山区高速公路溶洞发育区的桥梁桩基设计

邹霖，邓宏斌（云南省交通规划设计研究院,昆明650011）

山区高速公路溶洞发育区的桥梁桩基设计

邹霖，邓宏斌
（云南省交通规划设计研究院,昆明650011）

在溶洞发育地区高速公路施工时，溶洞会对桥梁桩基承载力造成比较大的影响。溶洞发育地区施工时，常常会引起卡钻、斜桩、塌孔、扩孔、埋钻等问题。为了保证施工质量，需要合理地进行山区高速公路溶洞发育区的桥梁桩设计。论

文以实际工程为例，分析了岩溶对工程结构造成的影响，然后结合工程的实际情况对岩溶发育区桥梁桩基的设计措施进行了探讨分析。

山区高速公路；溶洞发育区；桩基设计

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.026

1　工程概况

K41+213核桃沟1号大桥位于泸西县核桃沟老寨，公路桥梁设计荷载等级为I级，桥面的净宽度为2伊11m,全桥左右幅各3联：3伊29.5m+5伊29.5m+3伊29.5m，共6联，上部结构使用预应力混凝土（后张）T梁，先简支后连续梁。

2　桥梁桩基受岩溶的影响

2.1岩溶的实际变化

由于溶洞形式繁多，其主要包括大溶洞、岩面斜面陡坎、斜面溶洞、半边溶洞、石柱、石笋以及溶沟槽等多种结构形式见图1。

图1　钻孔内斜面陡坎、石笋、溶沟等示意图

2.2溶洞对通过桥梁造成的影响

在桥梁实际施工过程中往往会受到岩溶的巨大影响，岩溶更会对桥梁结构的安全性和稳定性以及施工造成极大的影响作用，其表现主要是地基出现不均匀沉降。岩溶岩面的变化往往会使得上层覆盖土质产生压缩变形，进而使得水平方向上的土层厚度产生较大变化。对于土层较厚的溶槽来说，由于下部依然存在软土，使得地基的不均匀性进一步加强。而灰岩溶洞的塌落使得岩体洞穴顶板会随着溶洞的不断发育而产生变化，导致稳定性降低甚至出现局部塌落现象。当浅埋、扁平状、较大跨度的洞体等受到损伤时，多种结构面将会被切割，从而对上部基础产生巨大威胁。由于地下水不易排出，使得岩溶水的动态变化对深水区域的桥梁安全性产生极大威胁。受到岩溶实际地形、位置、大小等多种不确定性因素的影响，在深水桥梁基础钻孔灌注桩施工过程中常常会出现突然失水、渗漏、掉钻、卡钻、偏孔以及弯孔和混凝土实际浇筑量急剧增加的多种潜在风险的影响。

3　岩溶发育区域桥梁桩基方案的设计

3.1制定桩基设计方案的重要性

在桥梁设计过程中，如果端承桩所处的位置为岩溶区时，一般会考虑将桩基直接穿过溶洞或者借助溶洞顶板的承载能力使其成为桩基持力层，而最终的选择必须借助专业人员通过计算和分析完成。受到工程设计工期和施工任务的限制，一般采取直径为溶洞顶板厚度5倍以上的桩基进行支撑，倘若难以满足该种条件要求，则应当借助桩基穿过溶洞嵌入下层基岩的方式进行施工。但此时的桩身长度太长，使得施工难度增加，更造成了工程资源的巨大浪费[1]。若桩基没有穿透下层溶洞，顶板厚度较小，则会在上部长时间载荷作用下出现顶板破裂的现象，进而出现桥梁沉降过大或者不均匀沉降，甚至会造成大桥倒塌。只有设计人员在进行实际设计时能够根据详尽的地质勘测报告进行准确计算，定制出适合于当前区域地质情况的地质设计施工方案，才能够在保证桥梁结构安全的同时减少经济投入。

