淺談巖溶地區(qū)樁基設(shè)計(jì)
2016-09-26
前言
通常情況下，巖溶地區(qū)的樁基設(shè)計(jì)考慮兩種情況：①巖溶現(xiàn)象只在埋深較淺的局部出現(xiàn)，樁基可以穿過(guò)溶洞嵌入完整的持力層內(nèi)，樁尖以下沒(méi)有溶洞，與一般的嵌巖樁差別不大。②溶洞埋深較深或者多層溶洞出現(xiàn)，樁基貫穿所有溶洞困難，樁底持力層除了要有嵌巖深度外，還要考慮樁底巖層的抗沖切力，保證樁尖至溶洞頂有一定安全厚度，這一安全厚度設(shè)計(jì)中甚至要達(dá)到5倍樁徑。
上述設(shè)計(jì)處理方案能夠滿(mǎn)足一般巖溶發(fā)育情況，但當(dāng)巖溶特別發(fā)育，例如多層溶洞出現(xiàn)，鉆孔深度30多米尚無(wú)厚度8m以上的完整巖層時(shí)，就無(wú)法在滿(mǎn)足嵌巖深度1～ 2d的同時(shí)保證5倍樁徑的溶洞頂板厚度。
1 樁基設(shè)計(jì)的一般原則
由于巖溶及隱伏巖溶發(fā)育，如何確定樁基持力層標(biāo)高、確定施工方案，是本項(xiàng)目橋梁設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，必須充分重視。設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)逐樁鉆孔的地質(zhì)資料，合理確定樁基型式和樁長(zhǎng)，以及處治措施。
一般，樁基設(shè)計(jì)遵循以下原則：
?。?）對(duì)于溶蝕、裂隙嚴(yán)重的溶洞頂板，按摩擦樁計(jì)算，對(duì)于無(wú)溶蝕、裂隙現(xiàn)象的持力層，溶洞頂板按嵌巖樁計(jì)算，考慮安全系數(shù)后，以3～4m 微風(fēng)化完整頂板，作為樁基最終最小控制溶洞頂板厚度。
?。?）對(duì)于獨(dú)立的、非串通的溶洞，一般采用充填片石、壓漿填充的方式進(jìn)行處理，但必須確?？斩闯涮蠲軐?shí)，此時(shí)可考慮溶洞段的樁周摩阻力，否則，不能考慮樁周摩阻力。
?。?）對(duì)于大型的、串通且無(wú)充填或充填為流塑狀物質(zhì)的溶洞，則應(yīng)考慮采用鋼護(hù)筒跟進(jìn)的處理措施。
（4）對(duì)于串珠樁溶洞，一般采用充填片石、壓漿填充的方式進(jìn)行處理。若無(wú)明顯完整基巖持力層，則按摩擦樁進(jìn)行考慮。
?。?）樁長(zhǎng)計(jì)算時(shí)，給予合理的安全儲(chǔ)備。
?。?）如果溶洞頂板很薄，而溶洞內(nèi)的底面很深，且洞內(nèi)填充土密實(shí)穩(wěn)定，具有足夠強(qiáng)度，則樁底可穿過(guò)溶洞的頂板置于溶洞內(nèi)的填充土層內(nèi)而不置于溶洞的底板上，樁基可按摩擦樁設(shè)計(jì)。
2 嵌巖樁的單樁容許承載力計(jì)算公式
根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》 JGJ94- 2008 第5.3.9條及對(duì)應(yīng)條文說(shuō)明，其嵌巖樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式為：
上述公式中 是嵌巖段側(cè)阻力； 端阻力修正系數(shù)； 是嵌巖段側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)，與嵌巖深徑比 、巖石軟硬程度和成樁工藝有關(guān)。
3 樁底持力層（樁尖以下溶洞頂板）厚度的討論
目前巖溶地區(qū)樁基設(shè)計(jì)中，常采用的溶洞頂板安全厚度是5倍樁徑，很多情況下顯得過(guò)于保守。根據(jù)文獻(xiàn)，確定巖溶地區(qū)樁基持力巖層的安全厚度，一般采用計(jì)算模型是將持力層視為一剛性底板，其上作用垂直荷載，根據(jù)溶洞頂板的沖切破壞可近似求算巖層持力層厚度。溶洞頂板內(nèi)樁基沖切的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1，這里按鋼筋混凝土板受沖切構(gòu)件公式計(jì)算，設(shè)應(yīng)力擴(kuò)散角a= 45 。
取石灰?guī)r的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 f = 0.8MPa，則給定抗沖切安全系數(shù)K、樁基直徑d及樁底處的豎向力P即可求解持力層最小厚度h。依據(jù)上述公式驗(yàn)算，一般情況下樁端以下作為持力層的厚度大約為2.5～ 3倍樁徑。
