試論橋梁巖溶地基的處理技藝
2016-10-21
我國西南地區(qū)巖溶發(fā)育豐富，抵制復(fù)雜，在西南地區(qū)修建鐵路、公路就不可避免地會遇到巖溶地基。下面就滬昆客專1號大橋巖溶地基的處理做簡要介紹。
一、巖溶的常見形態(tài)及類型
巖溶為可溶性巖層的特有現(xiàn)象，其表現(xiàn)形式有溶洞、溶槽、溶芽、溶溝等。它們是由地下水對可溶性巖石進行溶蝕和機械侵蝕作用而形成的地下空洞，其形態(tài)多樣，大部分洞身曲折、支洞多，無經(jīng)常流水，常見有不同高度重疊分布的大型復(fù)雜溶洞。橋梁應(yīng)盡量避開溶洞群，特別是橋梁墩臺。當(dāng)由于某種原因不可避開、需要跨越時，要高度重視它對橋梁的危害性，針對具體溶洞情況采取相應(yīng)的工程措施。
二、橋梁地基遇到溶洞時常用的處理方法
由于溶洞的規(guī)模和類型不同，它們對橋梁穩(wěn)定性的影響程度也不同，當(dāng)然對其處理的方法也應(yīng)有所不同。
1、加固地基（擴大基礎(chǔ)）
（1）當(dāng)溶洞頂覆蓋較薄，可采用清爆的方法，揭露溶洞充填物，以便清除、換填，或使充填物風(fēng)干，提高地基的強度。溶洞若在基底設(shè)計高程附近或以上時，可采取換填方法處理，并要符合下式要求
H≥（Q/[σ]-b）/（2tanβ）
式中H———換填層厚度，m；
Q———換算荷載（kN/m）；
β———換填材料的壓力分布角（°）；
[σ]———溶洞充填物的基本承載力（kPa）；
b———換填材料頂面寬度（m）（基礎(chǔ)側(cè)面加0.3m）。
同時，要求最小換填厚度不得小于2m。
?。?）若溶洞位于持力層范圍內(nèi)時，清除覆土及原填充的土質(zhì)，視溶洞寬窄分別打入小鋼軌，用漿砌片石或混凝土填塞，設(shè)置鋼筋混凝土蓋板或基礎(chǔ)內(nèi)部加鋼筋網(wǎng)。
（3）對于溶洞埋藏不深，洞中有較厚的碎塊石堆積物，可采用壓漿的方法使其固結(jié)。對于粘性土、砂類土等以細(xì)顆粒為主的堆積物地基，可采用旋噴樁方法加固。
?。?）若溶洞位于基底以下一定距離，且符合完整頂板厚度與跨長之比小于2.0，或溶洞跨長大于8m、但厚跨比值大于2.0；頂板巖層完整性較好，溶洞形態(tài)大小探測清楚，一般認(rèn)為地基不需加固。
2、樁基礎(chǔ)
樁基礎(chǔ)是處理橋梁巖溶地基最有效的方法。設(shè)計與施工時應(yīng)注意的基本原則如下。
?。?）當(dāng)橋梁地基下的溶洞較大，埋藏較深，但又不滿足頂板厚度檢算要求時，只能采用樁基礎(chǔ)。當(dāng)巖面溶蝕高差大于1m或巖溶洞穴平面、剖面尺寸大于1m者，可溶性巖層埋深在8m以上，基底巖層部分缺角且無法嵌補，明挖或水下施工壓漿有困難等情況均可使用樁基處理。
?。?）鉆（挖）孔樁在穿過溶洞進入完整基巖中深度不得小于5倍樁徑，若實際值小于此項要求時，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)資料進行加深或驗算。
（3）對于樁尖下伏溶洞，是采取穿過溶洞還是樁尖立于溶洞頂，須根據(jù)檢算和經(jīng)驗設(shè)計。一般情況若完整基巖頂板厚大于10m且頂板厚與溶洞孔徑之比大于2時，基底以下溶洞可以不處理，否則應(yīng)該采用樁基穿過溶洞。
（4）對于挖孔樁，在樁身與基巖相接的側(cè)面上加打牽釘，當(dāng)遇有流塑狀粘性土體與有可能發(fā)生縮孔采用護壁仍不能保持?jǐn)嗝娉叽缯?，樁身尺寸適當(dāng)加大。
?。?）置于巖溶地區(qū)溶槽或溶溝處的樁基礎(chǔ)，當(dāng)樁穿過溶槽、溶溝內(nèi)的填充土支立于溶槽底面或溶溝底面的巖層上時，可按支立于一般巖層上的柱樁分析方法進行樁的內(nèi)力分析。樁的軸向容許承載力應(yīng)根據(jù)溶槽或溶溝底面巖層的好壞（包括強度和縫隙等情況）來確定。如果溶洞頂板很薄，而溶洞內(nèi)的底面很深，且洞內(nèi)填充土屬于密實穩(wěn)定，具有足夠強度，則樁底可穿過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時，可按摩擦樁進行設(shè)計。
