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石灰岩岩溶地区桥梁桩基设计与施工徐进前( 中交第二公路勘察设计研究院, 武汉市, 430052)叶慧( 广东广韶高速公路有限公司, 广州市, 510400)【摘 要】 通过翁江大桥溶洞桩基设计、施工, 总结了岩溶发育区桥梁基础地质勘探、溶洞顶板安全厚度计算等应注意的问题和多层溶洞施工处理方法。【关键词】 多层溶洞 桥梁桩基 持力层安全厚度 计算 施工要点桩基作为桥梁结构最常用的基础形式之一, 它能穿过软弱地层及溶洞, 将桥跨结构自重 及活载传递到较深的高承载力持力层中, 从而 达到减少基础沉降和结构不均匀变形的目的。 由于桩基础是一种深基础, 对于岩溶发育地区 的桩基, 如何准确确定桩基持力层标高, 在桩基 成孔、混凝土浇注过程中, 确保桩基工程质量, 采取经济合理的溶洞处理施工方案, 是桩基设 计和施工技术人员普遍关注的研究课题。 京珠 国道粤境高速公路通过粤北石灰岩山区, 地质 条件复杂, 岩溶地下水丰富, 岩溶发育, 其中北 江大桥、翁江大桥、黄沙河大桥、茶园分离式立 交、麦坝分离式立交等均跨越溶洞密集区, 通过 现场设计和施工技术人员近一年的共同努力, 已成功完成了溶洞发育区桩基的施工, 并经桩 基质量检测全部合格。本文通过翁江大桥实践, 就岩溶发育区桥梁基础地质勘探、溶洞顶板安 全厚度计算等应注意的问题和多层溶洞施工处理方法的体会综述如下。1工程概况翁江大桥位于广东英德华侨茶厂境内, 是京珠国道粤境高速公路跨越翁江的一座大桥, 上部构造为 50 m 预应力混凝土 T 梁和 30 m 预应力混凝土 T 形组合梁, 跨径组成为 30 m +250 m + 330 m , 简支桥面连续体系, 单幅 桥宽 17 m ; 下部构造采用柱式墩台; 钻孔灌注 桩基础, 桩径 1. 5 m , 全桥共计 60 根。设计最大 桩长 38. 59 m , 主跨最大桩顶垂直反力 5 681kN 。2 桥区工程地质情况桥区地质条件复杂, 基岩起伏较大, 岩溶极为发育, 存在暗河和多层溶洞。根据地质钻孔揭 露, 桥区上覆地层为第四系冲积层, 下覆基岩为 石炭系灰岩, 地层自上而下可分为: 第四系冲 2. 6 mm这种伸缩缝能满足这种小位移量的变形要便、造价低。3应用求。T 形橡胶带伸缩缝具有密封止水好的在公路新改建工程项目中, 有不少中小桥梁, 特别是广东水系发育地区沟渠多, 中小桥数 量也多, 而每座中小桥都必须设置适应桥梁变形的伸缩缝。 对 T 形橡胶带伸缩缝, 既能适应 中小桥小位移量的变形要求, 又具有结构简单、方便安装、行车舒适、造价低廉等优点。b.特点, 防止雨水渗漏, 对桥台支座起到很好的保护作用。T 形橡胶带伸缩缝的缝宽较小, 避免c.了行车冲击, 使行车平顺舒适, 噪声小。T 形橡胶带伸缩缝结构简单、安装方d. 收稿日期: 2000209212中南公路工程26 卷50积层, 以亚粘土、粉细砂、圆砾卵石层交错分布,层厚 1. 6 10. 9 m 。强风化页岩, 半岩半土破 碎块状, 层厚 3. 20 32. 2 m 。弱风化灰岩, 岩 芯呈碎块状, 裂隙发育, 层厚 1. 10 5. 00 m 。 微风化灰岩, 细 隐晶结构, 块状构造。 节理裂 隙发育, 溶隙及溶洞极发育。地质资料揭示全桥 26 根桩基存在溶洞, 桩 基施工过程中增加 8 根溶洞桩基, 溶洞层数最 多达 11 层, 最大溶洞高 6. 8 m , 溶洞跨宽 15 m 左右。式中: q 为溶洞顶板自重加上覆盖土层均布荷载, kN /m ; 取 灰 岩 l/10 容 许 抗 压 强 度, M P a; M 为弯矩,M 根据顶板岩石的完整性, 分 别按简支梁、悬臂梁和固端梁三种情况计算: 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 +P l; 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 + P l/4; 当溶洞顶板均完整时, 按固端 梁计算M = q l2 /12 + 0. 