影響持力層厚度的主要因素有：巖溶的發(fā)育情況、頂板巖層的節(jié)理裂隙及膠結(jié)情況、樁徑大小、樁基成孔工藝及施工工藝水平（如沉渣厚度）及基樁的設(shè)計(jì)荷載大小等。這些因素中巖溶發(fā)育情況等相關(guān)巖土力學(xué)特性是最難以確定的。因此巖溶地區(qū)樁基的設(shè)計(jì)在數(shù)值計(jì)算分析的基礎(chǔ)上必須結(jié)合詳細(xì)的地質(zhì)勘察資料，樁基設(shè)計(jì)才能有效合理。
4 巖溶地區(qū)樁基設(shè)計(jì)的要點(diǎn)
在巖溶地區(qū)進(jìn)行嵌巖樁的設(shè)計(jì)應(yīng)注意如下要點(diǎn)：
?。?）對(duì)于巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)在地質(zhì)勘察階段應(yīng)做到逐樁鉆孔，并與地質(zhì)雷達(dá)等物探結(jié)果相互校驗(yàn)，逐樁判斷，相臨近的樁基相互對(duì)照，調(diào)查巖層的節(jié)理發(fā)育情況、溶洞的深度、高度、溶洞內(nèi)填充物類(lèi)型等，為設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。
?。?）對(duì)持力巖層及溶洞填充物進(jìn)行土工試驗(yàn)，確定巖層的飽和極限抗壓強(qiáng)度、填充物的物理力學(xué)性能，檢測(cè)容重、含水量、空隙率等，為巖溶處理提供依據(jù)。
?。?）根據(jù)溶洞分布情況、持力層強(qiáng)度及節(jié)理發(fā)育情況，采用適當(dāng)?shù)臉痘休d力計(jì)算公式，合理確定樁底深度。
對(duì)于持力層埋深淺、強(qiáng)度較高、節(jié)理不發(fā)育、樁基成孔方法可以做到清孔很干凈的情況，可忽略覆蓋土層的總側(cè)阻力，僅考慮嵌巖樁段的嵌固側(cè)阻力和樁端端承力，這時(shí)要求的溶洞頂板安全厚度應(yīng)不小于3倍樁徑，同時(shí)不小于3m，樁基嵌巖深度1～1.5倍樁徑當(dāng)溶洞平面尺寸較小，溶洞頂板安全厚度可取3倍樁徑即可；當(dāng)溶洞平面尺寸較大時(shí)，溶洞頂板安全厚度應(yīng)適當(dāng)加大。對(duì)于持力層埋深較深、采用鉆（沖）孔方式成孔，這時(shí)應(yīng)考慮覆蓋土層的總側(cè)阻力。對(duì)于樁長(zhǎng)30m以上仍然沒(méi)有合適的持力層、巖層節(jié)理非常發(fā)育的情況下，可按摩擦樁設(shè)計(jì)，并適當(dāng)考慮一定的持力層厚度。
?。?）山區(qū)地下水位較低的樁基盡量采用人工挖孔成孔，結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)等物探手段，有利于探明溶洞的實(shí)際情況。
?。?）有條件的情況下應(yīng)優(yōu)先采用明挖基礎(chǔ)的基礎(chǔ)形式。
5 巖溶地區(qū)樁基施工的處理方案
（1）若溶蝕發(fā)育輕微，或溶洞發(fā)育有一定規(guī)模，但洞內(nèi)有填充物，沒(méi)有裂隙發(fā)育，施工時(shí)漏漿量小。則可直接沖孔，但需要加大泥漿比重，加強(qiáng)護(hù)壁。鉆穿溶洞時(shí)，反復(fù)在該位置填加片石和黃土擠密填筑溶洞，直至停止漏漿。
（2）若溶洞發(fā)育明顯，洞內(nèi)無(wú)填充物，或填充物松散，埋置深度大，無(wú)較大裂隙穿過(guò)，施工時(shí)明顯漏漿。應(yīng)注意在進(jìn)入溶洞頂板以上1～ 2m范圍后采用短進(jìn)尺，密切注意漏漿情況，如漏漿應(yīng)迅速用片石黃土等填充堵漏，并及時(shí)補(bǔ)漿，直至不再漏漿。
?。?）如溶洞非常發(fā)育，有的為多層溶洞，并有明顯裂隙發(fā)育，施工時(shí)漏漿量大。采用全護(hù)筒跟進(jìn)至巖層頂面，防止因漏漿量大導(dǎo)致覆蓋層嚴(yán)重塌孔。采用小直徑鉆頭擊穿溶洞頂板，然后用低標(biāo)號(hào)素混凝土對(duì)溶洞進(jìn)行回填，回填密實(shí)并達(dá)到一定強(qiáng)度后，再開(kāi)始正常鉆進(jìn)施工。
?。?）對(duì)于溶洞尺寸較大或多層溶洞基本連通，采用片石或素混凝土用量大或難以填充密實(shí)的極特殊情況，才有必要采用鋼護(hù)筒跟進(jìn)至溶洞底板。
6 結(jié)語(yǔ)
巖溶地區(qū)樁基設(shè)計(jì)施工中的處理措施較正常基礎(chǔ)設(shè)計(jì)情況要復(fù)雜多變，同時(shí)還伴隨著一定的不安全因素，因此，只有不斷總結(jié)和積累設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)，才能確保樁基設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中的安全性及合理性。
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