗勇（1987—），男，硕士，工程师，研究方向：桥梁设计。