巖溶地區(qū)橋梁基礎設計
2016-09-18
巖溶是指可溶性巖石，特別是碳酸鹽類巖石（如碳酸鹽巖、硫酸鹽巖等），受含有二氧化碳的流水溶蝕，有時并加以沉積作用而形成的地貌。其表現(xiàn)形式主要有溶洞、溶槽、溶牙、溶溝等，比較多見于我國西南、中南、華東等地區(qū)。由于巖溶地區(qū)地質的復雜多變性和隱蔽性，在巖溶地區(qū)修建橋梁，橋梁應盡量避開巖溶強烈發(fā)育地帶，在無法繞避時，巖溶地區(qū)墩臺基礎設計應綜合分析鉆探資料，對溶洞進行詳盡的分析，采取相應的處理措施。
1 巖溶地區(qū)橋梁基礎地質勘察要求
由于巖溶地質的復雜性，合理的處理措施必須要有詳細準確的地質資料。有效的巖溶地區(qū)橋梁基礎處理方法需要的地質資料，包括巖溶的發(fā)育情況、基本形態(tài)、規(guī)模大小，洞穴頂板巖層厚度和完整性，以及洞內充填物形狀。
1.1 初測階段的地質勘察
傳統(tǒng)的地質鉆探方法在巖溶發(fā)育地區(qū)鉆探取樣所揭示的地質條件不能完全反映樁位處巖溶、裂隙的發(fā)育狀況。因此，在初測階段采用鉆探與物探相結合，了解整個場地的地質情況，初步探明地質異常區(qū)域，再與鉆探相結合，合理布置鉆孔，此階段的工作重點是探明巖溶發(fā)育程度及分布規(guī)律。
1.2 定測階段的地質勘察
在初勘的基礎上，根據(jù)橋梁的墩臺布置，進行逐墩勘察鉆探，分析逐墩鉆孔資料中溶洞、溶溝、溶槽以及溶洞裂隙的發(fā)育情況，若發(fā)現(xiàn)強發(fā)育的溶洞，應進行逐樁鉆探，并繪出反映橋梁墩臺位置的橫向地質剖面展示圖。
(1)鉆孔在完整基巖內鉆進不少于5～10m，在該深度內遇到溶洞時鉆孔應穿過溶洞，在洞穴底板完整基巖鉆進不小于5m。
(2)多層溶洞地區(qū)，鉆孔穿過多層溶洞后，頂板累計厚度達到5～7m以上時，再往下層的頂板需要鉆進3m以上。
(3)鄰近鉆孔若巖層厚度相差太大或發(fā)現(xiàn)有扁平溶洞需進行補鉆。
1.3 施工前的補充鉆探
因巖溶地質的復雜性，巖溶地區(qū)的擴大基礎在施工開挖至基底標高后，需在基礎范圍內四角及中心深約5m的范圍內探明基礎以下是否有溶洞存在。
2 巖溶洞穴的穩(wěn)定性評價
巖溶洞穴其頂板常因失去穩(wěn)定而坍塌。頂板坍塌突然，時間短暫。一旦發(fā)生，造成的后果是相當嚴重的,對橋梁基礎的安全可構成嚴重危害，因此如何評價頂板穩(wěn)定性問題是巖溶地區(qū)工程建設中的關鍵性問題。
根據(jù)我國在巖溶地區(qū)工程建設中處理基巖洞穴頂板的實踐經驗認為，評價洞穴穩(wěn)定性必須分析兩個因素：一是內在因素，包括洞穴頂板的厚度、跨度及形態(tài)、巖層產狀、節(jié)理裂隙狀況，以及巖石的物理力學指標等。二是外在因素，包括受載狀況(時間長短、荷載大小、動載或靜載)，巖石含水量及溫度變化影響，以及洞內水流搬運的機械破壞作用。此外，洞穴的坍塌有一個發(fā)展變化的過程。以水平頂板為例，開始頂板在靜載作用下，產生初始應力，處于變形階段；變形過大，頂板拉裂，處于松動階段；繼而逐步坍塌，處于塌落階段；塌落成拱形后，頂板可以自承其上的壓力，而趨于穩(wěn)定，是成拱階段。因此，評價洞穴穩(wěn)定問題是一個復雜的問題。影響巖溶洞穴頂板穩(wěn)定的主要因素有四個：頂板的完整程度、洞頂板的形狀(水平或拱形)、頂板厚度及建筑物跨過溶洞的長度。關于溶洞頂板厚度的驗算，包括抗彎驗算、抗剪驗算法、極限平衡法、厚跨比法以及利用頂板坍塌物填塞溶洞來估算完整頂板和不完整頂板的安全厚度。
