岩溶地区桥梁桩基承载能力评价及施工... - 交通部西部交通建设科技项目.doc

岩溶地区桥梁桩基承载力评价及施工综合技术研究 研究报告简本岩溶地区桥梁桩基承载能力评价及施工综合技术研究报告简本1 前言我国岩溶地区分布广泛，特别以西南地区的广西、四川、云南、贵州、湖南分布较多。随着我国西部大开发战略的实施，大量在建或规划中的高速公路将不可避免地穿越岩溶发育地区，复杂多变的隐伏岩溶形态给桥梁桩基修筑带来较大的困难，而现有规范难以满足岩溶桩基修筑的需要。据此，2005年7月，交通部西部交通建设科技项目管理中心批准立项，开展岩溶地区桥梁桩基承载能力评价及施工综合技术研究课题的研究。图1 2005年7月南宁召开项目可研评审会议课题主承担单位为广西交通科学研究院和湖南交通科学研究院，并联合了中国地质科学院岩溶地质研究所、湖南大学岩土工程研究所、广西壮族自治区交通规划勘察设计院等多家单位，共同对西部公路工程岩溶桩基需要解决的关键技术问题进行全面的研究，以期研究总结出一整套能够代表目前国内最高水平，比较完善的岩溶桩基修筑技术。课题分为以下4个专题进行研究：（1）岩溶地区桥梁桩基工程地质背景与勘察技术研究（广西交通科学研究院）；（2）岩溶地区桩基承载能力评价与设计理论研究（湖南省交通科学研究院）；（3）岩溶地区桥梁桩基施工技术与质量控制技术研究（广西交通科学研究院）；（4）岩溶地区桥梁桩基试验检测技术研究（湖南省交通科学研究院）。课题主要依托湖南、广西两省已建、在建高速公路开展了研究，旨在解决岩溶地区公路桩基勘察、承载力评价、施工技术与检测技术问题，为相关技术规范的修订或编制提供科学依据和研究积累。通过本项目的研究与依托工程的实施，所取得岩溶地区公路桩基修筑技术成果，将促使我国岩溶山区公路桩基修筑技术迈向一个新台阶，达到节约工程投资，有效预防、减少施工中各类病害的发生，提高工程施工及运行质量的目的。这对保证我国岩溶区桥梁安全、经济和快速地建设成功具有重要的社会经济意义及理论研究价值。2 主要研究内容与研究成果2.1 主要研究内容专题1 岩溶地区桥梁桩基工程地质背景与勘察技术研究本专题主要针对岩溶桥梁桩基地质勘察问题展开研究，通过调查研究西南地区岩溶地质发育规律及桥梁桩基岩溶病害的特征、机理及分类，对岩溶地区桥位勘探选择方法和岩溶地区桩基勘察技术进行了研究。图2 主要桥基岩溶病害点分布调研研究内容主要包括以下几方面： (1) 调查研究岩溶地区岩溶形态发育规律，桥梁桩基岩溶病害的特征、机理及分类，建立桥梁桩基岩溶地质病害的地质模式； 溶洞型图3 桩基与岩溶形态相互关系示意图(2)岩溶地区桥位工程地质调查及勘探方法调查研究：重点研究如何在不同勘察阶段中，充分结合已掌握的区域工程地质内容，采用适宜的物探方法与钻探相结合，进行桥位工程地质勘探查明的方法研究。 图4 高密度电法设备及岩溶检测结果图5 孔间电磁波CT透视图像 (3) 研究提高地质钻探正判率的方法以及桩基综合勘探技术。 图6 钻孔很难反映溶洞的真实情况（左） 图7 孔间电磁波CT探测结果洞投影位置（右）专题2 岩溶地区桩基承载能力评价与设计理论研究本专题主要针对岩溶桥梁桩基承载能力评价问题展开研究，针对岩溶地区桥梁桩基的工程特点，主要对桩底存在溶洞的典型岩溶桩基地质模式，通过室内模型试验，以及现场观测试验，全面分析其承载力学性状及荷载传递规律，提出岩溶地区基桩的承载力计算方法，为新规范的制定提供可靠依据。