岩溶地区桥梁嵌岩桩设计探究

【摘

昆明650000）

以对不同顶板厚度在岩溶要】本文结合工程实例，采用大型岩土有限元分析模型对岩溶区桥梁嵌岩桩基承载变化进行仿真模拟研究后，区桥梁嵌岩桩基极限承载设计中的影响进行分析，结果表明岩溶区桥梁嵌岩桩极限承载在溶洞顶板厚度臆2.5倍桩径时，随着顶板厚度增加而提升，对岩溶区桥梁嵌岩桩设计实践具有非常显著的指导意义。【关键词】岩溶地区；桥梁；嵌岩桩；设计；研究【中图分类号】U443.15

【文献标识码】A

【文章编号】（2018）2095-206607-0254-02

结合上述桥梁工程的实际情况袁由于大直径嵌岩桩是采用人工或机械钻孔方式袁通过桩身深入基岩嵌固在岩层中的一种灌注桩技术袁这种方法在桥梁施工应用中能够充分发挥桩身强度与岩体承载能力袁从而提升桥梁工程桩基承载性能袁在工程基础施工中具有较为突出的适用性袁能够有效降低施工成本袁作用优势十分显著遥需要注意的是袁岩溶区桥梁嵌岩桩设计中袁其难点在于桩基嵌岩深度以及桩端持力岩层的安全厚度计算设计上遥由于对岩溶区桥梁嵌岩桩嵌岩深度以及桩端持力岩层安全厚度的影响因素较多袁根据有关规定要求可知袁岩溶区桥梁嵌岩桩设计中袁要求桩端以下支撑岩层厚度要在3倍桩径以上袁并且要不小于5m袁根据工程情况可以通过超前钻方式进行下卧层情况探测分析袁以确保桩基承载性能遥

根据上述岩溶区桥梁嵌岩桩设计的有关要求与规定袁可以采用

2岩溶区桥梁嵌岩桩基承载力设计

结合上述桥梁工程的结构特征以及桥梁桩基施工的地质条件袁由于桥梁主桥段各主墩基础为3伊2.7m的变截面大直径钻孔灌注桩基袁且桥梁上部结构为双向4车道+两侧非机动车道的断面结构形式袁桥面宽度为22m袁再加上墩高水深影响袁使得该桥梁工程桩基顶部内力作用较大袁单桩桩顶竖向荷载最大为53000多kN袁因此袁在该桥梁工程桩基施工设计阶段袁采用摩擦桩技术不能满足该桥梁工程桩基设计要求袁故采用嵌岩桩设计袁通过将各桥梁主墩基桩嵌入完整新型灰岩下3m袁以确保桩基稳定性袁满足桩基荷载要求遥此外袁在桥梁工程嵌岩桩设计中袁考虑到该桥梁工程所处的岩溶区地质特征袁对存在溶洞的嵌岩桩设计中袁需要桥梁主墩基桩穿过溶洞后再嵌入新鲜岩层面袁确保嵌入深度在岩层面以下3m袁桥梁嵌岩桩底部基岩的单轴极限抗压强度在35MPa以上袁同时满足嵌岩桩桩基底部具有厚度为3m的完整基岩袁以满足整个桥梁工程的桩基荷载需求袁确保桥梁结构稳定尧可靠遥

1岩溶区桥梁嵌岩桩设计要求

某公路桥梁工程位于云南省袁是集城市桥梁与公路桥梁为一体的桥梁工程袁桥梁结构为86m+4伊136m+86的预应力混凝土连续箱梁袁其中袁桥梁上部为单箱单室大悬臂预应力箱梁袁箱宽为12m袁桥面宽度为22m袁下部为空心薄壁墩与大直径钻孔灌注桩基础袁其中袁桥梁主墩桩基为4根3伊2.7m的变截面大直径桩基遥