2.1 按梁板受力情況估算頂板安全厚度
當溶洞頂板和巖層比較完整，層理又較厚，強度較高，洞跨較大，彎矩是主要控制條件時，可按梁板受力情況計算H，所得H再加適當?shù)陌踩禂?shù)即為頂板的安全厚度。
式中：[σ]――巖體的允許抗彎強度（石灰?guī)r一般為其允許抗壓強度的1/8），kPa；
b――橋梁基礎的影響寬度，m；
M――彎矩，kN•m。根據(jù)頂板巖石的完整性，分別按簡支梁、懸臂梁和固定梁三種情況計算：當頂板跨中有裂隙，兩支座處巖石堅固時，按懸臂梁計算端部所受彎矩；當頂板較完整，但兩端支座處巖層有裂隙與洞壁不成整體，按簡支梁計算彎矩；當頂板和洞壁巖層均完整，可按兩端固定梁計算彎矩。
Q――支座處的剪力，kN；
τ――巖體的計算抗剪強度(石灰?guī)r一般為其允許抗壓強度的1/12)，kPa；
2.2 利用頂板坍塌物填塞溶洞估算頂板安全厚度
溶洞頂板坍塌后，塌落體體積會增大，當塌落到一定高度H時，洞體就自行填滿，無需再考慮其對地基的影響，塌落高度再加適當?shù)陌踩禂?shù)便為頂板的安全厚度。此種方法適用于頂板巖層風化嚴重、裂隙發(fā)育、有坍塌的可能性。
式中：V――可能坍塌巖體體積，m3；V0――溶洞體積，m3；K――巖石的脹余系數(shù)，一般石炭巖K=1.2。
2.3 利用剪切概念估算頂板安全厚度
當溶洞頂板巖層完整，層理較厚，巖體強度高但洞跨較小時（小于3倍樁徑），剪力是主要控制條件?？砂词芗粲嬎沩敯搴穸取８鶕?jù)極限平衡條件計算公式： T≥P；而T=τ•H•L；得到：
式中：P――溶洞頂板自重、頂板上覆蓋土層的重量和頂板上附加荷載的總和，kN；Q2――橋基范圍內的頂板抗剪力，kN；L――溶洞的平面周長，m。
計算所得H再加適當?shù)陌踩禂?shù)，即為頂板的安全厚度。
2.4 利用厚跨比法判斷頂板安全
根據(jù)多年來的調查統(tǒng)計分析及現(xiàn)場試驗：當溶洞頂板為完整頂板時，其頂板的厚度h與基礎跨越溶洞的長度l之比（h/l）大于2時，頂板厚度是安全的。
3 巖溶區(qū)橋梁基礎類型
巖溶區(qū)橋梁基礎可根據(jù)溶洞的埋藏深度、規(guī)模、類型和巖石的完整程度選擇不同的基礎類型，一般有明挖基礎和樁基礎。
3.1 明挖基礎
?。?）在巖溶埋藏較淺局部有溶溝溶槽，下部已探明無溶洞時采用擴大基礎，并對基底以下溶溝溶槽采取換填片石混凝土或鋼筋混凝土基礎跨越溶溝溶槽等措施。
?。?）溶洞落在持力層范圍內，清除溶洞內的填充土，探明以下2.0～3.0m內無溶洞時，視溶洞寬窄分別打入小鋼軌，用與基礎同等級的混凝土回填，設置鋼筋混凝土蓋板或基礎內部加設一層鋼筋網(wǎng)。
