岩溶地区公路桥梁桩基设计分析

文/赵睿、赵康

1 前言

在对桥梁桩基进行设计的过程中，查明地下岩溶分布及其发育程度，确定适宜的桩基类型及其竖向承载力，以此保证桩基质量对设计人员而言是必须引起重视的问题。

2 工程概况

某高速公路地处云贵高原东北部，场区属溶蚀-侵蚀低中山地貌单元，属中等切割的侵蚀-溶蚀中山地貌和溶蚀槽谷及溶蚀峰丛相间地貌。场区地面标高介于974.1～1144.7m，相对高差约170.6m。设计标准：双向六车道高速公路，设计速度100km/h，路基宽33.5m；荷载等级：公路-Ⅰ级；属于典型岩溶发育、斜坡地形。

3 设计问题

3.1 桩基承载性状分析

桩基承载性状分析是指对岩溶地质中桩基受力性能与影响因素的分析。根据以往研究成果，对于岩溶地质条件下的桩基，其受力性状主要具有以下特点：首先，桩基的受力性状与成桩方法、上层岩土特性、桩长与桩径之比、持力层岩性有关；其次，龚成中通过对岩溶地区桩基承载特性的研究分析指出，对于桩长和桩径之比在20 以上的桩，其受力主要是桩侧摩擦力，桩端力相对较小，即具有摩擦桩特性；再次，对于桩径较大但桩长较小的桩，由于变形很小，所以承载力由桩端岩层提供，其受力属于端承桩或嵌岩桩；最后，桩基承载力会受到很多因素的影响，如溶洞高程、大小、顶板厚度、边界条件、裂隙、填充、桩基之间的相对偏位、围岩特性等。在实际的桩基设计工作中，对桩基的受力性质进行分析，综合考虑可能对施桩基受力造成影响的因素，保证设计安全性与合理性，是设计人员需要关注的重点问题，同时也是一个难点所在[1]。

3.2 承载力计算

规范针对桩基提出的承载力，并确定方法有一定适用条件。对摩擦桩而言，其承载力由两部分构成，即桩侧摩阻力与桩端支撑力。其中，摩阻力和桩基与岩土之间的相对位移及地层自身摩阻力直接相关；对嵌岩桩而言，其承载力由三部分构成，分别为上覆岩土的侧摩阻力、进入岩层后的摩阻力及桩端岩层提供的端阻力，具体的承载力大小会受到以下因素的影响：上覆岩土物理力学特征、桩长与桩径之比、嵌岩深度、持力层特性。因特殊岩溶的存在，桩基荷载传递及受力性状都不清晰，且承载力计算不可采用规范公式进行，由此工作人员要做到具体问题具体分析，否则将导致桩基局部破坏。除此之外，在承载力计算过程中还应充分考虑桩基质量，对计算参数进行适当折减[2]。

3.3 桩基嵌岩深度

《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363－2019）提出，对于嵌岩深度不超过0.5m的桩，需对其承载力进行适当折减，但对具体深度没有强制要求，这样会给习惯于采用规范公式进行计算的人员造成不便；另外，规范针对河床岩层有冲刷现象的桩基嵌固给出了明确要求，同时还提出了嵌岩深度相关计算公式。但由于规范针对嵌岩桩给出的定义还不够明确，所以在嵌岩深度上，不同专家及人员有不同的看法，部分专家及人员认为增大嵌岩深度能提高桩基承载力，该观点虽然有试验依据，但试验和得出的成果都存在一定局限性的，还没有可大范围推广应用的依据；还有的专家及人员认为嵌岩深度不能过大，否则会造成浪费，特别是在硬质岩层当中。基于此，在设计工作中，要根据工程实际情况，结合包含桩长与桩径之比、上覆岩土特性与岩层坚硬程度等在内的各项因素确定适宜的嵌岩深度，这也可能是规范未对桩基嵌岩深度给出明确规定的主要原因，以此给桩基的设计人员预留一定考虑空间；另外，还应区别对待常规地质条件与岩溶地质条件的桩基嵌岩深度，充分考虑岩溶具有的各项特点，保证所确定的嵌岩深度的合理性[3]。

4 设计原则和要点

首先，勘察要分成多个阶段进行，不同阶段有不同的侧重点。在初勘阶段，需将侧重点放在岩溶探明上，确定是否有岩溶发育，为基础形式的确定提供参数，主要采用物探的方法，辅以必要的钻孔；在详勘阶段，需要以初勘成果为基础，借助不同的物探方法对整个场地实施详细物探，以此探明岩溶形态分布与岩层特性。对于岩溶发育地质，应做到一桩一孔；而对于岩溶特别发育地质，当桩径达到1.5m 以上时，应防止“一孔之见”导致误判，并且在现场勘查过程中还必须严格遵循各项规程与工艺要求开展原位测试，初勘人员与结构设计人员都应到达现场进行查看，同时和初步设计资料及周边既有建筑现有地质资料进行对比，有效加强地质研究工作，整体把握场地岩溶，绘制横纵剖面图，为设计人员提供可靠的地质资料[4]。