云南地区以岩溶地貌最为显著袁该桥梁工程所处地区为地质条件极为复杂的岩溶裂隙发育区袁跨越多条岩溶洞带与1条断裂带袁桥梁桩基施工的地质条件非常复杂遥根据该桥梁施工中的有关地质勘探数据结果显示袁该桥梁工程主桥梁端个主墩桩基的桩位基本都存在裂隙破碎带与溶洞带袁岩溶地层的覆盖厚度在10~30m之间不等袁地层分布以粉砂层尧细砂层以及中砂层尧粗砂层尧角砾层尧基岩等结构特征为主袁其中袁基岩以灰岩为主袁局部存在白云岩和石英大理岩袁并且岩溶地段溶洞形状较为复杂尧大小不一袁存在重叠情况袁最多重叠层数为5层袁溶洞顶板厚度在10cm~4m之间不等袁大多存在倾斜情况袁倾斜角度最大为75毅袁因溶蚀作用影响导致破碎状态较为严重遥此外袁该桥梁工程所处岩溶地区的溶洞高度变化较大袁最小为20~30cm袁最高达9.4m袁溶洞中以填充流塑亚粘土为主袁部分表现为孔洞袁存在压缩气体与高亚水等情况袁整体分布错综分布袁并且溶洞之间存在相互连通情况袁对桥梁桩基施工影响较大遥下文将以该桥梁工程为例袁对该桥梁嵌岩桩设计进行总结分析遥

简化的四边支撑板上受力荷载力学分析模型进行岩溶区桥梁桩基桩端力学模拟分析袁同时在进行岩溶区桥梁工程嵌岩桩的桩端持力层安全厚度计算分析中袁通过将桩端持力层看作刚性底板袁根据局部承压钢筋混凝土板以及屋梁楼盖尧桩基承台等常见破坏模型袁进行模拟计算与分析研究袁本文通过Mohr-Coulomb模型进行土体岩层力学变化模拟分析袁同时以Midas/GTSNX模型进行岩溶区桥梁工程桩基梁单元模拟分析袁并以界面单元与桩端单元进行桩基和土体滑移模拟研究袁以实现桥梁桩基侧摩阻力与端阻力的真实模拟遥然后结合上述桥梁工程实际情况与嵌岩桩设计有关要求袁在确定桩基材料以及地层力学参数后袁通过参数代入后进行三维模型构建袁进行顶板厚度与桩基承载力学变化关系分析遥其中袁模拟分析中袁假设溶洞为圆柱体袁高度在3m尧跨度为6m尧桩基嵌岩深度为3m时袁顶板厚度分别为0.5倍桩径与1倍尧2倍尧3倍等不同情况下的顶板厚度与桩基承载力变化关系进行分析袁其结果如表1所示遥

表1顶板厚度与桩基承载力变化关系模拟分析结果

顶板厚度0.5倍桩径1倍桩径2倍桩径桩侧摩阻力渊MPa冤

5.165.165.165.16桩端阻力渊MPa冤0.0510.29210.9317.947桩土相对滑移距离

渊mm冤

11.4112.8143.829.01桩极限承载能力

渊MPa冤

5.215.453倍桩径13.1016.08根据表1可以看出袁顶板厚度在0.5尧1尧2和3倍桩径等不同情况下袁桩端阻力发挥表现不同袁其中袁顶板厚度为3倍桩径是桩端阻力发挥至最大袁并且在0.5与1倍桩径的顶板厚度下袁岩石在达到屈服强度前袁溶洞顶板提前发生破坏袁表现为典型的顶板冲切破坏袁并且在顶板厚度从小到大的变化过程中袁顶板抗冲切能力不断提升袁在顶板厚度为2倍桩径时提升变化最为明显袁并且顶板厚度变化至2.5~3倍桩径时袁顶板岩石到达屈服强度袁桩基承载力充分发挥遥综合分析袁即可得出袁岩溶地区桥梁工程嵌岩桩设计中袁在确保嵌岩深度的情况下袁溶洞顶板安全厚度以2.5~3倍桩径最为合适袁同时岩溶区桥梁嵌岩桩的嵌岩深度设计应按照野宜浅不宜深冶原则进行合理控制遥

结合这一结论袁上述桥梁工程40#主墩A桩设计中袁在桩顶竖向力为53400kN袁天然湿度岩石单轴抗压强度为35000kPa袁钻孔清孔与岩石破碎程度系数分别为0.4和0.03袁嵌岩深度为3m袁通过相关公式代入计算进行验证袁最终得出该桩基极限承载能力为106877kN袁符合桥梁工程嵌岩桩承载设计要求袁具有一定的安全性和可靠性遥

