山区不良地质桥梁基础优化设计研究

周柏宇 张春丽

摘要 山区典型不良地质条件主要有山区深厚覆盖层、软质岩、强风化岩、断层破碎带、斜坡地段、溶洞等。文章基于山区不良地质条件下桥梁设计特点，通过分析山区不良地质条件下桥梁基础设计阶段存在的难点，提出山区不良地质桥梁基础的优化设计方法，可为山区桥梁基础的设计优化提供参考。

关键词 山区不良地质;岩溶地区;桥梁基础;优化设计

中图分类号 U443.1 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）13-0105-03

0 引言

目前，随着我国在交通工程领域的不断发展，公路桥梁工程作为其重要组成部分，取得了迅猛发展。然而，由于我国存在大量山区，区域内地质情况各异，存在着众多不良地质，如山区深厚覆盖层、软质岩、强风化岩、断层破碎带、斜坡地段、溶洞等，这些不良地质分布范围广泛且危害程度大。公路桥梁工程不断向纵深化发展，部分桥梁必须穿越山区不良地质。在山区不良地质修建公路桥梁，与一般地质条件相比有其特殊性。由于不良地质体的承载力不足，在上部荷载作用下，不良地质会对桥梁工程的安全性造成影响[1]。因此，对山区不良地质条件下桥梁基础开展优化设计势在必行。

1 山区不良地质条件下桥梁基础设计的难点

山区地质构造复杂，不良地质条件集中体现，对山区公路桥梁的安全性影响较大。山区深厚覆盖层、软质岩、强风化岩、断层破碎带、斜坡地段、溶洞、湿陷性黄土等不良地质条件，都影响公路桥梁的安全性。在复杂地质条件下桥梁桩基础设计过程中，主要存在以下几点问题：

（1）区别于其他基础设计，山区桥梁基础桩长较长。桥梁基础设计规范对桩端持力层土层性质与类型有明确的规范。而上述不良地质情况中的山区深厚覆盖层、软质岩、强风化岩等，勘察设计时均要求其不得作为桩基持力层，从而相对增加了桩长，有时甚至造成超长桩。山区相对坚硬的岩石基础，以及陡峭的地形，提高了桩基施工的难度，而桩长增长就更加大了桩基础施工难度。桩端溶洞顶板厚度的选择，应充分考虑桩长因素，千篇一律的定性设计规则会大幅增加施工难度和降低工程进度，且常出现桩基设计过度的情况，从而会延长工期，提高工程造价，降低施工质量[2]。

（2）针对山区湿陷性黄土，要考虑结构不均匀沉降带来的不良后果。规范中要求桩长必须穿透湿陷性土层，到达符合要求的持力层土层。而且一般设计人员在面对湿陷性黄土桩基设计时，出于结构安全考虑，有时忽略湿陷性土层换填土的侧摩阻力，同时又计算了土层产生的负摩阻力，导致计算桩长增大。这种设计方法，特别是对山区桥梁桩基础设计来讲，大大提高了基础造价，违背了工程结构设计经济性原则。

（3）对于深厚覆盖层的桥梁桩基础设计，地勘提供的数据对确定土层参数取值指导意义不大，设计人员基于安全考虑，常常取其较小值，甚至不考虑侧阻力，导致对桩基侧摩阻力的过低估计，以及对桩长或桩截面的计算结果偏大。

（4）我国部分山区，比如贵州等，多熔岩分布地带。针对岩溶区桩基设计，设计师常常缺乏对问题具体的分析与思考，遇到岩溶便惯性采用穿透溶洞式，未考虑不贯穿的可行性办法，造成桩长的增加等。

（5）山区少见平坦路段，多斜坡路段，针对斜坡路段上的桥梁基础设计研究和试验较少，在斜坡桥梁的设计中，一般将其简化为平地，与实际情形存在较大出入，给桥梁工程的安全性带来了不利影响。图1为斜坡路段上的桥梁基础。