7P l/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, 弯矩M 不考虑覆盖土 层均布荷载作用产生的弯矩 ( 即M 式中的第一 项 ) , 仅考虑桩基集中力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。4. 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 破坏的主要控制条件。H = (q + P ) /( l)式中: q 为溶洞顶板自重加上覆盖土层均布荷 载, kN /m ; P 为桩尖对溶洞顶板的集中力, kN ; 为对于灰岩取 l/12 容许抗压强度,M P a; l 为溶洞平面周长, m 。 根据以上两种力学计算模式计算, 翁江大桥多层溶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 4 m 和 6. 5 m 的微风化完 整顶板, 作为桩基终孔最小控制溶洞顶板厚度。 施工过程, 为检验桩基的承载能力, 翁江大桥等溶洞桩基在施工过程中采取大应变检测, 检测 结果证明, 桩基承载能力完全满足设计要求。3岩溶发育区桥梁基础地质勘探岩溶发育地区桥梁桩基勘探, 应以查明岩溶发育的程度和岩溶形态的空间分布规律为目 的。具体步骤应先物探, 根据物探查明的岩溶情况, 再在每个基础内采用逐桩钻孔。翁江大桥地 质勘探采取了逐桩布置地质孔和物探结合的勘 探方案, 效果良好。 实践证明, 由于桩基直径远 大于地质勘探孔直径, 个别未进行物探, 仅按逐 桩钻孔勘探桥梁的溶洞桩基, 并不能完全揭示岩溶发育与分布规律, 对于直径 1. 5 m 以上的 桩基, 必要时可一桩三孔办法查明溶洞分布情况。4桩底持力层安全厚度的计算方法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问题。 翁 江大桥对于多层溶洞桩基采用了如下两种计算 方法。4. 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 控制条件, 可按梁板受力情况计算, 最小设计持 力层板厚为:H = 6 M /(q ) 0. 55溶洞施工方案及处理措施5. 1施工方案溶洞桩基施工应根据桩基地质勘察报告2 期徐进前等: 石灰岩岩溶地区桥梁桩基设计与施工51中, 岩溶发育程度和溶洞的空间分布及大小确定施工方案。 翁江大桥溶洞桩基施工采用了如 下施工方案: 溶洞高度在 1 m 以内, 施工时采用片石黄土造壁成孔。 溶洞高度在 1 3m , 溶沟未与水平暗河直接连通的, 根据溶洞所 处的深度情况确定处理措施: 溶洞埋深在 10 m 以内的单层溶洞, 采用片石黄土造壁封堵; 大于10 m 的采用钢护筒护壁。 溶洞高度在 3 5 m , 水平发育区域较大, 溶洞埋深在 10 20 m 的溶洞, 采用双层钢护筒护壁。对于水平区域以冲挤到溶洞回填物中作骨架, 稳定充填物, 使孔壁趋于稳定、密实。 为保证回填及时, 必须准 备足够的编织袋, 将黄泥袋装后与片石一起囤 积在钻孔桩周围, 随时准备应付突发事件的发 生。成孔过程中泥浆的控制是最重要的一点。泥浆的优劣对钻孔的顺利与否起着关键作用。 对造浆所需粘土应具有一定的膨胀性, 以提高 泥浆性能。6结语发育连通性大和溶洞高度大于 5 m洞, 采用三层钢护筒护壁。5. 2处理措施的多层溶公路工程实践中遇到的各种各样地质问题, 归结起来实质上是岩体稳定问题。岩溶作为 常见的岩体不稳定地质现象, 在岩溶发育地区 修建公路桥梁, 应详细了解岩溶发育情况, 从选 线、桥梁基础型式的选择和布置, 均应尽量避开 溶洞密集区。对于大型桥梁, 宜采用桥梁控制路 线的选线原则, 桥位应选在难溶岩层, 避开大、 深、密的溶洞地段。翁江大桥全桥 60 根桩基, 在设计、施工各 方技术人员的共同努力下, 由于施工方案科学 合理, 未出现塌孔和其他任何工程质量事故, 桩 检全部桩基质量合格。 