（交通运输工程专业论文）岩溶区公路桥梁基础设计与施工技术.pdf

摘要 随着公路建设快速发展，公路里程快速增加，在岩溶地区修建高速公路不可 避免。岩溶地区的桥梁地基，特别是桥梁钻孔灌注桩基础经过岩溶发育区存在严 重的地质病害，荷载通过基础传递到地层中，桩基承载能力为桩周土的摩阻力和 桩端支撑力之和。在溶洞地区，由于溶洞的存在，对桩基的承载能力产生重大影 响，如桩周板顶厚度不够，在桥梁荷载作用下，压碎顶板，桩基承载能力损失， 而引起桥梁结构的破坏。同时岩溶区桩基在施工过程中可能引起斜桩、卡钻、塌 孔、扩孔、埋钻，甚至断桩的施工事故。对于岩溶发育地区的桥梁基础，如何准 确确定基础地基持力层厚度，如何在基础设计、施工过程中保证基础工程质量， 如何安全、经济、合理选择桥梁基础形式及穿过溶洞时施工方法。从桥梁基础结 构安全性角度对桥梁基础设计及施工提出指导意见。通过本项目的研究，优化岩 溶区桥梁基础的施工工艺，为以后的设计提供借鉴，保证桥梁结构安全的基础上 达到缩短施工工期，节省工程造价，避免施工事故的发生。 本文以江西省九江至瑞昌国家高速公路的桥梁基础设计与施工为对象，通过 对国内外岩溶发育现状和对工程设计与施工影响的分析，总结了以往基础施工技 术、装备、质量管理等成功经验，进行岩溶顶板作为持力层厚度、桩基嵌岩深度 的设计，创造经济效益和社会效益。为复杂岩溶地区的基础施工提供参考，为工 程界的技术人员在该领域的研究与应用，在理论与实践的结合上作了新的提示作 用。 关键词：岩溶、桥梁基础、设计、施工 a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fr o a dc o n s t r u c t i o na n dt h er a p i di n c r e a s i n gi nr o a d m i l e a g e ， i ti si n e v i t a b l et oc o n s t r u c th i g h w a yi nk a r s ta r e a t h e r ea r es e r i o u s g e o l o g i c a ld i s e a s e si nb r i d g ef o u n d a t i o no fk a r s tr e g i o n ， e s p e c i a l l yt h eb r i d g ep i l e f o u n d a t i o np a s s i n gk a r s tg e o l o g y t h el p a di sd e l i v e r e df r o mt h ef o u n d a t i o nt ot h e s t r a t u ma n dt h ef o r c eo ff o u n d a t i o nf o rt h ec a r r y i n gi st h es u mo ft h ep i l es u r r o u n d i n g s o i lf r i c t i o na n dt h ep i l et e r m i n a ls u p p o r t i nt h ec a v ea r e a ，t h ee x i s t e n c e so ft h ec a v e h a v eas i g n i f i c a n ti m p a c to nt h ec a r r y i n gc a p a c i t yo ft h ep i l ef o u n d a t i o n i ft h e t h i c k n e s so ft h et o pb o a r do fp i l ei si n a d e q u a t e ，t h er o o fi sc r u s h e da n df o u n d a t i o n b e a r i n gc a p a c i t yi sl o s tu n d e rt h el o a d i n go f b r i d g e ， w h i c hc a u s e dt h ed a m a g et ot h e s t r u c t u r eo ft h eb r i d g e a tt h es a m et i m e ，t h ek a r s ta r e ao fp i l ed u r i n gt h ep r o c e s s m a yc a u s eo b l i q u ep i l e ， s t i c k i n gd r i l l ，h o l ec o l l a p s e ，r e a m i n g ，d r i l l i n gb u r i e d ， o re v e nb r o k e np i l e f r o mt h ev i e wo ft h eb r i d g ei n f r a s t r u c t u r es e c u r i t y ，t h i sp a p e r p u tf o r w a r ds