研究内容主要包括以下几方面：（1）岩溶地区基桩承载力室内模型试验研究：在深入探讨岩溶地区基桩的受力机理和变形特性基础上，建立合理的桩侧、桩端荷载传递模型，提出岩溶桩基承载力的计算方法； 图8 模型试验布局示意图 图9 桩顶沉降及水平位移观测及模型桩应变片粘贴示意图 图10 模型桩试验就位（2）岩溶地区溶洞顶板稳定性的模糊评价方法：在已有极限平衡分析方法的基础上引入模糊理论，建立岩溶地区溶洞顶板稳定性的模糊极限平衡分析模型，利用统计资料分析，以及专家经验构造出模型参数的模糊集，建立合理的评价方法；图11 基桩下溶洞稳定性的二级模糊综合评判模型（3）岩溶地区顶板安全厚度及嵌岩深度计算方法优化：引入数值流形方法建立基本求解方程，并编制出相应的计算模块；基于建立的流形元程序，建立岩溶地区桥梁桩基下溶洞顶板厚度的计算力学模型。通过理论分析和模型试验研究，提出相关计算方法优化，计算桩基下伏溶洞顶板允许厚度,提出桩基下伏溶洞顶板厚度计算方法和原则。（4）岩溶区桩基按变形控制承载力设计研究：紧扣容许变形控制承载能力的理念，根据建立的桩侧、桩端荷载传递模型，充分考虑桩侧岩体与桩端岩层阻力的发挥程度，导出桩顶沉降量与桩顶荷载之间的关系式。图12 平胜大桥试验桩桩顶荷载计算值与实际值比较图专题3：岩溶地区桥梁桩基施工技术与质量控制技术研究本专题主要针对如何避免岩溶桥梁桩基施工病害展开研究，通过对产生岩溶桩基施工病害的因素分析，进行岩溶地区桩基施工病害预防措施及处治措施的研究，提出成套岩溶地区桩基施工工艺，主要研究内容包括：（1）依据建立的岩溶桩基地质模式，调查岩溶地区地质发育对桩基施工的影响，归纳典型岩溶桩基地质模式施工存在的主要病害类型；图13 平钟高速公路依托工程冲击成孔施工中各种出现病害比例图图14 平钟高速公路5类岩溶桩基地质模式分类统计结果（2）对岩溶地区桩基施工病害预防措施及处治措施进行研究，按不同岩溶形态、不同施工工艺所产生的病害，分别提出相应的处理方法；图15 思勤江大桥7墩地面塌陷造成钻机倾倒现场图16 K160+777板桥大桥0台0-4 桩卡钻处理过程示意图（3）岩溶地区桩基施工适用施工工艺研究：研究岩溶桩基的适用施工工艺，提出不同施工工艺组合及其适用的岩溶地质模式。图17 人工挖孔施工（左图桩底岩溶水丰富，右图桩底遇大型溶洞）图18 冲击成孔施工图19 水上平台冲击成孔施工专题4：岩溶地区桥梁桩基试验检测技术研究本专题主要针对岩溶地区桥梁桩基成孔检测技术和承载力检测技术展开研究，对桩身完整性与承载力试验检测技术进行优化。在基桩承载力评价体系建立的基础上，进行桩基承载力试验检测技术研究，确定现场岩溶桩基承载力。对岩溶地区桥梁桩基承载力评价的研究成果进一步验证与完善。主要研究内容包括：（1）岩溶桩基成孔质量试验检测技术研究：主要针对沉渣厚度和桩底岩溶形态的检测进行研究，提出岩溶桩基成孔质量检测技术。图20 超声波检测仪工作原理（2）桩身完整性及强度检测技术研究：对桩身完整性及混凝土强度的检测方法进行调研分析，提出适合岩溶地区桩基完整性及强度的检测方法；图21 超声波检测桩身质量（3）桩基承载力检测技术研究：分析了桩基承载力检测技术，进行了按变形控制承载力的研究，将自平衡法应用于岩溶地区桩基检测，对此也进行了相关研究。