（6）當(dāng)橋梁墩臺下地基有呈上下成串分布的溶洞時，在充分探明溶洞最下層分布的前提下，宜采用直徑不小于1.5m的鉆孔樁。若上面成串分布的溶洞均較小，且有填充物，可先在鉆孔至空洞時，先行壓漿加固填充物，待其凝固達到一定強度后，再依次往下鉆孔壓漿，直至按摩擦樁計算所需的樁長。若成串的空洞比較大，或溶洞大小探明困難，填充物較松散或沒有，也必須采用先鉆孔、拋石、壓漿填充空洞，再依次往下鉆孔、壓漿。但此時必須按柱樁進行計算，除非能確保空洞填充、壓漿密實，否則不能計算樁周摩阻力。
?。?）設(shè)計時應(yīng)重視樁基負(fù)摩擦力的影響。一般地基土石在擾動之后都會在自重的作用下固結(jié)下沉，特別是由于大量開采地下水而導(dǎo)致地基軟弱層相對樁基固結(jié)下沉，因而產(chǎn)生一個向下的摩擦力，即負(fù)摩擦力，從而增加了樁基所承受的軸向荷載，甚至可能導(dǎo)致樁基破壞。因此施工時，考慮在中性點（負(fù)摩擦力和正摩擦力分界點）以上用油毛氈或鋼套管（管內(nèi)抹油）作隔離層，消除負(fù)摩擦力的影響?？朔?fù)摩擦力的方法與解決巖溶層樁基破壞方法相似，但本質(zhì)不同。
?。?）當(dāng)基樁穿過多層巖溶層支立于堅固的巖層上時，不應(yīng)考慮多層巖溶層對樁側(cè)起摩阻作用，因為巖溶層與樁側(cè)之間的摩阻作用，在本質(zhì)上不同于一般土與樁側(cè)之間的摩阻作用。如果多層巖溶層與樁側(cè)之間粘結(jié)成一體，樁身軸向荷載如何分配給每一巖層，是一個非常復(fù)雜的問題，很可能在某一巖溶層與樁身粘結(jié)處，因受力集中首先出現(xiàn)摩阻破壞而導(dǎo)致整個樁基礎(chǔ)破壞。因此，通常不僅不應(yīng)考慮多層巖溶層對樁側(cè)的摩阻作用，而且在鉆孔灌筑樁施工過程中應(yīng)采取措施（例如采用麻布或油毛氈作隔層），將多層巖溶層與樁壁之間分隔開，使基樁承受的軸向荷載全部作用于樁底的堅固巖層上，按柱樁設(shè)計。如果根據(jù)受力條件，樁基底面可以支立于溶洞中的填充土內(nèi)時，則可考慮溶洞中填充土對樁身側(cè)壁的摩阻作用，如同一般摩擦樁一樣設(shè)計。此時，頂面巖溶層與樁之間亦應(yīng)采取隔離措施，不得考慮樁身與該頂面巖溶層之間的摩阻作用。
?。?）施工時，地下的溶洞一般較難填充滿，當(dāng)鉆孔至空洞頂板時，如果再往下鉆，下護筒時較易發(fā)生傾斜，導(dǎo)致樁身偏移。以滬昆客專龍海屯1號大橋巖溶樁基為例，該橋橋位處地基中溶洞滿布，8個橋墩基礎(chǔ)都遇到大小不一的溶洞。在施工時，當(dāng)鉆至離溶洞頂部1m左右時，準(zhǔn)備了足夠多的小片石及粘土，粘土要做成泥球（直徑15～20cm）；對于半充填和無充填物的溶洞組織了足夠的水源，在1～1.5m范圍內(nèi)變換沖程，逐漸將洞頂擊穿，隨時防止卡鉆；對于空溶洞或半充填的溶洞，在擊穿洞頂之前，派專人密切注意護筒內(nèi)泥漿面的變化，一旦泥漿面下降，迅速補水，然后根據(jù)溶洞的大小按1：1的比例回填粘土和片石，進行沖砸堵漏。要注意的是，只有當(dāng)泥漿漏失現(xiàn)象全部消失后才能轉(zhuǎn)入正常鉆進，如此反復(fù)使鉆孔順利穿越溶洞；對于特大型空溶洞或半充填的溶洞，為了防止孔壁坍塌，采用套筒隔離上部松軟地層的方法進行處理，本橋鉆孔樁均配備了8～10m的鋼護筒防止坍孔；對于溶洞內(nèi)充填物為軟弱粘性土或淤泥，進入溶洞后應(yīng)向孔內(nèi)投入粘土、片石混合物（比例1∶1）沖砸固壁。另外，也可采用大直徑樁，并盡可能多地往樁孔中填充粒徑不一的塊石、碎石。由于空洞較大，不可能填滿，拋入空洞中的塊石、碎石按塌落度理論堆積，當(dāng)堆至板頂以上一定高度時，再往石堆中間斷性地壓水泥漿。此時不排除水泥漿跑出一部分到石堆外的情況，但石堆在不斷壓漿的作用下肯定會粘結(jié)到一起，待其石堆強度達到一定程度時，可繼續(xù)往下鉆孔，并同時下鋼護筒。這樣，可較好地保證樁身的位置。對于這種樁基，樁底須嵌入溶洞底板完整巖層，樁周摩阻力亦不能計算。
總之，巖溶地基對橋梁的危害性非常大，設(shè)計與施工時必須高度重視。當(dāng)遇到巖溶地基時，首先必須探明其規(guī)模、類型，再對癥下藥。本文只是根據(jù)經(jīng)驗作一個簡要的介紹，實際應(yīng)用中，還要具體問題具體分析。但有一點必須強調(diào)，橋梁巖溶地基只能一次整治，不能避重就輕分階段進行，否則會后患無窮。
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