o m es u g g e s t i o n sa b o u th o wt oa c c u r a t e l yd e t e r m i n et h eb a s i so ft h e f o u n d a t i o n ，h o wt od e f i n et h et h i c k n e s so fb e a r i n gs t r a t u ma n de n s u r et h eq u a l i t 、ro f f o u n d a t i o np r o je c td u r i n gt h ed e s i g na n dp r o c e s s ，h o wt oc h o o s ef o r mo fb r i d g e f o u n d a t i o na n dm e t h o dt oc o n s t r u c tt h r o u g ht h ec a v es a f e l y ， e c o n o m i c a l l y ， r a t i o n a l l yf o rt h eb r i d g ef o u n d a t i o ni nk a r s ta r e a t h r o u g ht h i sr e s e a r c hp r o i e c t ，t h e p r o c e s so fb r i d g ef o u n d a t i o ni nt h ek a r s ta r e ac a nb eo p t i m i z e d t h i sp a p e rp r o v i d e s r e f e r e n c ef o rd e s i g n i n gi nt h ef u t u r et os h o r t e nt h ec o n s t r u c t i o np e r i o d ，s a v ec o s ta n d a v o i dc o n s t r u c t i o na c c i d e n t so nt h eb a s eo fs a f e t yo fb f i d g es t r u c t u r e t a k i n gt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fb r i d g eb a s i so ft h eh i g h w a yo fj i u ji a n gt o r u i c h a n gi nj i a n g x ia sac a s e t h i sp a p e l s u m m a r i z e dt h es u c c e s s f u le x p e r i e n c eo f b a s i sc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo ft h ep a s t ，e q u i p m e r i t ，q u a l i t y m a n a g e m e n tt h r o u g h a n a l y z i n gt h es t a t u so fk a r s dd e v e l o p m e n ti nd o m e s t i ca n da b r o a da n dt h ei n f l u e n c e s t ot h ee r i g i n e e r i n gd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n e c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t sa r ec r e a t e d b yd e s i g n i n gt h et h i c k n e s so fk a r s tr o o fa sb e a r i n gs t r a t u ma n dt h ed e p t ho fp i l e e m b e d d e di nt h er o c k t h i sp a p e rp r o v i d e sr e f e r e n c ef o rf o u n d a t i o np r o c e s s i n gi n c o m p l e xk a r s ta r e a s ， a n dn e wh i n t sf o rc o m b i n i n gt h e o r yw i t hp r a c t i c ea n d e n g i n e e r s r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o ni nt h ef i e l d k e yw o r d s ：k a r s t ，b r i d g eb a s i s ，d e s i g n ，c o n s t r u c t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：硼：艿洲7 年3 - 月 论文知识产权权属声明 7 日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：确f 秀 导师签名： 炉7 年厂月刁日 沙卵年石j 号j - 日 长安入学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 工程设计是工程项目建设的灵魂。