充分研究地质勘察资料，明确岩溶状况，优化初步设计所选基础形式，优先考虑群桩基础，防止与溶洞接触，对经过长时间地质作用达到稳定状态的土体造成扰动，避免岩溶和地基处理过程中周边环境或原岩土体出现新问题，导致施工难度提高和投资增加[5]。

根据地质资料，结合桩基受力情况，按照预估桩长、桩底标高及持力层对桩基的受力性状进行分析。若溶洞的埋深相对较大，桩底处在岩土层中，与溶洞之间的距离较远，在总承载力中，桩侧摩擦力占据较大比重，则按照普通地质条件进行桩基设计即可。在岩溶地质条件中，经常出现以下两种情况：在桩基预估过程中，桩底需要进入溶洞中，溶洞埋深较浅，其顶板厚度较薄，桩基嵌岩深度不足；溶洞的分布较为密集，呈串珠状，厚度足够且完整、稳定的基岩埋深较大。针对以上两种情况，建议按照摩擦桩来设计，此时要注意应采用压浆等方法处理溶洞，使其达到密实度要求，同时还要有足够的强度[6]。

张建华通过对岩溶区桥梁桩基桩长确定方法的研究分析指出，若预估的桩底标高可以达到抗压强度为8MPa 以上的基岩，则桩基设计可以按照嵌岩桩进行，同时以岩层倾斜度为依据，将嵌岩深度确定为三倍桩径。当桩底部在溶洞顶板或从多层溶洞中穿过以后仍无法从所有溶洞中穿过，且需要放置在厚度较大的溶洞顶板处时，若溶洞顶板上有裂隙发育，则在桩基设计过程中按照摩擦桩进行计算；若顶板完好，则桩基设计要按照嵌岩桩进行；另外，在设计过程中需将穿过的岩溶层提供的侧摩阻力作为安全储备。由于裂隙水具有一定溶蚀作用，可能导致清孔不彻底或岩层承载力较低，因此岩石强度要按照不超过七折选取，并严格控制桩端支撑力所占比例；对于桩基穿过的小溶洞，应采用压浆的方法进行加固，而对于无法处理的大溶洞，则需要在施工过程中设置内护筒；对于嵌岩深度，应达到三倍桩径以上，结合经验方法对溶洞顶板稳定性进行验算，根据顶板的实际倾斜情况，避免桩基底部局部受力[7]。

处于同一承台的桩基，其桩长不能有太大的差别，而且不能混用摩擦桩和嵌岩桩，否则就会导致桩基之间存在很大的刚度差，进而引起受力偏差，导致部分桩由于受力过大而破坏。在确定最终的桩长与桩底标高时，不仅要充分考虑以上问题，还应结合相邻其他钻孔的实际情况。

在施工图中，应写明现场钻孔和设计资料之间的对比结果，严格控制桩底沉渣厚度，采用适宜的方法探明桩底下部一定深度范围内的岩层情况，同时安排专人对桩底部的岩石质量进行验证，若发现异常，应立即通知设计单位进行调整；另外，还应写明正式施工开始前应做好的试桩检测工作，以验证各项计算参数合理与否，承载力能否达到设计要求，为施工方法及工艺的选择奠定良好基础。在现场施工时，应先对桩长较大的桩进行施工，以此为桩长较小的桩提供可靠支护；施工中根据随时产生的状况，调整相应的设计参数，实现动态设计，这对保证工程质量是十分重要且必要的。

5 结语

综上所述，岩溶地区桥梁桩基设计和普通地质条件桥梁桩基设计存在很大不同，设计人员要根据地质勘察报告对桩基受力性状进行仔细分析，并在必要的情况下结合理论、数值与试验分析，确定适宜的桩基形式。计算既要参照规范，又不能拘泥于规范，做到具体问题具体分析，选择正确的计算参数，在计算与设计中考虑周全，按照以上原则确定各桩的桩长及持力层。若桩底处在溶洞的顶板，则应按照摩擦桩与嵌岩桩对桩基承载力进行校验，在保证嵌固深度的基础上，采用可靠的方法对顶板稳定性进行评价，并采用比一般地质高一个等级的设计安全系数；另外，还要结合工程实际，做好动态设计，这是设计工作的最后一道关口，相关人员必须高度重视，保证设计质量。