图22 锚杆横梁反力装置图23 桩承载力自平衡试验示意图2.2 主要研究成果项目通过对岩溶地区桥梁桩基关键技术的研究，取得了以下创新。1、从典型桥梁桩基岩溶发育特点出发，系统分析桥梁桩基面临的主要岩溶病害类型及影响因素，研究岩溶对桩基的作用机理，以岩溶发育特点、第四系覆盖层厚度、地下水作用强弱以及桩的位置与岩溶形态的关系为基础，分别从岩溶桥梁场地勘察和岩溶桩基勘察施工的角度，对岩溶桩基地质模式进行了划分，建立了岩溶桩基地质模式；表1 溶洞型岩溶桩基地质模式细分因素表对桩基的影响程度覆盖层特征岩溶洞穴特征岩溶水特征桩基与岩溶洞穴的关系溶洞数量横截面大小洞穴走向连通情况岩溶水位与基岩面的关系地下水量逐渐增大方向 裸露半裸露薄(5米)12个小型溶洞：对冲击成孔无多大影响的溶洞，高0.5 mm水平，长轴与桩基垂直独立封闭，不连通基岩面以上，覆盖层内较少，季节性存在桩孔穿过溶洞浅覆盖(520米)多个一般溶洞: 会对冲击成孔造成影响的溶洞，高4米倾斜，长轴与桩基斜交，60夹角20米)大型溶洞：对冲击成孔施工影响较大的溶洞，高4m 以上陡倾，长轴与桩基斜交，60角度0与地表或地下河流连通基岩面以下丰富，与地表或地下水系相通，或覆盖层为强透水层桩体侧切溶洞壁图24 桩基与岩溶洞穴关系图2、基于岩溶桩基室内大型模型试验，得到了岩溶区桥梁桩基的荷载传递规律，在此基础上，提出了按桩顶沉降控制基桩竖向承载力的方法；与传统方法相比更能反映岩溶桩基的实际情况。3、应用三维数值方法和突变理论，建立了岩溶区嵌岩桩承载力及其下伏溶洞顶板安全厚度的尖点突变模型，提出了岩溶区嵌岩桩承载力及其下伏溶洞顶板安全厚度确定的新方法。同时还取得了以下研究结论和成果：（1）依据地质模式，结合依托工程的勘察，总结归纳出一套适合于岩溶地区桩基勘察的勘察方法，及各勘察阶段适用的勘察技术与技术要点。表2 岩溶桩基工程地质综合勘察技术勘察阶段主要勘察方法主要勘察技术备注可行性研究勘察类比法进行工程地质调查，利用已有资料，运用GIS技术绘制沿线1/20万比例尺的水文地质图，进行岩溶影响范围和岩溶发育程度的区划，对桥址按岩溶桥基场地地质模式分类。可在拟定桥位地质模式为地表岩溶个体发育的，适当地利用简易勘探技术和少量物探初步勘察类比法，地质剖面法进行大比例尺工程地质调绘（一般采用1：5001：2000） ，根据具体情况在高精度电测深、高密度电阻率法、浅层地震、地质雷达等地面物探方法中选择一至两种进行物探。普遍适用、效率较高的为高密度电阻率法。调绘和物探发现的异常处，沿剖面布置验证性钻孔详细勘察地质推断法以逐桩地质钻探为主，根据岩溶发育具体情况，采用井间层析成像法或电磁波雷达测井等井中探测方法进行物探，普遍适用的为电磁波层析成像(CT)。物探在岩溶强发育及重点桩基中采用施工勘察类比法、地质推断法进行一定的超前地质钻孔。对勘察资料进行验证，落实持力层和终孔深度（2）分析目前公路勘探中存在的问题，提出岩溶桩基勘察，关键不是采用何种具体勘探技术或几种勘探技术的组合问题，而是应充分重视地质勘察方法的研究工作，能够大幅提高勘察效率和精度，降低勘察成本。从钻探工艺本身的问题、钻探孔位和数量的布置及钻探和物探的结合三方面总结分析了提高工程地质钻探正判率的技术方法；（3）深入分析了影响岩溶区桩基下溶洞顶板稳定性的因素，建立了完整的岩溶区桩基下溶洞顶板稳定性模糊综合二级评判方法。