工程项目设计质量的优劣对工程项目建设 缩短工期，节省投资，提高经济效益将起着关键性的作用。作为工程设计人员要 具备严谨的工作态度，对待每项实际问题要充分运用成熟的实际经验，要有完备 的理论基础，要经过严密的计算，一切要服从于规范要求，但同时又要善于分析 思考、善于归纳、总结、提高，有开拓进取的科研精神，应用合理有效的研究方 法，密切结合具体工程的实际情况，为了更安全、更经济、更合理的目标，有所 突破，有所创新，不拘泥于常规作法，而是力争用更先进，更有效的手段完成设 计工作。 工程施工要根据设计图纸进行施工，在保证工程质量情况下才用合理的施工 方法完成施工任务。 岩溶地区的桥梁基础，特别是桥梁钻孔灌注桩基础经过岩溶发育区存在严重 的地质病害。岩溶对桩基的承载能力产生重大影响，如桩周板顶厚度不够，在桥 梁荷载作用下，压碎顶板，桩基承载能力损失，而引起桥梁结构的破坏。因此对 于岩溶发育地区的桥梁基础，要确定基础地基持力层厚度，选择合理的基础设计、 施工过程中采用合理的施工方法保证基础工程质量。 1 2 我国岩溶概况 我国是一个岩溶十分发育的国家，碳酸盐岩出露面积约9 0 7 万k m 。随着岩 溶区大批高速公路及桥梁工程的兴建，工程中将会遇到一系列的岩溶工程地质问 题，钻孔灌注桩基础施工也可能会遇到溶洞问题。岩溶洞穴发育时间长，经历变 化着的古环境而发生发展，在坡积过程中，由于受环境等条件影响，不同时期、 不同来源或不同成因的坡积物叠在一起，形成一定的层次和堆积界面。这些不同 的堆积体有不同的物理、化学特性，在工程中必须根据实际情况进行处理。我们 有岩溶地貌在我国分布比较广泛，从黑龙江到海南岛，从青海台盐湖到东海之滨， 已见于2 3 个省区，大部分分布于桂粤、黔、湘、赣、川、滇、鄂等省区。总分 布面积达3 4 万k m 2 ，其中以广西、云南、湖南省和江西省为多。以往由于建筑 物规模较小，基础轻而浅，仅以第四系松散层为地基。改革开放以来，高大建筑 物如雨后春笋，纷纷兴建，一般均要求基础深埋并置于基岩面之上；对于桥梁结 构，基础更是必须嵌入基岩一定深度内。由于对隐伏岩溶认识不足，勘察和评价 第一章绪论 方法不对路，在桥梁施工中对溶洞处理不当造成了危害。因此，桥梁应尽量避开 溶洞群，特别是桥梁墩台。当由于某种原因不可避开、需要跨越时，要高度重视 它对桥梁的危害性，根据溶洞发育不同，采用合理的设计和施工方法。 1 3 本文研究的目的及内容 1 3 1 研究目的 随着社会的不断发展，工程建设范围的不断拓展，经常会遇到各种各样的工 程地质条件。由于地质条件的复杂性和不确定性，人们对于各种构造物的基础日 趋关注。而岩溶地质作为一种在我国分布较广，并且是危害较大的工程地质条件， 也经常在不同的工程建设中遇见。在岩溶发育地区最常见的地质灾害便是岩溶塌 陷。岩溶塌陷导致道路和构造物破坏、农田毁坏、水库渗漏、大量水溃入矿坑或 隧道，以及使一些供水水源受到不同程度的污染，迫使人们更加重视保护岩溶地 质环境，加强岩溶塌陷问题的预防、治理与研究。 特别是在岩溶地区高等级公路修筑和使用过程中，在路基主要受力范围内， 受到上部附加荷载以及振动的作用，可能导致溶洞坍塌，引起地层的变形，使得 路基突然下沉，对公路产生很不利的影响。目前在岩溶地区修建公路桥梁时，由 于其特殊的地质条件，多采用桩基础进行处理。 在施工桩基时，公路桥梁规范要求嵌岩灌注桩的嵌岩深度不小于1 1 5 米， 嵌岩后下伏完整基岩的厚度不小于5 米。由于该地段的溶洞属于密集型溶洞，溶 洞的大小不一。溶洞由地表往下呈纵向链珠型发展，往往一个勘探孔穿透多层溶 洞。由于设计要求桩基嵌岩后下伏完整基岩的顶板厚度不小于5 米，致使可能导 致人工挖孔桩深达几十米达到设计要求。正是由于人工挖孔桩造成施工周期长、 成本高等实际问题。而在施工完成后，通过对其中2 根试桩进行静载试验发现桩 端所分担的承载力极小，这就给我们提出了一个现实的工程问题，究竟有没有必 要一定要求下伏完整基岩的顶板厚度大于5 米以及是否可以适当地减少嵌岩深 度。如果在保证工程质量的基础上，适当地减少嵌岩深度以及岩溶顶板厚度，这 无疑将给现场设计和施工带来巨大的经济效益和社会效益。因此对岩溶地区岩溶 顶板与嵌岩桩桩基的作用机理进行分析和探讨具有重大的现实意义和实际应用 价值。 1 3 2 研究内容 目前，我国对岩溶地区桩基的工作特性研究处于探索阶段，现行的规范和设 计方法尚存在不合理之处，岩溶顶板和桩基作用原理及其承载力计算、灌注桩的 2 长安大学硕士学位论文 最佳嵌固深度和岩溶顶板安全厚度、岩质性状对桩基特性的影响以及岩溶地区嵌 岩桩的模型试验研究等都有待进一步研究。