3岩溶地区桥梁嵌岩桩设计有关注意事项分析

灰岩地质区域一般情况下都会有不同程度的岩溶现象袁由于岩溶分布的复杂多变袁一些规模较小的岩溶通过目前的物探勘察手段基本无法完全探明渊除非直接被钻孔钻到冤遥因此设计地勘尽管每墩渊台冤布设一个地勘钻孔袁也不能完全揭示桩基范围的地质情况渊尤其是群桩基础冤袁这就存在在桩周或桩底有岩溶空洞的可能遥在灰岩地质区域设计了嵌岩桩袁若设计没有增加施工过程中基桩终孔前需进一步确认地址情况的相关说明袁那么施工单位就会按设计桩长施工袁从而导致桩周或桩底存在岩溶空洞情况下袁该基桩在使用过程中就会存在较大的质量安全风险遥

比如袁某高速公路6#桥2#墩的基桩设计就因上述设计问题导致该桥梁嵌岩桩按照设计的10长进行施工完成后袁通过物探检测显

254LOWCARBONWORLD2018/7示该桥梁2#嵌岩桩桩底以下存在1~8m深度的岩溶裂隙发育区和强/中风化基岩袁对桥梁安全及质量存在不利影响遥如图1所示袁即为某高速公路6#桥2#墩的基桩原设计图遥

图1某高速公路6#桥2#墩的基桩原设计图

根据上述桥梁嵌岩桩设计图袁由于缺少施工过程中基桩终孔前需进一步确认地址情况的相关说明袁导致按照设计桩长10进行施工完成后采用物探检测显示院该高速公路6#大桥2#墩的1~2#桩之间以3#及1#桩桩底以下1~8m深度为岩溶裂隙发育区袁同时袁工的桩桩安全底和质量存在为强/中风化较基大岩危遥害由此袁根可据见该袁该桥设计梁进嵌行岩施桩工设计2#的桥对墩梁实的工际0~程施安全及质量风险较为突出遥如图2所示袁即为上述高速公路6#大桥2#墩嵌岩桩设计施工后物探检测的剖面示意图遥

图2某高速公路6#大桥2#墩嵌岩桩设计施工后物探检测的剖面图

针对上述设计问题袁为避免类似情况发生袁对桥梁安全及质量产生不利影响袁在灰岩地质区域的桥梁基桩设计中要慎重考虑嵌岩桩袁并在设计说明中添加以下施工注意事项的说明院

渊1冤桥梁桩基钻渊挖冤孔施工过程中必须做好钻渊挖冤孔记录袁并留存不同地质的渣样渊记录及渣样必须每天由监理签字认可冤袁以备需重新验算桩长时参考遥若发现地质与设计不符请及时与设计单位联系曰

渊2冤嵌岩桩钻渊挖冤至设计孔底标高后必须进行桩底地质探测袁检测桩底之下5m范围的地质是否满足基桩的受力要求袁确认满足设计要求后方可终孔遥其中袁第渊1冤条说明适用于所有的桩基袁第渊2冤说明则主要适用于灰岩地质区域的嵌岩桩遥如图3所示袁即为针对上述灰岩地区桥梁嵌岩桩设计问题进行变更加固设计示意图遥

绿色交通图3变更加固设计示意图表1一个承台材料数量表

编号直径渊mm冤单根长渊cm冤根数共长渊m冤共重渊kg冤准10防裂钢筋网C30混凝土

21准28954.189216142.72152.6643准28准准2828354.1162.892862.21

2924616134.3265准准22221272.8223.3672.8164646203.65309.491821.94898.35

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87准22894449准准16162941616143.0498.2547.04300.33

注院

淤于图中尺寸钢筋直径以毫米盂如大在承样承合袁钢合钢筋顶筋数面与量和桩计侧基列面钢在分别筋干计材料设置扰袁时其数量一袁余表层可均中10cm适以当移动厘米为遥

伊10cm台单约钢位筋遥

准10以保防证裂桩钢基筋桩网筋袁位置在图准确中只遥

示出钢筋网4结总之语

袁岩溶地区桥梁桩基设计情况较为复杂袁通过对岩溶地区桥梁嵌岩桩设计及有关注意事项的总结分析袁有利于针对设计实践中存在的不同情况及问题提供相应的思路和参考袁促进岩溶地区桥梁嵌岩桩设计应用袁具有十分积极的作用和意义遥

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