岩溶地区基础型式新技术探讨

摘要：文章简要介绍适合岩溶地区的一种基础新型式——螺旋桩，并在理想状态下对螺旋桩进行简单分析、探讨。

关键词：岩溶；螺旋桩；单桩承载力；水平承载力

中图分类号：U416文献标识码：A

文章编号：1674-1145（2009）03-0101-02

在多种地质作用下，岩溶地区侵蚀及堆积地貌的形态特征有溶蚀、落水洞（Inghiottitoio）、溶洞（Karst cave）等，经过漫长的地质时代，形成岩溶盆地、峰林、石钟乳等。由于特殊地貌形态，在工程建设领域，岩溶被定义为一种不良地质现象，被列为特殊路段、困难路段。技术人员对此重视程度高，工作力度、强度加大，技术分析深度、处理加深，投资增多，岩溶区对工程建筑的危害也是比较大的。对交通安全产生不利影响，给社会造成人身及财产损失。

一、岩溶区的地基基础型式新技术探讨

在岩土工程勘察中，尽管岩溶作为一种不良地质现象，但是，岩溶区构筑物却没有选择更新、更先进的地基基础型式，还是通常惯用的摩擦桩、嵌岩桩、墩基础、沉井基础、地下连续墙等。以往的基础结构型式缺点多：复杂，笨重，施工难度大，代价高，不美观等。而且，很大程度上，设计变更造成工程勘察与基础设计不能很好地同步。对于浩大的工程，产生的影响是很大的。

由此，特提出适应岩溶地区的一种新型地基基础型式——螺旋桩。螺旋桩的工作原理是“螺丝钉”原理。螺旋桩是一种螺旋式进入土体、岩体的桩基础。它是通过土与桩的桩侧阻力、土与桩的桩间阻力及桩端阻力来承担上部结构传递的荷载。详见螺旋桩及结构要素示意（图1）。

螺旋桩主要有三部分要素组成，桩帽、桩轴心、螺纹。

螺旋桩的优点很多，它通过螺旋式进入土体、岩体，进入过程中，压实、紧密桩周围土体、岩体，增大周围土体、岩体与桩侧接触面积，缩小桩周土体、岩体的孔隙、空隙，扩大周围土体、岩体与桩侧产生的阻力，减小桩端阻力。由此可见，岩溶区的溶洞对桩影响小，溶洞塌陷或者桩端没能在基岩问题也不大。意思就说，减小了桩最下端对完整基岩及基岩达到完整程度厚度的依赖性。除此，螺旋桩的桩长要比正常的短，美观，简单，轻便，代价低等。一旦应用，相信应用广泛，发展迅速，备受欢迎。

螺旋桩的缺点不容忽视。首先，本技术缺少理论数据、实际模拟。桩螺旋进入土体后，对土体、岩体造成破坏，发生变形，需要对周围岩、土体内部颗粒对桩体、桩身受力情况需进一步分析。另外，螺旋桩对施工机械、桩的材料及桩的结构设计提出更高要求。螺旋桩的材料及结构设计需要能够使桩很好地螺旋进入，而且螺旋进入后，能够很好的与岩、土发生受力作用。需要进一步研究。

岩溶区的地基基础型式新技术——螺旋桩，认识还不够成熟。现在只对简单状态、理想状态下的螺旋桩进行分析、探讨。

（一）施工方法

螺旋桩的施工方法可以有两种。一是混凝土预制桩。混凝土预制桩是将桩在现场或工厂预制好，然后用机械将其螺旋把桩送入土中就位；二是通过螺旋钻先把孔钻好，然后将螺旋桩旋入土中就位。

上述两种形式的施工程序详见图2、图3。

（二）单桩承载力

1.竖向载荷下单桩的工作性能。对单桩工作性能的研究是单桩承载力理论分析的基础，通过桩土相互作用分析，了解桩土间的载荷传递途径和单桩承载力的构成及其发展过程，以及单桩的破坏机理等，对正确评价单桩轴向承载力设计值具有指导意义。