2 山区不良地区桥梁基础优化设计

2.1 黄土覆盖层场地桥梁桩基优化设计

在桥梁基础设计过程中，现行规范对桥梁桩基的型式有具体规定：同一地段的桥梁设计不得同时采用端承型桩与摩擦型桩（图2为桩基础类型），有特殊设计需求除外，而规范并没有明确规定不同地质情况下采用的桩基类型，设计人员一般依靠工程地质和设计经验确定桩基类型。在工程勘察中，一般认为碎石土、块石和强风化岩具有较好的承载力，可以作为桥梁基础的持力层，一般选择中风化程度以上的岩层作为持力层。然而，在我国北部山区，岩层上部覆盖厚度较大的黄土覆盖层，对于这种地质情况，勘察单位在充分掌握覆盖层物理力学性质的前提下，应判断黄土覆盖层能否作为桥梁桩基持力层[3]。

若覆盖层厚度大于40 m或桩基的长宽比大于20时，按照规范设计人员可以将桩体按摩擦桩设计，从而优化桩基设计，降低工程造价。若设计的桩基型式为嵌岩桩，同时硬质岩层以上覆盖有较厚的黄土层，则需要对桩长进行优化设计。在依据文献资料的前提下，结合工程案例和设计经验，若桩端为硬质岩石，桩体嵌入岩石过长反而不利于桩端承载力的发挥。针对此情况，规范中有着如下规定：若桩体嵌入土体长度h≥4/α（α为桩土变形系数）时，分析受力时，桩长在（0，4/α）范围内的部分可不考虑，深度大于4/α的桩体弯矩为零。若桩体此时所提供的竖向承载力满足要求，桩体则不用嵌入硬质岩石。考虑到山区存在的碎石土较多，当覆土层深度较大时，可以合理优化桩体嵌入岩层的长度。当桩体长度在20～

40 m或桩长比在10～20之间时，可以结合岩石强度和覆土层深度，开展桥梁桩基的合理优化设计。

2.2 软质岩和强风化岩地带桥梁桩基优化设计

软质岩和强风化岩的承载力有限，在桩身承载力满足上部荷载要求的情况下，应采取增大桩身长度的措施，范围为3～5d（d为桩径），桩体嵌入岩层深度不应大于7d。综合分析不同山区地质勘察报告可知，软质岩的侧摩阻力大约为120 kPa，因此在山区桥梁桩基设计中建议桩体嵌入岩层深度控制在3～5d之间[4]。

在软岩和强风化岩地带桥梁桩基设计中，如果采用的桩型为摩擦型桩，应考虑不同桩基的沉降，重视差异沉降，尽量在设计中做到承台与桩基一一对应;承台设置应尽量避开破碎地带。为提高安全储备，在设计阶段采用桩端后压浆的措施，使桩基承载力進一步提高。如图3所示，为强风化岩层设计的桥梁桩基础。

2.3 溶洞与斜坡地段桥梁桩基优化设计

溶洞地区桥梁桩基设计的主要原则为“宜浅不宜深，优先保证承重顶板安全厚度”，综合考虑岩层特征、上部荷载及桩长等因素，桩基嵌入岩层深度不得小于50 cm。然而，在实际的地形条件中，溶洞分布不是均质整齐的，设计过程采用的溶洞顶板厚度值与实际情况往往不相同，二者之间存在差异时，应根据地勘报告确定，甚至于对该区域重勘或详勘。若溶洞顶板提供的承载力远远超过上部荷载时，桩基则不需要穿过溶洞，从而实现对桩长的优化设计，降低工程造价。图4为桩底溶洞及桩的悬空。

岩溶地区桥梁基础优化设计和处理措施如下：减小桩长，桩体不穿透溶洞顶板。提高对地质勘察的重视程度，采用多种手段相结合的方式探明区域内的溶洞情况，根据地质情况确定桥孔的选择。若根据地勘报告，溶洞顶板厚度较大且上部覆盖层较厚，这种类型的溶洞便不会再继续扩散，在设计中可以将桩长缩短，桩端处于溶洞顶端即可，桩体无须穿越溶洞内部。为避免穿透溶洞顶板，缩短桩长的措施见表1。