为此本文拟结合我国目前工程实践、 现行规范和设计手册规定，对岩溶发育地区桩基( 尤其对嵌岩灌注桩) 的工作特 性，主要进行如下几方面的研究工作。 提出岩溶地区基础设计和地基处理的科学、规范的设计方法、计算方法为目 标，内容包括岩溶地区常用的各种桩基设计、目前应用较少但有广阔前景岩溶地 基处理、溶洞顶板的计算方法等研究和分析。 1 、通过对国内外已有研究文献的综合分析，在设计中根据实际地质情况选 择更加安全、经济的基础形式。 2 、结合岩溶发育地区灌注桩桩基与岩溶顶板的作用机理，提出了桩基稳定 性分析方法。 3 、确定施工方法，避免在岩溶区出现施工事故。 3 第二章岩溶及岩溶区桥梁基础 第二章岩溶及岩溶区桥梁基础 2 1 概述 岩溶指可溶性岩石，特别是碳酸盐类岩石( 如石灰岩、石膏等) ，受含有二 氧化碳的流水溶蚀，有时并加以沉积作用而形成的地貌。岩溶发育存在复杂、多 样性，它对通过的桥梁基础会产生严重危害。 2 2 岩溶 2 2 1 岩溶的发育 溶洞存在形状多，以孔内有大溶洞、斜面溶洞、陡坎或半边溶洞、石柱或石 笋、溶沟槽等( 图2 1 ) 岩面呈斜面陡坎、异形等复杂情况。 国园国因冒 ( a ) ( b )(c)(d) ( e ) ( a ) 一大溶洞 ( b ) 一斜面溶洞( c ) 一陡坎或半边溶洞 ( d ) 一石柱或石笋( e ) 一溶沟槽 图2 1 钻孔内斜面陡坎、石笋、溶沟等示意图 2 2 2 岩溶对结构物的影响 岩溶对结构物的安全、稳定及施工造成很大的不良影响，主要表现在： ( 1 ) 地基不均性。岩溶岩面起伏，导致其上覆土质地基压缩变形不均，水 平方向相近的两点上，土层厚度相差可达4 6 m ，甚至超过l o m 。土层较厚的溶 槽底部，往往还有软弱土存在，加剧了地基的不均性。 ( 2 ) 灰岩溶洞塌落。岩体洞穴顶板随溶洞的发育而变形，造成地基失稳甚 至局部塌落破坏，尤其在浅埋、扁平状、跨度大的洞体，受多组结构面的切割， 使上部基础更加危险。 ( 3 ) 地下水不易疏干。岩溶水的动态变化给施工和桥梁使用造成不良影响。 ( 4 ) 施工风险大。 由于岩溶地形、位置、大小具有很大的不确定性，因此对施工造成很多不可 遇见的因素。特别是深水桥梁基础的钻孔灌注桩施工，会产生突然失水、渗漏、 吊钻、卡钻、偏孔、弯孔以及增加混凝士浇注量等风险。 因此，对于其设计和施工技术的研究显得尤为重要。 4 长安大学硕士学位论文 2 3 岩石的变形特征 岩石的变形特性是岩石的重要力学特性之一。只有对岩石的变形特性的变化 规律有了足够的了解，才能运用某些数学表达式表征岩石的变形特性，因而运用 这些表达式计算岩石在外荷载作用下所产生的变形特性，评价岩石的稳定性。不 少学者人提出用变形表示的破坏判据代替以往常用的应力强度判据。可以说，这 是一个更切合实际的新的研究思路。由此可见，变形特性是极为重要的。在实际 工程中，常遇到岩石在单轴和三轴压力状态下的变形问题t 2 9 1 。 2 3 1 岩石在单向压缩应力作用下的变形特性 岩石的变形特性通常可以从试验时记录下来的应力一应变曲线中获得。岩石 的应力一应变曲线反映了各种不同应力水平下所对应的应变( 变形) 规律。以下简 要介绍具有代表性的典型应力一应变曲线。 图2 2 是典型的应力一应变曲线。根据应力一应变曲线的形态变化，可将其 分为o a ，a b ，b c 三个阶段。三个阶段各自显示了不同的变形特性。 ( 1 ) o a 阶段，通常被称为压密阶段。其特征是应力一应变曲线呈上凹型， 即应变随应力的增加而减少，形成这一特性的主要原因是：存在于岩石内的微裂 隙在外力作用下发生闭合所致。 ( 2 ) a b 阶段，也即弹性阶段。从图可知，这一阶段的应力一应变曲线基 本呈直线。若在该阶段卸荷的话，其应变可以恢复，故称为弹性阶段。弹性阶段 常用两个弹性常数来描述其变形特征。即弹性模量e 和泊松比u 。近年来，大量 试验研究表明，在a b 阶段，由于受荷后不断地出现裂纹扩展，岩石将产生一些 不可逆的变形。因些从某种意义上来说，它并不是属于真正的弹性阶段，只能是 一种近似弹性介质。b 点是该岩石的屈服点，当应力超过b 点，则将进入第三阶 段。 ( 3 ) b c 阶段，也被称作塑性阶段。当应力值超出屈服应力之后，随着应力 的增大曲线呈下凹状，明显地表现出应变增大( 软化) 现象。进入了塑性阶段，岩 石将产生不可逆的塑性变形。同时el ，e3 应变速率l 、3 将同时增大，但最 小主应变的应变速率3 的增大表现得更明显。应该指出n t 2 2 1 ，对于坚硬的岩 石来说，这一塑性阶段很短，有的几乎不存在，它所表现的是脆性破坏的特征。 上述应力一应变曲线是岩石在普通试验中进行单向压缩试验所得到的变形 特性。这些变形特性反映了岩石“破坏”前的力学特性。绝大多数岩石的变形属 5 第二章岩溶及岩溶区桥梁基础 脆性，使得“破坏”前无明显征兆，不出现明显的塑性变形。溃后的应力一应变 曲线可采用刚性试验机测得，其可记录岩石的应力应变全过程。研究表明岩石 达到峰值应力之后，仍然具有一定的承载能力( 图2 2 ) ，而岩石突然的“崩溃” 是一种假象。因此，以前将应力达到峰值应力时，称作岩石“破坏”是不严密的。 其实质并非完全破坏，仅仅表现为承载能力的降低。