从翁江大桥成功的溶洞 桩基设计、施工处理可以看出, 详细的地质勘 探, 科学选择桩端持力层的位置及溶洞顶板安 全厚度, 合适的穿过多层溶洞的施工处理方案, 对确保桥梁桩基工程质量, 加快进度, 缩短工 期, 提高经济效益十分明显。当钻进到达溶洞顶板时, 冲击钻头操作要平稳, 尽可能少碰撞孔壁, 并减少冲程悬距 (不大于 0. 80 m ) , 慢慢穿过并及时采取防护措 施, 按一定比例投入黄土和片石来封堵, 防止漏 浆。 在急剧漏浆情况下, 投入袋装黄土或水泥, 使其以最快的速度沉入孔底; 对于设置护筒的, 护筒要及时跟进接长, 并采用冲锤挤压, 封堵溶洞附近的溶沟裂隙。 漏浆现象一般发生在基 岩内, 根据勘探资料, 在接近岩面处预先填入黄土和片石, 且在每冲进 50 60 cm左右投入一次, 直至终孔。在冲进过程中采用间断循环浆清渣法, 始终保持孔内留有一定量的沉渣, 利用 沉渣封堵裂隙避免漏浆塌孔。在漏浆情况下,为保证及时回填的效果, 黄泥宜采用袋装或泥球状抛入, 黄泥与片石比例控制在 12 左右,本刊声明为适应我国信息化建设的需要, 扩大作者学术交流渠道, 推进科技信息交流的网络化 进程, 本刊已加入“万方数据资源系统 (C h in a In fo ) 数字化期刊群”、中国学术期刊 ( 光盘 版) 和中国期刊网全文数据库。 其作者著作权使用费与本刊稿酬一次性给付。 若作者 不同意编入上述数据库, 请在来稿时声明, 本刊将作适当处理, 特此声明。中南公路工程编辑部2001 年 3 月2 期喻灿星等: 山区道路修建挡土墙质量保证的综合技术措施57通过多处采用, 看来这种效果比较理想, 全线不下 10 处最大跨度已达 30 m 。坏山体岩层, 而是采用加宽基础的办法 ( 见图7) , 这样有利于山体的稳定。6潮湿有水的地方软弱基础采用松木桩加固潮湿有水的软基一般在河边和谷底, 预计挡墙下沉的可能性大而滑移和倾覆可能性小, 在常年有水的情况下采取这种办法可行。 根据 我们的经验, 用挖掘机掘头压在单根的松木上 入桩效果又快又好。7 对高挡墙采用片石砼肋带全线挡墙均为块片石圬工结构, 大范围内 的人工安砌使得我们担心砌体的密实存在问 题。故明确规定高出 8 m 的挡墙在 8 m 处浇筑 砼肋带, 高度为 60 cm 。这样有利于挡墙的整体 性(见图 6)。8 岩基础宽度不够时加宽基础当岩基础宽度不够时, 尽量不破坏或少破图 6 高出 8 m 的挡墙在 8 m 处浇筑砼肋带图 7 加宽基础上面采取的措施都是为了提高整个线路的使用质量和增加建筑物的抗灾 ( 地震、山体滑 移、水毁) 能力。 这也是公路建设者贯彻于整个 道路建设过程中的基本原则。采取这些办法, 不 但节约了投资, 总体效益更是无法估量的。参考文献1 交通部第二公路勘察设计院 1 公路设计手册: 路基 1 北京: 人民交通出版社, 1997(上接第 54 页)满足设计要求。在旋喷桩施工中所使用的工艺参数见表1。表 1 旋喷桩施工工艺参数3加固施工处理根据设计加固方案, 施工处理时首先在桥台外筑好围堰, 抽除桥台外及桥台内腔积水, 清 除孔内淤泥等杂物至基础底面, 同时挖集水井 排水; 然后采用跳跃法分批施工旋喷桩, 施工顺 序为 1# 5# 9# 13# 3# 7# 11# 15#2# 6# 10# 14# 4# 8# 12# 。同时在施工过程中, 控制相邻孔施工期相差不少于 3 d。 喷射完成后, 又从孔口放入洗净风干的粒径 为 2 4 cm 的卵石, 提高了旋喷桩身的强度。覆名 称参数水压空气 浆液压力: 32 40 M P a; 排量: 85 L /m in压力: 0. 5 0. 7 M P a; 排量: 6 m 3/m in压力: 0. 2 0. 5 M P a; 排量: 75 90 L /m in;水灰比: 11; 密度: 1. 60 1. 68 g/cm 37 8 r/m in6 cm /m in转速提升速度在旋喷桩施工完成一个星期后, 开始进行桥台加固施工, 首先将桥台内腔的浆砌片石表 面及台帽、背墙内侧砼凿除浮浆和凿毛, 用高压水冲洗干净, 然后浇筑底层砼, 绑扎墙身钢筋, 装模、浇注墙身砼。通过对桥台沉降和裂缝的观 测, 在加固工程完成后通车近三个月的时间内, 沉降和裂