石灰岩岩溶地区桥梁桩基设计与施工(1)

石灰岩岩溶地区

桥梁桩基设计与施工

孔祥龙

（安徽省公路勘测设计院，安徽合肥２３００４１）

摘要：通过水阳江大桥溶洞桩基的设计与施工，总结岩溶发育区桥梁基础地质勘探、桥梁桩基础设计、溶洞顶板安全厚度计算及某些问题的处理方法，可为同类地区桩基设计和施工提供参考。

关键词：岩溶；桩基；持力层；安全厚度；设计；施工中图分类号：Ｕ４４３．１５

文献标识码：Ｂ

文章编号：１００２－４７８６（２００７）０７－００６３－０３

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（ＡｎｈｕｉＰｒｏｖｉｎｃｅＨｉｇｈｗａｙＳｕｒｖｅｙａｎｄＤｅｓｉｇｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈｅｆｅｉ２３００４１，Ｃｈｉｎａ）

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水阳江大桥位于安徽省宣城市水东镇，横跨水７０％；ｃ）第３层强风化泥岩，灰白￣暗红色，泥质结

阳江，桥梁全长７２８．０ｍ。桥梁上部结构采用先简支构，层状构造，芯样呈碎块、短柱状，有滑腻感，后连续小箱梁；下部结构桥墩采用双柱式桥墩、单用手易折断，干钻不易钻进；ｄ）第４层强风化石灰排桩或双排桩基础，桩径为１．４ｍ￣１．７ｍ；桥台采用岩：灰白￣青灰￣暗红色，隐晶质结构，块状构造，钢筋混凝土肋板式桥台、桩基础，桩径为１．２ｍ。本岩层破碎，网状裂隙发育，芯样多呈碎块状，块径桥所在区域具有明显的喀斯特地质特性。本文将介为８ｃｍ～１２ｃｍ，钻进困难，岩芯钻方可钻进；ｅ）第５绍桥梁基础地质勘探、桥梁桩基础设计、溶洞顶板层微风化石灰岩：灰￣青灰色，岩性致密坚硬，隐安全厚度计算、溶洞施工等的方法及体会。

晶质结构，块状构造，岩芯较完整，呈长柱状，锤１桥位区工程地质情况及工程勘察

击声脆而不易击碎，岩芯钻方可钻进；ｆ）第５－１层桥区地层结构较复杂，主要层位分布不太连

溶洞，其填充物为棕红色，松散，成分较为复杂，续，有一定厚度，物理力学性质不均匀，场地岩溶主要为软￣流塑粘土夹少量碎石，钻进时有轻微掉发育。根据地质钻孔及物探资料，桥区地基土自上钻及明显漏水现象。

而下主要分为：ａ）第１层粉土／素填土；ｂ）第２层卵２石灰岩岩溶发育区桥梁基础地质勘探

石，杂色，以灰、黄褐、棕褐色为主色调，上部潮为消除工程隐患，必须摸清墩台桩位处石灰岩

湿，下部饱和，稍松￣中密，卵石含量为６０％￣

的岩溶发育情况，以便有针对性地进行基础设计，

ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳＳＴＡＮＤＡＲＤＩＺＡＴＩＯＮ．Ｎｏ．７Ｎｏ．６Ｎｏ．４，２００７（ＩＳＳＵＥＮｏ．１６７Ｎｏ．１６６Ｎｏ．１６４）６３

ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳＳＴＡＮＤＡＲＤＩＺＡＴＩＯＮＪＢＨ交通标准化》●２００７年第７《６期（总第１６７４１６６期）●１６４公路工程与运输

确保施工安全及质量。

岩溶发育地区勘察的目的及任务为：查明桥位区基础范围内岩溶的发育规律、基本形态、规模大小、洞穴顶底板岩层的厚度、完整性，以及洞内的填充情况和填充物性状；基岩上覆土层中有无土洞发育，土洞发育的基本形态及规模大小。

水阳江大桥地质勘探采取了逐桩布置地质钻孔和物探结合的勘探方案，效果良好。

地质资料显示，全桥４０根桩基存在溶洞，桩基施工过程中增加１０根溶洞桩基，溶洞层数最多达９层，最大溶洞高２９．０ｍ（后结合物探判别，本处为溶隙），溶洞最大跨宽为６．０ｍ左右。