但在工程实践中，对岩基稳 定性而言，应力一应变全过程曲线的峰值应力后的软化和摩擦阶段的变形特性意 义不是很大。 o 图2 2 岩石单向受压应力应变曲线 2 3 2 岩石在三向压缩应力作用下的变形特性 在三向压缩应力作用下的变形特性与单向压缩状态存在着比较大的差异。 ( 1 ) 当o2 = o3 时，岩石的变形特性在假三轴的试验条件下岩石的变形将受 到围压所给予的影响。 随着围压的增加，岩石的屈服应力随之提高。 总体来说，岩石的弹性模量变化不大，有随围压增大而增大的趋势。 随着围压的增加，峰值应力所对应的应变值有所增大。其变形特性表现出 低围下的脆性向高围压的塑性转变的规律。 ( 2 ) 岩石的体积应变特性 岩石体积应变的变化规律也是从另一个角度反映岩石变形特性的重要方面。 体积应变v 是根据弹性力学中的基本假设条件，按下式求得： 岛= a 矿v = s l + 占2 + s 3( 2 1 ) 式中： a v 体积增量； y 试件的原体积； 占l ，占2 ，e 3 分别为三个主应变。 6 长安大学硕士学位论文 图中的曲线反映了体积应变与轴差应力之间的变化规律。在假三轴试验条件 下，因为2 = 3 ，使得体积应变在很大程度上受最小主应变e2 = 3 的影响。从 图中可知，当作用的外荷载较小时，体积应变表现出线性变化，且岩石的体积随 荷载的增大而减小。然而，当外荷载达到一定的值之后，体积应变经过了保持不 变的那一定之后，开始发生体积膨胀的现象。这一现象也称扩容现象。产生扩容 现象的主要原因是岩石试件在不断地加载过程中，由于在岩石中存在微裂纹张 开、扩展、贯通等现象，使岩石内孔隙增大，促使基体积也随之增大。这一体积 变化的规律在三向压缩和单向压缩试验中都会出现。但是，由于围压的增大会出 现扩容随之衰减的现象。 2 4 岩石破坏强度理论 2 4 1m o h r ( 莫尔) 理论 莫尔强度理论认为，破坏是由于滑动面上剪应力和正应力二者合理组合的结 果，岩石的断裂和塑性变形主要是由于在某一截面上的剪应力达到一定的限度。 但破坏也和该面上的正应力有关。莫 尔理论还假定：滑动系发生在通过中间 主应力o2 轴的截面上，o2 不影响滑 动的产生。根据莫尔理论，材料的破 坏决定于剪应力和同一截面上的正应 力。也就是说，极限剪应力是滑动面 上正应力的函数，即 图2 3 正常固结土固结不排水试验 r = 厂p ) ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 所表示的函数关系决定于材料的性质，莫尔认为可以用一条曲线来表示。 从曲线可知，莫尔理论包含了库仑定律( 如图2 3 ) 和最大剪应力理论( 如图2 4 ) 。 法向应力盯 图2 4 正常固结土固结不排水试验 莫尔理论的主要缺点在于没有考虑中间主应力02 的作用，即没有考虑所有三个 7 第二章岩溶及岩溶区桥梁基础 莫尔主圆之和所确定的应力状态的形式。试验表明：试验结果和莫尔理论的偏差 不超过1 5 1 7 。但近代的试验研究指出，在岩石为拉裂破坏的情况下，破 坏面的位置与莫尔理论所确定的相比相差很大。而且，为确定莫尔圆包线而作的 试验的结果往往离散性较大，这是应用莫尔理论的一个常遇到的困难。莫尔理论 也不适用于三向应力状态的情况。 尽管有着上述种种缺点，莫尔理论仍然是被人们认为较适用于岩石的强度理 论之一。使用莫尔理论校核岩体强度的最简单方法，是将岩体中所研究点的应力 状态用莫尔圆绘于t o 坐标平面上，并将其与由试验测得并考虑人安全度的莫 尔圆包络线相比较，如所研究点的莫尔圆处于强度包络线之下，则认为安全。当 然，还要结合工程地质条件从整体进行分析。 尽管有着上述种种缺点，莫尔理论仍然是被人们认为较适用于岩石的强度理 论之一。使用莫尔理论校核岩体强度的最简单方法，是将岩体中所研究点的应力 状态用莫尔圆绘于t o 坐标平面上，并将其与由试验测得并考虑人安全度的莫 尔圆包络线相比较，如所研究点的莫尔圆处于强度包络线之下，则认为安全。当 然，还要结合工程地质条件从整体进行分析。 2 4 2 格里费斯( g r l f f i t h ) 理论 格里费斯认为，对于像岩石这样的抗拉强度和抗压强度相差明显的脆性材 料，破坏主要由材料内部缺陷( 节理、裂隙或孔洞) 的周边应力集中来控制。具 有微小裂隙的物体，如果受到应力作用，就会在裂缝的前端或其附近产生很强的 拉应力。当这个拉应力超过该材料固有的粘有力时，便产生断裂。待裂缝逐渐传 播扩大，就发生整个材料的破坏。格里费斯把这个微小裂缝视为一扁平的椭圆， 并应用二维弹性理论对此椭圆周边的应力进行了计算。他根据裂缝扩展时形成的 拉应力达到最大这一假设，建立了如下的破坏准则： 当3 仃。+ 仃1 o 与c o s 2 f l = ( 仃l o 3 ) 2 ( o - 1 + 0 3 ) 时 ( o rl 一盯3 ) 2 + 8 盯l ( o r1 + o - 3 ) = 0 ( 2 3 ) 在单向压缩的情况下，a3 - - 0 ，= 3 0 。