若溶洞上部的岩层具备较好的完整度，层理发育好，具备足够的承载力，当溶洞跨径为桩径的3倍以上时，溶洞顶板的弯矩是主要影响因素，通过计算分析溶洞顶板的受力，可以得到顶板的安全厚度。最小顶板厚度H按下式确定[5]：

若溶洞上部的岩层完整程度较好，层理发育好，具备足够的承载力，当溶洞跨径为桩径比值小于3时，可通过溶洞顶板受到的剪切应力计算出顶板安全厚度H。

在斜坡地段对桥梁基础优化设计时，应保证坡体的自然稳定性或采取加固措施后可以成为稳定体。应对斜坡体开展受力分析，避免将桩端设置于滑动面上部，避免滑坡事故对桥梁桩基的影响，使桥梁桩基具备足够的稳定性。当前，针对斜坡地段上桥梁基础的设计正处于起步阶段，没有规范参考，设计人员多依据设计经验和工程实际开展优化设计。为了保证桥梁基础的安全性能和提高设计的可行性，可将其简化为桩基承载力影响范围的计算。根据相关文献，桥梁桩基处的桩前土体与斜坡体的临空面距离为3倍桩径以上，桩前土体不产生水平抗力，因此，对斜坡段上的桥梁基础开展优化设计时，应保证桥梁桩基处的桩前土体与斜坡体的临空面距离值不小于3倍桩径。

岩溶区桩基础设计应在探明溶洞的分布特征、位置、规模及类型后进行科学分析后进行，与实际情况结合起来。因此，如何有效利用好溶洞探测技术为工程建设服务是当前的重点研究方向，亦是未来一段时间桥梁工程、岩土工程及物探技术联合解决的难题。

3 工程案例分析

贵州某公路连接线位于岩溶发育区，大量桥梁桩基穿过岩溶区域。该工程中的所有桥梁均采取钻孔灌注桩。前期勘探时，部分岩溶区域未发现，在钻孔过程中，孔内出现涌水、漏浆等问题，发现潜在溶洞。最常見的溶洞处理方法是回填，但如何回填、回填何种材料是施工的关键问题。该工程中主要采用石黏土作为回填材料。

在现场后续施工中，钻孔桩施工中出现了卡钻、塌钻的现象，导致施工进度缓慢。在设计优化中采用了缩短桩长的第二种措施，利用群桩效应并结合地质先导孔的措施将这一问题进行解决。

4 结论

当前，山区不良地质情况主要有山区深厚覆盖层、软质岩、强风化岩、断层破碎带、斜坡地段、溶洞、湿陷性黄土等。该文通过对山区典型地质不良条件下桥梁桩基设计存在的难点进行分析，提出在山区不同不良地质条件下桥梁基础的优化设计建议，保证桥梁基础工程具备经济性和合理性，为山区不良地质桥梁基础的设计提供参考。

参考文献

[1]赖庆文， 孙红林. 山区岩石地基基础设计问题探讨[J]. 建筑结构， 2016（23）： 56-57.

[2]唐祖宁. 高强度基岩上桥梁嵌岩桩嵌岩深度的确定方法[J]. 中国市政工程， 2012（4）： 46.

[3]赵明华， 尹平保， 杨明辉， 等. 高陡斜坡上桥梁桩基受力特性及影响因素分析[J]. 中南大学学报（自然科学版）， 2012（7）： 17-19.

[4]赵明华， 张锐， 胡柏学， 等. 岩溶区桩端下伏溶洞顶板稳定性分析研究[J]. 公路交通科技， 2009（9）： 21-23.

[5]王景山， 苗保民. 岩溶地区桥梁基础设计研究[J]. 公路交通科技（应用技术版）， 2011（8）： 255-256+261.