3.2安全厚度的确定

在进行岩溶区域桩基基础持力岩层的安全厚度估测时，通常会将持力层看做一个刚性底板，其实际受力将全部来自于桩基基础的垂直性载荷。根据相关施工规定进行计算便可以获得持力层顶板的实际获得，如图2所示。

竖向承载力计算公式如下：

式中，Ftd为桩底竖向受力值；βh为截面高度影响系数；ftd为持力层岩石抗剪强度的设计值；σpc,m为设置有预应力钢筋板截面上预加力造成的混凝土有效平均压力；Um为距离集中反力作用面h/2处被破坏的锥体截面面积的周长；h为顶板有效厚度；r0为结构重要系数值，取1.0。

图2　嵌入溶洞顶板的桩基模型图

结合实际测量得到的地质情况，ftd偏安全取值0.8MPa，应力扩散角取45毅。对桩底竖向位置进行设计时，为了保证安全，桩底极限抗压强度取值为30MPa。那么桩底竖向力设计值大小为：

把上述得到的数值带入到公式中后计算得到h逸2.8d，经过计算，可以得出当桩端下部溶洞顶板的厚度为桩径2.8倍时，溶洞顶扳的承载力可以满足桩身竖向荷载的要求。

3.3保证嵌岩深度的合理性

根据施工图要求，桩基嵌入到岩层的深度要超过桩径2倍，该种要求对于强岩溶区域桩底标高的确定产生了极大影响[2]。按照《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD 63—2007）中的要求验证嵌岩深度。通过竖向承载力和桩身稳定性对其进行分析，发现合理的嵌岩深度不但保证了整体结构的安全性，还加快了工程建设速度，节省资金投入。

经过桩基扩大基础、结构形式改变以及桥梁更改道路等多种优化设计后，总工程全线减少桩基141根，使得工程的总体质量和安全得到了有效保证。另外，采用该种方式加快了工程实际建设速度，减少了桩基溶洞处理的相关费用。因此，采取优化设计在避开桩基溶洞的过程中获得了较为显著的社会效益和经济效益。

4　结语

综上所述，在进行岩溶地区的公路桥梁桩基施工时，设计单位要在设计初期阶段分析溶洞的分布规律以及溶洞的发育形状。在进行施工时，要严格按照规定要求计算桩基受力情况。根据本文中的计算方法确定桩底持力层标高，保证施工的安全性。在实际施工时，当遇到比较复杂的桩基溶洞时，设计人员要认真检查桩基实际开挖情况，并充分利用地质雷达、超前钻等措施调整桩基长度。本工程项目施工完成后，通过进行静载试验证明，设计单位的方案是合理的、安全的。

【1】陈伟.岩溶山区高速公路桥梁桩基施工技术应用探讨[J].山西科技，2010(6)：72-73.

【2】王春武.高速公路隧道开挖方案与支护方案类型及方案确定探析[J].四川建筑科学研究，2014（4）：201-205.

Design of Bridge Pile Foundation in Karst Area of MountainousExpressway

ZOULin,DENG Hong-bin
（YunnanTraffic PlanningandDesign Institute,Kunm ing 650011，China）

In thedevelopmentofkarstcavearea to carry outthe construction of thehighway,the cave w ill havea large impact on the bearing capacity of the bridge pile foundation.Karst development area construction,often caused by drilling,inclinedpile,holecollapse,ream ingandburyingetc..Inordertoguaranteetheconstructionquality,thedesignof thebridgepilein thekarstareaofmountainousexpressway isneeded.Taking thepracticalengineeringasanexample,this paperanalyzes the influenceofkarston theengineering structure,and then discusses thedesignmeasuresofbridgepile foundationinkarstarea.

mountainhighway;karstarea;designofpilefoundation

U412.36+6;U443.15

B

1007-9467（2016）11-0092-02

邹霖（1982～），男，云南昆明人，工程师，从事道路桥梁设计与研究。

2016-04-22