岩溶地区公路桥梁基础设计研究

刘 洋

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550081)

0 引 言

随着我国基础交通设施的投资建设逐渐推进，公路工程作为振兴经济水平的关键基础设施，其建设步伐也日益加快。由于我国各地区地形地貌较为复杂，其中岩溶地质分布范围较为广泛，危害程度大，可能发生岩溶塌陷等病害。目前，在岩溶地区修建公路桥梁往往不可避免。在岩溶地区的公路桥梁建设过程中，由于桥面受到车辆循环荷载和路面附加荷载的影响，可能使得溶洞塌陷，引起地层变形，破坏桥梁结构的安全性，从而对公路桥梁的运营产生不利影响，这些因素就决定了公路桥梁基础的设计理念更加复杂，设计难度也更大。根据国内外相关学者的研究成果，岩溶地区的公路桥梁建设时往往采用桩基础穿过不良地质层。但是溶洞的存在，会对桥梁桩基础的承载能力产生一定程度的影响，与此同时可能导致桥梁桩基础在施工时出现斜桩、塌孔、断桩等事故。因此，研究岩溶地区的公路桥梁基础如何确定基础地基持力层厚度，如何选择经济合理的桥梁基础形式等具有十分重要的意义。这样不仅能够提高公路桥梁基础的修建质量，还可以为类似岩溶地区的公路桥梁的建设提供理论指导，从而推动桥梁工程建设水平的全面发展。

1 岩溶发育及岩溶桥梁基础

1.1 岩溶的发育

所谓岩溶指可溶性岩石受到含有CO2的流水溶蚀，再加上沉积作用而形成的地貌。溶洞的结构变化较大，存在的形态也各有差异，主要有孔内大溶洞、斜面溶洞、陡半边溶洞、石柱、石笋等，各形态依次如图1所示。

图1 常见的溶洞形态

1.2 岩溶地区公路桥梁基础

(1)扩大基础。岩溶地区公路桥梁在选择扩大基础时要遵循以下原则：第一，溶洞的覆盖层厚度较小，土质较好，溶洞较小，可以选择明挖基础，揭露溶洞的充填物，从而对浅层溶洞、溶沟进行清除；第二，如果溶洞处在持力层范围之内，可以根据溶洞大小选择砂砾或浆砌片石填，必要时可在基础内部加钢筋网；第三，如果溶洞埋藏深度较大，溶洞中地基土以粘性土、砂类土等以细颗粒为主，且溶洞上覆土层的承载力不能满足规范要求，可选择灌浆、砂桩等方法进行加固。

(2)桩基础。目前，桩基础是解决公路桥梁岩溶地基效果最好的方法，也是岩溶地区最常见的公路桥梁基础。桩基础的形式主要有摩擦桩、嵌岩桩、扩大基础与桩基础混合等。

2 岩溶区顶板设计安全厚度讨论

2.1 设计安全厚度的确定

岩溶区顶板设计安全厚度在确定时要综合考虑桩基尺寸、持力层土质、施工技术等因素。根据建筑桩基技术规范可知：如果桩基础下方存在软弱下卧层，则岩溶区顶板设计安全厚度往往大于5倍桩基础直径。但随着施工工艺的不断进步，在公路桥梁基础中，大直径钻孔灌注桩的应用日益广泛。此时，如果建筑桩基技术规范要求的岩溶区顶板安全厚度计算，得到的安全厚度过大，实际工程中很难满足要求。因此，研究岩溶区顶板设计安全厚度是基础设计过程中十分关键的环节。参考相关研究成果可知：对于岩溶地区的桥梁桩基础，如果桩基础端部岩层的节理裂隙不发育、完整性较好，设计安全厚度可取桩基础直径的三倍且不小于3 m；如果桩基础端部岩层的节理裂隙发育、岩石较破碎，设计安全厚度应当通过抗弯承载能力验算来确定。