，破环条件即为抗压强度 o - c = 盯i - 8 万t ( 2 4 ) 格里费斯准则可改写为抛物线型的莫尔圆包络线方程： 8 长安大学硕士学位论文 f2 = 4 盯t ( 0 7 一o c )( 2 5 ) 在压力下岩石的裂隙要闭合，以致裂隙面上有法向应力与摩擦力，有的研究 者建义采用摩擦系数 f ( o q + 盯3 ) 厂+ ( 仃t 一仃，) 1 + 厂2 = - 4 仃， ( 2 6 ) 因f - - - t g t p 得 ：l+sin辱o+40rcos(pol0 3( 2 7 ) = + 一 l z ，j l s i n q o 1 - s i n o 将式( 3 6 ) 与莫尔库伦准则的f ( t r i ，0 3 ，c 。，口) - o 的仃i = c 。+ t y3 t g a 形式 相比较， c = 2 仃t ( 2 8 ) 亦即 f = c r t g 孽o + c = t y t g ( , o + 2 c r t 4 c o s 够2 c o s 够 1 一s i n 妒1 一s i n 够 1 + s i n 够 t g a 2 _ l l s i n 缈 其中， oc 一一单轴抗压强度； o 。一一单轴抗拉强度； ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ol ，03 一一分别为最大主应力和最小主应力； 1 3 一一裂缝长轴与最大主应力0 。所成的角度； c a 一一等效粘聚力 9 一一土的内摩擦角 厂= t g a 称为摩擦系数。 在岩石力学中，应用于岩体的强度理论除了上述两种以外，还有专门描述岩 体内薄弱结构面的破坏的强度条件以及各向异性破坏准则，不过，这些强度理论 形式过于复杂，有关参数也难以确定，桩基设计所涉及的破坏由于其特殊的形式 和性质，只有在某些特殊的场合才偶然使用这些条件。 2 5 岩溶区的桥梁基础 根据岩溶发育的实际情况，选择合适基础类型的原则。 桥梁地基遇到溶洞时常用的处理方法根据溶洞的规模和类型不同，它们对桥 梁稳定性的影响程度也不同，当然对其处理的方法也应有所不同，常用的方法有： 9 第二章岩溶及岩溶桥梁基础 2 5 1加固地基( 扩大基础) ( 1 ) 当溶洞顶覆盖层较薄，土质较好，溶涧较小较浅者；或覆盖层较厚，承 载力高，无大型溶洞存在时，可考虑明挖基础，可采用清爆的方法，揭露溶洞充 填物，以便对浅层溶洞、溶槽、溶沟进行清除、换填或使充填物风干提高地基的 强度。溶洞若在基底设计高程附近或以上时，可采取换填方法处理，并要符合下 式要求 h ( q i o 一b ) ( 2 t a n f l ) ( 2 1 2 ) 式中h 换填层厚度，m ； q 换算荷载，k n m ； 换填材料的压力分布角，( 。) ； b 】溶洞充填物的基本承载力，l 【p a ； b _ 一换填材料顶面宽度f 基础侧面加0 3 m ) ，m 。 同时要求最小换填厚度不得小于2m ，基底至换填层底部距离要大于2 倍冻 结深度。 ( 2 ) 若溶洞位于持力层范围内时，清除覆土及原填充的土质，视溶洞宽窄分 别用砂砾或浆砌片石填塞，设置钢筋混凝土盖板或基础内部加钢筋网。 ( 3 ) 对于溶洞埋藏较深，洞中粘性土、砂类土等以细颗粒为主的堆积物地基， 溶洞上覆土不满足承载能力要求，可采用砂桩方法加固。 ( 4 ) 若溶洞位于基底以下一定距离，且符合完整顶板厚度与跨长之比小于 2 0 ，或溶洞跨长大于8m 、但厚跨比值大于2 0 ；顶板岩层完整性较好，溶洞形 态大小探测清楚，一般认为地基不需加固。 2 5 2桩基础 桩基础是处理桥梁岩溶地基最有效的方法，也是岩溶地区最常见的桥梁基础 形式，本工程在设计中分别采用了摩擦桩、嵌岩桩、摩擦桩与柱桩的混用、扩大 基础与桩基混用等形式。在设计与施工时应注意的基本原则如下： ( 1 ) 当桥梁地基下的溶洞较大，埋藏较深，但又不满足项板厚度检算要求时， 只能采用桩基础。当岩面溶蚀高差大于lm 或岩溶洞穴平面、剖面尺寸大于li t i ， 可溶性岩层埋深在8i t i 以上，基底岩层部分缺角且无法嵌补，明挖或水下施工压 浆有困难等情况均可使用桩基处理。 ( 2 ) 钻( 挖) 孔桩在穿过溶洞进入完整基岩中深度不得4 、于5 倍桩径，若实际 1 0 长安大学硕上学位论文 值小于此项要求时，应结合地质资料进行加深或验算。 ( 3 ) 对于桩尖下伏溶洞，是采取穿过溶洞还是桩尖立于溶洞项，须根据检算 和经验设计。一般情况若完整基岩顶板厚大于1 0r n 且顶板厚与溶洞孔径之比大 于2 时，基底以下溶洞可以不处理，否则应该采用桩基穿过溶洞。 ( 4 ) 对于挖孔桩在桩身与基岩相接的侧面上加打牵钉，当遇有流塑状粘性土 体与有可能发生缩孔采用护壁仍不能保持断面尺寸者，桩身尺寸适当加大。 ( 5 ) 置于岩溶地区溶槽或溶沟处的桩基础，当桩穿过溶槽、溶沟内的填充土 支立于溶槽底面或溶沟底面的岩层上时，可按支立于一般岩层上的柱桩分析方法 进行桩的内力分析。桩的轴向容许承载力应根据溶槽或溶沟底面岩层的好坏( 包 括强度和缝隙等情况) 来确定。如果溶洞顶板很薄，而溶洞内的底面很深，且洞 内填充土属于密实稳定，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时，可按摩擦桩进行设计。 ( 6 ) 当桥梁墩台下地基有呈上下成串分布的溶洞时，在充分探明溶洞最下层 分布的前提下，宜采用直径不小于1 5m 的钻孔桩。