2.桩的荷载传递。在螺旋桩顶轴向荷载作用下，桩身将发生弹性压缩，同时桩顶荷载通过桩身传递到桩底，致使桩底土层也发生压缩变形，这两者之和构成桩顶轴向位移。由于桩与桩轴土体紧密接触，当桩相对于土向下位移时，将产生土对桩向上作用的桩侧摩阻力及螺旋间土对螺纹产生桩间支撑力。在桩顶荷载沿桩身向下传递的过程中，必须不断克服这种摩阻力及支撑力，故桩身截面轴向力随深度逐渐减小，传至桩底截面的轴向力为桩顶荷载减去全部桩侧摩阻力及螺旋间土对螺纹产生桩间支撑力。它与桩端阻力大小相等、方向相反。桩通过桩侧摩阻力、桩间支撑力、桩端阻力将荷载传递给土体。或者说，土对桩的支撑力由桩侧摩阻力、桩间支撑力及桩端阻力三部分组成。

详见单桩轴向荷载传递示意（图4）。

如图4所示，竖直单桩在桩顶轴向力N0=Q作用下，桩身任一深度z处横截面上所引起的轴力Nz将使该截面向下位移δz，桩端下沉δl，导致桩身侧面与桩周土之间相对滑移，其大小制约着土对桩侧向上作用的摩阻力τz的发挥作用。有深度z处桩端微元dz上力的平衡条件：

N_z–τ_zμp dz – (N_z+d N_z) –qπr²= 0

可得桩侧摩阻力τz 与桩身轴力Nz、桩间阻力q之间的关系为：

τz = –1/μ_p[ d N_z/ dz + qπ（r –r₁）²/ dz]

式中τ_z也就是桩侧单位面积上的荷载传递量，μ_p为桩轴心的半径r₁。桩侧总阻力Q_s+ 桩间总阻力Qq + 桩端阻力Qp = Q。

由于桩身截面位移δ_z应为桩顶位移δ₀= s与z深度范围内的桩身压缩量之差，

所以：σ_z= s–1/A_pE_p∫0ⁿN_zd_z

式中ApEp 为桩身横截面面积和弹性模量，若取z=l，则上式变为桩端位移表达式。

3.单桩的破坏模式。螺旋桩在轴向荷载作用下，其破坏模式主要取决于桩周土的抗剪强度、桩端支撑情况、桩尺寸及桩的类型等条件。有以下几种破坏模式：屈曲破坏、整体剪切破坏、刺入破坏及扭断破坏。

（三）螺旋桩的水平承载力

在水平荷载和弯矩的作用下，桩身挠曲变形，并积压桩侧土体，土体则对桩侧产生水平抗力，其大小和分布与桩的变形、入土深度以及图纸条件等因素有关。在破坏以前，桩身的水平位移与土的变形是协调的，相应的桩身产生内力。随着位移和内力的增大，对于低配筋率的灌注桩而言，通常桩身首先出现裂缝，然后断裂破坏；对于抗弯性能好的混凝土预制桩，桩身虽未断裂，但桩侧土体明显开裂和隆起，桩的水平位移将超出建筑物容许变形值，使桩处于破坏状态。

影响螺旋桩水平承载力的因素很多，如桩的断面尺寸、刚度、材料强度、入土深度、间距、桩顶嵌固程度以及土质条件和上部结构的水平位移容许值等。实践证明，桩的水平承载力远低于竖向承载力。

确定单桩水平承载力的方法很多，比如：单桩的水平荷载试验、水平荷桩的理论分析等。

二、结语

岩溶是经过多种地质作用下，在漫长的地质年代下，形成的一种特殊产物，是一种不良地质现象。为此，在现今21世纪经济高速发展的时代，工程建设行业、领域也面临严峻挑战。所以，针对岩溶地区的溶洞稳定性、工程地质特征等提出更高要求，对岩溶区的地基基础型式面临重大改革、创新。上述谈论的论题还有待于进一步讨论，另外，提及到的螺旋桩，有很大的创作空间，有待于深一步研究。一旦应用，相信应用广泛，发展迅速，倍受欢迎。

参考文献

[1]公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范ＭJTGD6

2-2004．交通部发布，2004．

[2]公路桥涵地基与基础设计规范JTJ 024-85．交通部发布，2007．

[3]王秀丽主编：基础工程[M]．重庆大学出版社，2001．

作者简介：耿双军（1982- ），男，中交通力建设股份有限公司助理工程师，研究方向：岩土工程、地质灾害防治。