2.2 设计安全厚度的影响因素分析

(1)岩溶发育、顶板裂隙发育

如果顶板岩层节理裂隙不发育、完整性较好，可以通过按抗冲切验算、抗剪切验算、抗弯拉验算等公式来推导出岩溶顶板安全厚度。如果桩基础端部岩层的节理裂隙发育、岩石较破碎，顶板岩层受到冲切作用力后可能会沿着节理裂隙破坏，则在使用上述验算公式时，应该用岩石软弱节理面的强度来替代岩石的强度。值得注意的是，岩溶顶扳的节理裂隙实际分布最精确的方法是钻探，但钻探法由于施工工期和施工成本的限制在工程中的应用较少。目前，压浆法是确定岩溶顶扳的节理裂隙分布应用最广泛的措施。

(2)顶板跨度、工作荷载

岩溶顶板跨度大小与顶板的抗冲切验算关系不大，且对顶板的抗剪切验算基本无影响。岩溶顶板跨度大小主要是与顶板的抗弯拉验算密切相关，主要原因是顶板的弯矩与顶板跨度呈二次正相关系。即随着岩溶顶板跨度的增加，顶板的最大弯矩也随之提高，反之亦然。工作荷载的大小也是岩溶顶板设计安全厚度关键影响因素之一。一般而言，工作荷载的大小与岩溶顶板设计安全厚度呈线性正相关关系。即随着工作荷载的增加，岩溶顶板设计安全厚度也不断增加。

(3)上覆土层的摩阻力

上覆土层厚度不大，岩溶地区公路桥梁桩基础通常设计为嵌岩桩，且大部分嵌岩桩均属于摩擦桩的范畴。因此，在设计桩基础时需要考虑上覆土层的摩阻力，即可以通过降低桩基的摩阻力来减小桩端应力，从而确保较小的岩溶顶板设计安全厚度就能满足要求。

3 岩溶区公路桥梁桩基础设计方法

3.1 岩溶区桥梁桩基设计原则

岩溶区公路桥梁桩基在设计时应当遵循以下经济、技术方面的原则，如表1所示。

表1 岩溶区公路桥梁桩基设计原则

3.2 岩溶区桥梁桩基设计关键

(1)确定桩型、桩长、截面尺寸

在岩溶地区选择桩的类型时应当充分考虑地形地质条件、施工设备、地下水位等因素，在此基础上优先考虑挖孔桩和灌注桩。如果岩溶区域的地下水位较低且排水通畅，可选择人工挖孔桩。桩基长度的确定一般与桩底持力层(桩基一般为嵌岩桩)的选择密切相关。桩基截面尺寸可以根据桩的类型初步拟订。

(2)确定桩基数量及位置

桩基根数的确定是根据竖向承载力允许值，利用以下公式得到

式中：N为桩的根数，F为桩基础竖向力的设计值，G为承台重量及各种附加荷载，R桩基的竖向承载力允许值。

桩基础在平面的布置位置可以是三角形、方形、矩形、梅花型等，同时桩基础在布置时应当尽可能使上部荷载的作用中心与桩基的平面形心在同一条轴线上。此外，单根桩基础的间距要控制得当，岩溶地区的灌注桩间距可选1.5D，挖孔桩间距可选2.5D。原因在于：如果桩的间距过大，会造成桩的承台造价过高，如果桩的间距过小，会导致桩的承载力不能满足要求。

4 结 语

(1)岩溶的存在，对公路桥梁桩基础的设计、施工等都会产生各种不利影响，主要体现在地基不均匀沉降、溶洞塌落、地下水不易排出等方面；(2)岩溶地区公路桥梁基础的常见基础有扩大基础和桩基础，桥梁基础选择时要对溶洞的规模大小和形态进行综合考虑；(3)如果岩溶地区桩基础端部岩层的完整性较好，设计安全厚度可取桩基础直径的三倍且不小于3 m。

如果桩基础端部岩层的完整性较差，设计安全厚度应当通过抗弯承载能力验算来确定；(4)设计安全厚度的影响因素主要有岩溶发育、顶板裂隙发育、顶板跨度、工作荷载、上覆土层的摩阻力等。此外，岩溶区桥梁桩基设计关键就是要确定桩型、桩长、截面尺寸、确定桩基数量及位置，且桩基础在布置时应当尽可能使上部荷载的作用中心与桩基的平面形心在同一条轴线上，岩溶地区的灌注桩间距可选1.5D，挖孔桩间距可选2.5D。