（4）在荷载传递理论的基础上，提出了按桩顶沉降控制基桩竖向承载力的方法，依据允许变形控制承载能力的设计理念，根据建立的桩侧、桩端荷载传递模型，充分考虑桩侧岩体与桩端岩层阻力的发挥程度，导出桩顶沉降量与桩顶荷载之间的关系式，并编制出相应的计算程序。（5）收集并归纳了上百根岩溶桩基的情况，通过统计分析320个钻孔溶洞高度分布规律，得出影响桩基施工的地下溶洞规模尺度划分的依据。对影响桩基施工的地下岩溶形态进行尺度划分。图25 平钟高速公路桥梁桩基溶洞高度统计图（6）提出岩溶桩基施工的5大类岩溶桩基地质模式，从岩溶地质模式分类入手，分析了各类复杂的岩溶桩基施工病害产生机理，为岩溶桩基施工选择最佳预防措施和处治方案提供一套全新的的解决思路和方法。针对常见的溶洞型和多层溶洞型岩溶地质模式，进行了进一步的分析，首次提出隐伏溶洞形态的走向及桩基与溶洞形态的相互关系，是决定施工处治措施成败的关键影响因素。图26 溶洞轴向走向对施工影响示意图表3 桥梁岩溶桩基施工主要病害及成因桩基施工阶段病害类型病害产生的主因桩基成孔阶段漏浆疏松多孔的厚覆盖土体；溶洞、裂隙等岩溶形态塌孔、埋钻疏松多孔的厚覆盖土体；岩溶地下水；洞穴顶板被意外揭穿或揭穿裂隙通道后，孔内泥浆水头急剧下降，覆盖层由于护壁失稳而造成坍塌偏孔桩侧或桩底发育有孤石、鹰嘴岩、半边岩、岩溶裂隙、起伏不平的基岩面、倾斜岩层、石笋等不完整岩溶形态卡钻桩身存在溶沟、溶槽、溶洞或有半边溶洞侧壁侵入桩身等岩溶形态；钻穿溶洞顶板后，形成探头石或台阶掉钻卡钻时操作不当强行提拉导致钢丝绳超负荷断裂造成；当溶洞较大时，如突然钻穿，因重力作用拉断钢绳对钢绳检查不够，人为失误降排水困难或涌砂人工挖孔桩施工时的岩溶水问题沉渣超标冲孔施工时，为了保证泥浆护壁的稳定性，在清孔时也不敢轻易降低浓度，从而造成清孔困难桩基成桩阶段灌桩过程中混凝土流失溶洞处的泥浆护壁失稳夹泥断桩溶洞处的泥浆护壁失稳桩底混凝土不密实桩底基岩存在岩溶裂隙、小溶槽等非完整性状况岩溶水串孔溶洞或裂隙相连通岩溶水表4 岩溶桩基处理措施对岩溶形态的处理范围及效果处理措施处理范围处理效果注意事项成孔前注浆预处理在岩溶裂隙型、溶洞型地质模式中均可考虑应用，特别适用于溶洞与其他相邻桩基裂隙、溶洞互相连通，洞穴走向倾斜，受地下水影响的情况对桩周地质进行预先处理，达到阻隔地下水，同时封堵溶洞，提高桩周及桩底的完整性，减少桩基施工病害发生的频率在岩溶特别发育、岩溶地下水丰富地段需进行试注浆，视注浆的效果来决定是否可采用桩周预注浆技术抛填片石、粘土等，反复冲击处理适用于岩溶裂隙型和小型及一般溶洞，洞穴走向水平及倾斜，地下水量不大的情况封堵裂隙、溶洞，形成有效的泥浆护壁在溶洞充填物易流失，洞穴陡倾或岩溶地下水丰富地段，泥浆护壁有可能会失稳，给清渣和混凝土灌注成桩带来影响预灌注混凝土处理特别适用于大型溶洞，填充物为流塑状、洞穴陡倾，受地下水影响较大的情况混凝土达到一定强度后，会在桩孔周围形成一个圆形或半圆形围护， 可有效防止因溶洞内流塑状填充物涌入或砼流失而引起的断桩。如水量较大，混凝土会流失较多，需采取一定的混凝土速凝早强措施，也可加入一定片石局部、全护筒或多层护筒处理适用于受地下水影响，岩溶发育的各种情况，特别适用于多层溶洞形态形成良好的护壁，避免漏浆、塌孔等病害发生无（7）针对岩溶地区桥梁桩基承载力静载试验的特殊性，对静载试验进行了优化研究，提出了锚杆反力梁装置，并通过数值计算和现场试验验证，确定了锚杆布置的一般性原则。 