在进行物探前，首先按设计墩台位进行放样，探测范围应比桩位略微宽些，然后布设测线，线距为７０ｃｍ或１００ｃｍ。本桥地质雷达勘探选用５０ＭＨｚ

制条件，可按梁板受力情况计算，最小设计持力层板厚为：

Ｈ＝［６Ｍ／（ｑ［σ］）］０．５

式中：ｑ———溶洞顶板自重加上覆盖土层均布荷载，

ｋＮ／ｍ；

——取灰岩１／１０容许抗压强度，ＭＰａ；［σ］———弯矩，根据顶板岩石的完整性，分别Ｍ—按简支梁、悬臂梁和固端梁三种情况计算：

ａ）当溶洞顶板四周完整，桩基基底（即溶洞顶

板跨中）有裂缝时，按悬臂梁计算，Ｍ＝ｑ・・ｌ２／２＋Ｐｌ；

ｂ）当溶洞顶板四周有裂缝，桩基基底（即溶洞

顶板跨中）完整时，按简支梁计算，Ｍ＝ｑ・・ｌ２／８＋Ｐｌ／４；

ｃ）当溶洞顶板均完整时，按固端梁计算，Ｍ＝

・ｑ・ｌ２／１２＋０．７Ｐｌ／４，其中Ｐ为桩尖对溶洞顶板的集中

作用力（ｋＮ），当桩底设置在第二层溶洞以下时，不考虑覆盖土层均布荷载作用产生的弯矩；对于固端梁，集中力弯矩按０．７倍的简支梁计算。

ＲＴＡ天线，采用点测方法，采样率选为５７４ＭＨｚ。地

质雷达勘察完全可查明距离地表深度在４０ｍ以内直径为５０ｃｍ以上的溶洞，满足桩基设计要求（见图１）。如系水中桩基，需在筑岛围堰后在岛上进行探测。

３．１．２按剪切应力控制估算顶板安全厚度

当溶洞顶板岩层完整、岩体强度高、但洞跨较

小时（小于３倍桩径），抗剪切力是溶洞顶板破坏的

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主要控制条件：

・Ｈ＝（ｑ＋Ｐ）／（τｌ）

式中：Ｐ———桩尖对溶洞顶板的集中力，ｋＮ；

——对于灰岩取ｌ／１２容许抗压强度，ＭＰａ；τ

——溶洞平面周长，ｍ；ｌ—ｑ意义同上。

根据以上两种力学计算模式，水阳大桥多层溶

３岩溶发育区桥梁桩基础设计

因桥区范围内为岩溶发育地区，地质差异较

洞桩端持力层厚度根据溶洞顶板溶蚀、裂隙情况和整体性，分别采用了悬臂梁和固端梁两种情况分析计算。对于溶蚀、裂隙严重的溶洞顶板，按悬臂梁计算；对于无溶蚀、裂隙现象的持力层，溶洞顶板按固端梁计算，考虑安全系数后，分别确定为３．５ｍ和５．０ｍ的微风化完整顶板，作为桩基终孔最小控制溶洞顶板厚度。

大，即使在同一墩台位下，不同桩位地质情况也可能有很大差别。因此，根据不同的地质情况，可分别采用嵌岩桩和摩擦桩两种方法。

３．１嵌岩桩桩底持力层安全厚度的计算

岩溶地区嵌岩桩桩基设计，原则上应尽量穿过

上部岩溶发育带和溶洞层，选择溶洞下部微风化基岩作为桩端持力层。对于下覆过深的多层溶洞区，桩基无法全部穿过溶洞层，桩端持力层为溶洞顶板岩层时，正确估算持力层厚度是岩溶地区多层溶洞桩基设计的关键。

３．２摩擦桩的设计

针对桩位下较深范围内有密集型溶洞和完整岩

性埋置较深的情况，或者溶洞分布较浅、顶板较薄无法满足嵌岩桩要求，且洞内填充土密实稳定，具有足够强度，则桩底可穿过溶洞的顶板置于溶洞内的填充土层内而不置于溶洞的底板上，这种情况可考虑采用摩擦桩。

在设计中，假定桩身混凝土与岩石完好胶接，

３．１．１按溶洞顶板受弯矩控制估算顶板安全厚度当溶洞顶板岩层比较完整、层理较厚、强度较

高、洞跨较大时（大于３倍桩径），弯矩是主要的控

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并根据以往有关试桩结论和岩石的抗剪强度，岩石视动态设计，可采取“一桩一报”制度，即监理、的极限摩阻力远大于普通土的极限摩阻力和桩底沉施工单位在桩孔钻进过程中详细记录施工过程及各淀土的抗压强度。由于岩石裂隙发育，赋存丰富的种异常情况（孔口周边地面有无塌陷；钻孔起始时裂隙水和岩溶水，桩基施工可能出现渗水、漏浆等间及各地质层钻进速度；溶洞填充处理方式；施工现象，桩底沉淀土难以清除。因此，设计中不计中揭示的各地质岩土层是否与地勘资料相符等），桩尖抗力的作用。

