研究桥梁设计中的桩基设计

李 鹏

(山西省公路局晋中分局，山西 晋中 030600)

1 工程概况

某桥梁上部结构为预应力连续箱梁和预制箱形板，跨径组合为30 m+50 m+30 m，由于桥梁所在范围内存在溶洞，所以为了躲避溶洞，其左右两幅分开单独布置，每幅的宽度为8.5 m。桥梁下部结构为柱式墩，基础为挖孔灌注桩，桩径在1.5～1.8 m范围内，共布置60根桩，桩长的最大值为45 m。桥梁所在地区的地质条件比较复杂，基岩有很大的起伏，且岩溶十分发育，有多处暗河与溶洞。上覆地层以第四系冲洪积层为主，下覆基岩以下二迭系灰岩与第三系角砾岩为主，地层从上到下依次为：第四系冲洪积层，主要分布有人工填土层、耕植土层、粉质粘土层、碎石土层和淤泥质粘土层，其厚度在0.4～19.8 m范围内；角砾岩层，岩溶发育，可见较大的溶洞及溶孔，还分布有溶蚀裂隙，厚度在0～10 m范围内；灰岩层，为块状构造，有25°～45°的倾角，表面有很大的起伏，溶蚀现象较为严重，无论是溶沟还是溶蚀裂隙都比较发育，厚度也相对较大。通过地质钻探可知，该段存在一个倾角为85°的断层，其表面倾向于西侧，落差不小于5 m，处于断层上部的岩层较为破碎。该桥梁有36根桩都处在溶洞区中，为此，在施工中还额外增加了一定数量的溶洞桩基。桩基设计在这种复杂的地质条件下显得尤为重要，必须引起相关人员的高度重视，保证设计的合理性与可行性，为之后的桩基施工奠定良好基础，保证桩基质量。

2 地质勘探

对该桥梁工程的桩基开展地质勘探时，需要在明确岩溶发育情况的基础上确定岩溶形态及其空间分布规律。勘探过程中，先进行物探，以物探成果为依据确定岩溶情况，然后在各基础内进行钻孔。针对该桥的实际情况，为每个桩基都布置了地质孔，并充分结合了物探方法，取得了良好效果。通过实践可知，考虑到桩基的直径比勘探孔要大很多，某些没有进行物探，只采用钻孔的方法对溶洞桩基进行了勘探，这样无法完全揭示出实际的岩溶发育情况及其分布规律，尤其是直径超过1.5 m的桩基，在必要的条件下需要通过一桩三孔来确定溶洞实际分布状况，同时在桩基孔实际施工过程中，在基岩表面出露之后，于其周围进行布孔，以此查明桩基所在位置范围内地质地层情况。

3 桩基设计

(1)对于分布在岩溶地区的桩基，如果桩体从溶沟或溶槽当中的填充土中穿过支立在岩层表面，则可以采用支立在普通岩层时所用的分析方法来完成桩体内力分析和计算。对于桩体自身轴向容许承载力，需要以岩层稳定性为依据来确定，包括岩层强度与缝隙分布情况等。当溶洞顶板厚度相对较小，但溶洞当中底面深度很大，同时溶洞中的填充土保持密实与稳定时，由于强度足够，所以桩底可以从溶洞顶板中穿过支立在填充土层当中，无需直立在溶洞底板，按照这种设计的桩基，属于摩擦桩。

(2)如果桥梁墩台以下地基分布上下连接的溶洞，则要在掌握溶洞最下层实际分布情况的基础上，将钻孔桩的桩径确定为1.5 m以上。如果在上面连接的溶洞体积都很小，但存在填充物，则可而在钻孔到空洞部位以后，采用压浆的方法进行加固填充，在压入的浆液达到凝固以后，再向下进行钻孔和压浆，直到设计要求的桩长。而如果溶洞体积很大，或无法确定溶洞真实体积，并且溶洞中的填充物质未能保持密实，或根本没有填充物，则要先进行钻孔，然后通过钻孔进行压浆或抛石来填充空洞，之后再采用与上述相同的方法不断下钻和压浆，直到设计要求的桩长。然而，需要注意的是，此时要严格按照柱桩来分析计算，除非可以保证压浆达到密实或空洞内存在密实的填充，否则不允许对桩周摩擦力进行计算。

(3)在设计过程中要对桩基负摩擦力可能造成的影响予以高度重视。通常情况下，地基土石一旦受到扰动，将在自身重力持续作用下发生固结下沉的现象，尤其是因为对地下水的大量开采使地基软弱层范围内桩基产生固结下沉，会产生向下分布的摩擦力，这一摩擦力就是负摩擦力，该摩擦力的产生与作用，将使桩基受到的沿轴向分布的荷载明显增大，严重时将使桩基被不同程度的破坏。对此，在设计过程中就要考虑在中性点的上部设置钢套管或者是油毛毡，将其作为隔离层，用于消除或减小负摩擦力可能造成的影响。解决负摩擦力实际上和解决桩基破坏基本相同，所以采用相同的方法即可。

(4)如果桩基从多个岩溶层中穿过在坚固岩层表面支立时，可不考虑岩溶层可能对桩侧造成的作用及影响，反而可以将这种作用作为一种安全储备。这是因为岩溶层和桩侧产生的摩阻作用从本质上将与土体和桩侧所产生的摩阻完全不同。若多层岩溶和桩侧可以粘结成一个完整的整体，则桩身轴向荷载怎样分配至每个单一的岩层，会使一个极其复杂的问题，极有可能在某个岩溶层和桩身之间的粘结部位，由于受力集中先产生摩阻破坏现象致使桩基被破坏。对此，在设计过程中，除了无需考虑岩溶层可以对桩侧造成的作用与影响，在桩基施工过程中还要制定有效措施对岩溶层和桩壁进行适当的分隔，确保桩基受到的所有轴向荷载均作用在坚固岩层表面，同时还需要按照柱桩的标准来设计。若根据实际的受力条件可知，桩基的底部表面可以直接支立在溶洞当中存在的填充土上，则需要对溶洞当中存在的填充土可能对桩侧造成的作用及影响进行考虑，并按照普通的摩擦桩来考虑和设计。在此过程中，需要在岩溶层和桩体之间设计合理可行的隔离措施，这样一来就可以忽略桩体和岩溶层相互作用。

(5)桩基的承载力不能小于荷载20%～30%；桩深要在计算结果基础上加桩径的0.5倍；设计时对持力层范围内是否存在软弱夹层进行核实，并注意现有勘探资料中对持力层岩性进行的描述；如果计算确定的桩底标高和下一层相对较好的岩层相接近，则可以把桩底直接放在下一层；同一结构应采用相同类型的桩；在同一承台内，两根相邻的桩，其桩底标高实际差值要根据具体的岩性确定，先对桩长相对较大的桩进行施工；对于最小桩长这一问题，要通过对桩径、岩性、荷载与其受力形式的综合考虑来确定。

4 结 语

综上所述，通过对以上勘探设计基本原则的应用，并充分考虑桥梁实际情况核对桩基实施的必要的设计变更，顺利完成了该桥梁的桩基设计及施工，并在施工完成后开展了系统的静载检验和通车试运营，从检验及试运营效果来看，本次设计是合理且成功的，可以为情况相类似的其它桥梁工程桩基设计工作提供参考借鉴。