图27 锚杆横梁反力装置数值计算（8）对比了两种承载力测试方法，介绍了自平衡法的基本原理以及在岩溶地区试桩中的具体应用，并对自平衡测试的关键技术进行了较深入的探讨，指出平衡点(即荷载箱埋设位置)的选择是在岩溶地区应用自平衡法时一个值得注意的问题。（9）总结归纳出一整套国内最先进的岩溶桩基勘察、施工和检测技术，并编制了勘察、施工和检测指南，3份指南能够直接应用指导岩溶桥基的勘察、施工及检测，可大幅降低工程造价和岩溶桩基的病害率。表5 不同施工工艺组合及其适用的岩溶地质模式表施工工艺组合形式适用的岩溶地质模式原因描述人工挖孔+冲孔覆盖层厚（10m 以上）+地下水位低+复杂岩溶形态对于具有较厚的覆盖层，如厚砂层、粘土层覆盖的岩溶地区桩基成孔，受地下水影响不大时，采用挖孔与钻孔相结合施工比较合适，以挖孔的现浇砼护壁代替钻孔的长护筒。施工时，砼护壁内径比设计桩径加大35cm，其底部应设在粘土层或风化岩层中，对其下受地下水影响的复杂岩溶形态，冲孔施工遇溶洞后出现漏浆，但不会造成大的坍塌，为处理溶洞提供了足够的时间。冲孔+钻孔浅覆盖层（10m以下）+地下水位高+复杂岩溶形态+完整基岩冲击钻能广泛适应各种复杂的地质构造,在处理刃脚、斜面开孔、半边岩和石笋溶槽、溶沟及裂隙漏水、漏浆等情况时相对回转钻机较容易,而且成本低。在发生漏浆时,提钻快,不易埋钻。但其缺点也十分明显:成孔事故多,进尺慢(特别是直径2500mm以上大孔),对操作熟练程度要求高,有无操作经验决定成孔的成败。而回转钻机的优点是在均质地层及高强度地层中钻进速度快,一般为冲击钻的35倍,成孔过程中事故少。钻孔+冲孔覆盖层厚（10m 以上）+地下水位高+复杂岩溶形态典型的钻冲结合成孔工艺为:先用钻机钻穿覆盖层,下完内护筒压浆后,再换冲击进行入岩施工。对覆盖层相对厚（10m），桩孔直径较大（1.5m）的情况，回转钻孔能加快施工进度，同时方便内护筒下放。其下复杂岩溶形态用冲击钻。人工挖孔+冲孔+钻孔浅覆盖层（10m以下）+地下水位在基岩附近变动+复杂岩溶形态+完整基岩上部浅覆盖层人工挖孔，做好现浇混凝土护壁复杂岩溶形态层采用机械冲孔底部0.5m2m完整基岩嵌岩层采用反循环钻孔。3 项目的经济、社会效益及推广应用前景3.1 社会、经济效益（1）经济效益本项目从解决工程实际问题出发，根据工程需要针对岩溶桩基勘察、设计、施工和检测技术开展研究，并将研究成果应用于依托公路工程施工建设中，达到了降低工程风险，节约工程投资、提高工程施工及运行质量目的。本课题成果推广应用后，可提供一套系统的岩溶桩基勘察、施工工艺、设计原则和质量控制方法。与传统桥基勘察方法相比较，本项目提出的方案重视地质研究工作在勘察中的应用，通过可研及初勘的地质调查分析工作，能够合理布置钻探孔，减少详勘的钻探工作量，提高勘察准确率，为设计提供准确的地质资料，从而避免了岩溶地质处理的数量及难度。与传统施工工艺相比，一开始就采取正确的施工方案，能够避免绝大多数的施工病害发生，从而节约项目投资和加快施工进度。以全州至兴安高速公路长乡河大桥的施工为例，施工单位在施工初期未完全掌握岩溶桩基施工工艺，造成几个桩孔施工