以书面形式报至建设、设计单位，经各方最终协调摩擦桩设计计算时除一般不计入桩尖抗力的作认可后方可终孔或根据实际情况调整优化设计。用外，还应考虑负摩阻力的影响。当桩周土体相对“

一桩一报”制度对消除特殊情况，确保桩基施工质于桩身有向下位移、桩穿越较厚的松散层进入相对量能起到不可估量的作用。

较硬土层、地下水位下降时都应考虑负摩阻力的影响。

５结语

４桩基施工及注意事项５．１在进行本桥地质勘探的前期，由于对岩溶的

４．１

施工方案

发育估计不足，对桥梁桩基仅进行了地质勘探，未水阳江大桥一般地层桩基按常规工艺施工，对

结合地质雷达进行，后根据部分钻孔揭示的情况，于溶洞桩基施工则根据桩基地质勘察报告中岩溶发通过建设、设计、施工、监理四方的共同协商，才育程度和溶洞的空间分布及大小确定施工方案。水及时补充地质雷达，对设计进行了完善，极大地方阳江大桥溶洞桩基施工采用了如下方案：ａ）对于溶便了施工单位对桩基施工方案的采用及质量控制。

洞高度较小且洞内有填充物的处理投入片石及粘

５．２原设计只采用一种基础型式，且桥墩设置均为

土，小冲程冲砸挤实造壁成孔；ｂ）对于溶洞高度约

单排桩，后根据详尽的机钻和地质雷达资料，合理为１ｍ～２．５ｍ或未填充溶洞的处理

投入袋装片石及

地确定了桩基型式，同时根据地质情况将部分桥墩粘土或水泥筑成岛状，然后小冲程钻孔通过；ｃ）对采用的单排桩改为多排桩。多排桩基础型式虽然增于溶洞高度为２．５ｍ～４ｍ，水平发育区域较大，埋深在

加了承台的造价，但对保证成孔的顺利完成和工期１５ｍ以上的溶洞的处理采用全钢护筒跟进，钢护筒是很有必要的。所以，在地质状况复杂的地区修建采用１０ｍｍ以上厚度的钢板分节卷制，节长为２ｍ￣４ｍ，桥梁，其基础可以针对每个桥墩所处的地质状况选吊装焊接入孔；ｄ）对于水平区域发育连通性大和溶

用相应的基础型式，而不必求全桥一致。

洞高度大于４ｍ的多层溶洞，采用两层钢护筒护壁。

５．３水阳江大桥全桥共６８根桩基，在建设单位、

４．２施工注意事项

设计、施工、监理等各方技术人员的共同努力下，４．２．１上覆土层较厚时，其土质基本为松散、稍

由于施工方案科学合理，未出现塌孔和其他任何工松、密实粉土、素填土或粉质粘土，含水量大，有程质量事故，全部桩基桩检质量合格。从水阳江大轻度砂土液化现象，此时若地下水埋深较浅，施工桥成功的溶洞桩基设计、施工处理中可以看出，详时易塌孔，应加大泥浆比重，因泥浆比重太小时护细的地质勘探，科学地选择桩基型式，恰当合适的壁作用较差，但终孔后应对泥浆进行稀释，以便清溶洞施工处理方案，动态设计（“一桩一报”制度），孔彻底。

这些对确保桥梁桩基工程质量，缩短工期，提高经４．２．２由于该区岩溶裂隙发育，连通性好，当钻孔

济效益，具有十分明显的作用。进人岩层后有漏浆现象发生时应及时加强护壁。部参考文献

分桩基达到终孔标高后，桩底有直径小于５０ｃｍ的小［１］ＪＴＪ０４１－２０００，公路桥涵施工技术规范［Ｓ］．

溶洞，施工时要继续钻进至该溶洞底，彻底清除洞［２］ＪＴＪ０２４－８５，公路桥涵地基与基础设计规范［Ｓ］．内填充物，以Ｃ２５混凝土填实，保证桩底反力，控［３］凌治平．基础工程［Ｍ］．北京：人民交通出版社，制沉降。

１９９３．

４．２．３钻机钻进至基岩面时，要观察钻进速度的变

［４］奚勇．岩溶地区桥梁桩基设计与施工［Ｊ］．华东公

化，避免在洞内卡、掉钻或由于岩面过分倾斜而导路，２０００，３（１２４）：１９－２１．

致斜孔。

４．２．４为确保桩基质量，墩台桩基施工时应充分重

收稿日期：２００７－０４－１１

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