若上面成串分布的溶洞均较 小，且有填充物，可先在钻孔至空洞时，先行压浆加固填充物，待其凝固达到一 定强度后，再依次往下钻孔压浆，直至按摩擦桩计算所需的桩长。若成串的空洞 比较大，或溶洞大小探明困难，填充物较松散或没有，也必须采用先钻孔、抛石、 压浆填充空洞，再依次往下钻孔、压浆。但此时必须按柱桩进行计算，除非能确 保空洞填充、压浆密实，否则不能计算桩周摩阻力。 ( 7 ) 设计时应重视桩基负摩擦力的影响。一般地基土石在扰动之后都会在自 重的作用下固结下沉，特别是由于大量开采地下水而导致地基软弱层相对桩基固 结下沉，因而产生一个向下的摩擦力，即负摩擦力，从而增加了桩基所承受的轴 向荷载，甚至可能导致桩基破坏。因此施工时，考虑在中性点( 负摩擦力和正摩擦 力分界点) 以上用油毛毡或钢套管( 管内抹油) 作隔离层，消除负摩擦力的影响。克 服负摩擦力的方法与解决岩溶层桩基破坏方法相似，但本质不同。 ( 8 ) 当基桩穿过多层岩溶层支立于坚固的岩层上时，不应考虑多层岩溶层对 桩侧起摩阻作用，因为岩溶层与桩侧之间的摩阻作用，在本质上不同于一般土与 桩侧之间的摩阻作用。如果多层岩溶层与桩侧之间粘结成一体，桩身轴向荷载如 何分配给每一岩层，是一个非常复杂的问题，很可能在某一岩溶层与桩身粘结处， 因受力集中首先出现摩阻破坏而导致整个桩基础破坏。因此，通常不仅不应考虑 第二章岩溶及岩溶区桥梁基础 多层岩溶层对桩侧的摩阻作用，而且在钻孔灌筑桩施工过程中应采取措施( 例如 采用麻布或油毛毡作隔层) ，将多层岩溶层与桩壁之间分隔开，使基桩承受的轴 向荷载全部作用于桩底的坚固岩层上，按柱桩设计。如果根据受力条件，桩基底 面可以支立于溶洞中的填充土内时，则可考虑溶洞中填充土对桩身侧壁的摩阻作 用，如同一般摩擦桩一样设计。此时，顶面岩溶层与桩之间亦应采取隔离措施， 不得考虑桩身与该顶面岩溶层之间的摩阻作用。 ( 9 ) 施工时，地下的溶洞一般较难填充满，当钻孔至空洞顶板时，如果再往 下钻，下护筒时较易发生倾斜，导致桩身偏移。 2 6 本章小结 根据岩石的性质，了解岩溶产生的原因及岩溶的发育存在多样性，它会对结 构物的安全、稳定、施工造成很大影响。因此桥梁基础经过岩溶区时，详细勘探 地质情况，了解岩溶发育情况。设计时根据岩溶发育的不同程度，采用换填、穿 过溶洞层等处理方式，根据桩基础受力特点是采用摩擦桩还是嵌岩桩。施工时根 据实际的地质情况，调整施工方法，保证桥梁结构安全。 1 2 长安大学硕士学位论文 第三章桩端持力层安全厚度研究 3 1 概述 桥梁桩基础设计中需确定桩端持力层厚度才能保证桥梁基础的安全。特别是 当桥梁基础的持力层下有溶洞时，对桩端持力层安全厚度的研究更有必要性。 3 2 基于桩端持力层极限冲切强度的确定方法 在桩基设计中，当地基上硬下软时，需同时考虑硬持力层的冲切破坏和软下 卧层的强度破坏。岩溶区桥梁基桩桩端基岩下存在溶洞时，需验算基岩的抗冲切 强度。计算方法一般下述两类方法： 3 2 1 简化模型计算方法 大直径灌注桩桩端基岩下有软弱下卧层，考虑冲切破坏，其计算简图如3 1 所示： 软弱下卧层 图3 1 桩基硬持力层冲切简图 假定硬持力层的产状接近水平，在桩的垂直荷载p 作用下，形成一个顶角a 的冲 切锥台向软下卧层中冲切，抵抗锥台下冲的反力，由作用在锥台侧表面上的硬持 力层拉力q ，和作用在锥台底面上的软下卧层顶托力q z 组成。由静力平衡条件可 得冲切台的稳定条件为( 忽略冲切锥台的自重) ： k p q l + q 2 = r 俨l + r d f 2( 3 1 ) 式中k 一一防冲切安全系数 p 一一作用在桩底的垂直荷载 q 1 一一冲切锥台侧表面上硬持力层的抗拉力，q i = 尺俨t ， q z 一一一冲切锥台底面上软下卧层的顶托力，q z = r d f 2 r t 一一硬持力层岩层的设计抗拉强度 r d 一一软下卧层岩层的设计顶托强度 f l 一一冲切锥台的侧表面积 f 2 一一冲切锥台的底面积 1 3 第三章桩端持力层安全厚度研究 将冲切锥台的高度( 亦即硬持力层的冲切安全厚度) h 用桩底直径d 的倍数n 表示即令： h d = n ( 3 2 ) 则h=nd ( 3 3 ) 则冲切锥台的底径d l ，及面积f l 、f 2 可表示为： d i = d + 2 h t g a = ( 1 + 2 n t g a ) d ( 3 4 ) f l = z h ( d + d 1 ) 2 = ( 1 + 2 n t g a ) z n d 2 ( 3 5 ) f 2 x 4 d 1 2 = z 4 ( 1 + 2 n t g a ) 2 n 2 d ( 3 5 ，) 式中口为冲切锥台的顶角：h 可称为硬持力层的相对厚度；d 为桩的底径。 将式( 3 5 ) 和( 3 5 ) 代入( 3 1 ) 式，得： k p 1 5 2 0 的钻( 冲) 孔嵌岩桩均属于摩擦桩。因 此，若确有把握，可考虑侧摩阻力，从而桩端应力可以减小，从而只需较小的顶 板厚度即可满足要求。这一原理也可充分利用来处理存在问题的基桩。 3 6 本章小结 通过对桥梁桩基础的受力分析，得到岩溶区的桥梁桩端持力层安全厚度为当 桩端岩层为完整岩层，节理裂隙不发育或胶结良好时，为桩基直径3 倍且不小于 3 o r e ；但对于溶洞宽度较大，桩端岩层裂隙发育，岩石破碎，则按照规范要求桩 基以下硬持力层厚度一般不宜小于5 倍桩径。 