?。?）對溶洞埋藏不深，洞中有較厚的碎塊石堆積物，可采用壓漿的方法使其固結。
?。?）溶洞若在基底設計高程附近或以上時，可采取換填方法處理，并要符合下式要求：
H≥（Q/[σ]-b）/2tgβ
式中：H――換填層厚度，m；
Q――換算荷載，kN/m；
β――換填材料的壓力分布角，度；
[σ]――溶洞充填物的基本承載力，kPa；
b――換填材料頂面寬度（基礎側面加0.3m），m。
同時，要求換填厚度不得小于2m，基底至換填層底部距離要大于2倍凍結深度。
3.2 樁基礎
樁基礎是巖溶地區(qū)最常見的橋梁基礎形式。當橋梁地基上的溶洞較大，埋藏較深，但又不滿足頂板厚度檢算要求時，或當巖面溶蝕高差大于1m或溶洞洞穴平面、剖面尺寸大于1m者，可溶性巖層埋深在8m以上，基底巖層部分缺角且無法嵌補，明挖或水下施工壓漿有困難等情況均可采用樁基礎處理。
3.2.1 溶洞頂板很薄，而溶洞內的底面很深，且洞內填充土屬于密實穩(wěn)定，具有足夠強度，則樁底可穿過溶洞的頂板置于溶洞內的填充土層內，而不置于溶洞的底板上時，可按摩擦樁進行設計。
3.2.2 當樁基穿過多層巖溶層支立于堅固的巖層上時，不應考慮多層巖溶層對樁側起摩阻作用，因為巖溶層與樁側之間的摩阻作用，在本質上不同于一般土與樁側之間的摩阻作用?？刹扇「綦x措施，將多層巖溶層與樁壁之間分隔開，使樁基承受的軸向荷載全部作用于樁底的堅固巖層上，按柱樁設計。
3.2.3 對于樁尖下伏溶洞，是采取穿過溶洞還是樁尖立于溶洞頂，須根據(jù)檢算和經驗設計。一般情況下，若完整基巖頂板厚大于6m且頂板厚與溶洞孔徑之比大于2時，基底以下溶洞可以不處理，否則應采用樁基穿過溶洞。當鉆探深度達到40～50m仍找不到6m以上厚度的頂板時，要求樁側累計頂板厚度不小于5m且樁尖置于下層巖層上，支承頂板厚度不小于3m，嵌入巖層0.5m。在累計巖層頂板厚度時，要考慮鄰近鉆孔的巖層情況，避免將石筍尖當作巖層頂板。
3.2.4 對同一基礎范圍內因溶深高差懸殊，造成長短樁基礎，在荷載作用下，各樁承受彎矩、軸向力、剪力很不均勻。按照巖溶地區(qū)樁基設計經驗，樁的最小入土深度(包括嵌固深度)，最好不小于3.0m。對于短樁應檢算主拉應力，并根據(jù)需要加強配筋。當采用加強樁頂配筋，都不能滿足短樁受力要求時，則以鋼護筒穿過頂部巖層調節(jié)短樁的嵌固深度，以改善短樁的受力。
4 結論
4.1 因巖溶地質的復雜性及隱蔽性，探明巖溶的發(fā)育程度和巖層強度情況是巖溶地區(qū)橋梁基礎設計的重要前提，工程實踐中，可結合多種地質勘探方法進行地質勘察工作，確保地質資料的準確可靠。
4.2 巖溶地區(qū)橋梁基礎設計是比較復雜的課題。本文根據(jù)巖溶的分布、形態(tài)及發(fā)育規(guī)律，探討了巖溶區(qū)橋梁基礎的穩(wěn)定性評價方法，提出了安全、經濟、可行的處理方案，對巖溶區(qū)橋梁基礎的設計具有一定的工程參考意義。
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