2 0 长安大学硕一 ：学位论文 第四章溶洞区桥梁基础设计 4 1 工程概况 杭州至瑞丽公路是国家高速公路规划7 9 1 8 网中东西横线中的一条，东起浙 江杭州，经浙江、江西、湖北、湖南、贵州，西达云南瑞丽。它把中国发达的东 部地区、经济蓬勃发展的中部地区以及正在进行大开发的西部地区有机地联系在 一起。整条公路的兴建将对我国“西部大开发”战略的实施、对全国和江西公路 网的完善、对拉动整个区域经济的快速发展，推动东中西一体化进程部将起到极 其重要的作用。 拟建项目是杭州至瑞丽公路在江西境内的一段，是江西省“三纵四横 公路 主骨架网中第一横的一部分。拟建项目全长4 8 1 4 4 公里，经过九江市庐山区、 九江县、瑞昌市三个县( 市、区) 。其中a 测段全长2 3 9 6 1 公里，位于九江市庐 山区和九江县境内。本项目的建设对完善江西高速公路网，拉动江西西北部地区 的经济发展，促进江西的整体协调发展具有重要的作用。 2 0 0 5 年在九江县与瑞昌县之间，发生了5 7 级地震，地震烈度为7 度。在 历史上，江西是地震活动比较低或者是比较微弱的地区。此次发生的中强地震 位于本项目线位所经地区的新合镇、新塘镇、涌泉乡、瑞昌市，2 0 0 7 也连续不 断发生地震，有明显的震感。由于该地段是岩溶发育区，地震的出现导致该地段 出现多处地陷。本项目在设计中采取了防震、抗震措施。 4 2 扩大基础 通过岩溶区桥梁基础采用扩大基础的形式有： 不需加固地基的扩大基础、通过地基处理后满足扩大基础承载能力要求。 4 2 1 不需加固地基的扩大基础 本条路线上有一座3 1 3 米预应力砼空心板( 图4 1 ) ，设计交角7 0 。，下部 构造采用柱式墩配扩大基础、肋式台配扩大基础。经勘探揭示地层主要为亚粘土、 卵石土、粘土和灰岩为主。在0 号桥台揭示的地层有溶洞存在，。由于溶洞以上 覆盖土层很厚，顶板岩层完整性较好，溶洞形态大小探测比较清楚，采用扩大基 础能满足地基承载能力的要求，一般认为地基不需加固。 桥梁基础下溶洞顶板厚度较厚，地基承载力满足设计要求或者通过换填能满 足承载能力要求的可采用扩大基础。 2 1 第四章岩溶区桥梁基础设计 图4 13 1 3 m 中桥桥型布置图 4 2 2 换填加固地基的扩大基础 在九江县西互通立交a 匝道有一座中桥位( 图4 2 ) ，由于a 匝道跨越河沟 的桥梁，斜交1 2 0 。，上部构造为1 - 2 0 m 简支预应力砼空心板梁，下部构造为u 台配扩大基础，桥长3 2 m ，。经勘探揭示地层主要为亚粘土、角砾粘土和灰岩， 在l 号桥台揭示的地层有溶洞存在，在石灰岩溶洞地区的基岩表面，普遍分布一 层厚薄不一的软土层，软土层一般呈软塑流塑状态。其天然含水量大，承载力 低，工程地质条件差，是引起上部结构不均匀沉降的主要因素；且其性质对地下 水位的变化非常敏感，当地下水下降时，浮托力消减，土层固结变形，工程地质 条件发生改变，因此地基需加固。 由于溶洞上顶板厚度较厚，采用扩基满足结构安全。从图中可以看出，亚粘 土的地基承载力太低，o = 1 6 0 k p a ，需换填成砂砾，溶洞以上覆盖土层很厚， 扩大基础能满足地基承载力的要求。采用公式： h ( q o 】一b ) ( 2 t a n1 3 ) 式中h - 一换填层厚度，m ； q 一换算荷载，k n m ； 1 3 换填材料的压力分布角，( 。) ； o = 3 0 0 _ 溶洞充填物的基本承载力，k p a ； b = 1 6 换填材料顶面宽度( 基础侧面加0 3 m ) ，m 。 计算出需换填厚度为2 米，换填量6 0 0 立方米。 2 2 长安大学硕七学位论文 图4 2l 一2 0 m 中桥桥型布置图 4 2 3 砂桩加固地基的扩大基础 在本条路线上有一座2 8 m 5 7 m 的暗板桥( 图4 3 ) ，地基不满足承载力 的要求，换填厚度太大，溶洞不大。从安全经济条件下采用在地基中打入砂桩上 面加铺土工隔栅和砂砾垫层，采用的砂桩桩径为0 3 5 m ，桩间距0 9 m 。桩基打入 后，铺3 0 c m 砂砾垫层结合土工隔栅，砂砾垫层加铺宽度比桥基础宽l m ，采用此 方法既能满足承载力的要求，又经济，施工工序也不复杂。 曩断面 2 帕a k 是 嵛心 i 乡望 慨爿 i 一 二幽。 。i - i l “ 骑啪 ： 柚 图4 32 - 8 m 暗板桥立面图 4 3 桩基础 4 。3 1 岩溶区桥梁桩基设计原则 桩基础设计般应满足如下要求： ( 1 ) 保证与上部结构的可靠连接，容许承载力和变形应能满足设计要求； ( 2 ) 考虑成桩过程及其使用过程中各种因素变化及其可能产生的后果； ( 3 ) 具备一定的安全储备： 2 3 第四章岩溶区桥梁基础设计 ( 4 ) 经济上合理； ( 5 ) 提供施工控制标准及监测手段，以保证桩基能满足上述要求。 简单地说，桩基的设计应力求选型得当、经济合理、安全适用。此外，设计 前还必须深入调查研究，一般应具备以下基本资料： ( 1 ) 岩土工程勘察资料，如岩土的物理力学性能指标，地下水位及其化学成分， 岩层埋深