对岩溶地区铁路大桥溶洞桩基施工技术探讨
摘要:本文通过对某铁路大桥溶洞桩基设计及施工,结合岩溶地质发育形态,总结岩溶发育地区桥梁基础地质勘探、洞顶板安全厚度计算,并对桩基设计及施工等应注意的问题进行了详细的阐述.
关键词:岩溶地区，桩基础设计，桩基施工
一工程概况
在我国西南地区修建铁路、公路,不可避免地会遇到岩溶地基。对于岩溶发育地区的桩基,如何准确确定桩基持力层高程,如何在桩基设计、施工过程中确保桩基工程质量,如何采用安全、经济、合理的桩基设计及溶洞处理方案,是桩基设计人员普遍关注的问题。
本文以某穿越岩溶地区的铁路大桥桩基础的设计及施工为例,探讨岩溶地区桥梁桩基础设计及施工的技术措施。该桥桥区地质条件复杂,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,下伏基岩为石炭系灰岩,地层自上而下可分为:①第四系冲积层,亚粘土、粉细砂、圆砾卵石层交错分布,层厚1.6～10.9m;②强风化页岩,半岩半土破碎块状,层厚3.20～32.2m;③弱风化灰岩,岩芯呈碎块状,裂隙发育,层厚1.10～5.00m;④微风化灰岩,块状构造。节理裂隙发育,溶隙及溶洞极发育。本区溶洞层数最多达11层,一般在7～8层,溶洞最高约10m。全桥30根桩基处于溶洞区,在桩基施工过程中增加了10根溶洞桩基。
二溶洞本身存在的问题解决
溶洞问题的存在本身就有三大难点期待解决:
2.1溶洞的孔壁情况以及大小、位置不清等会对冲击钻头运行情况造成隐患,如卡钻、掉钻等;
2．2溶洞的连通情况无法准确了解,这会造成孔内泥浆急剧下沉,钻孔过程中的内外水头失去平衡,有可能造成孔壁坍塌事故的发生;
2.3溶洞的走向不明,加上施工超前钻只能在桩位以外进行地质层的揭示,从某种意义上来说,勘探资料无法提供准确的地质分布状况,正是这种模糊的参考资料,造成施工中极大的盲目性。
传统的地质钻探方法在非灰岩地区、岩溶不发育地区,因地质匀质性较好,作为判明地基承载力,地质分层情况的方法是十分有效的、可行的;但是,在岩溶发育地区,该方法却存在一定的局限性,地质钻孔取样所提示的地质条件并不能完全反映桩位处岩溶、裂隙的发育状况。因此,在初勘阶段,地质部门就应采用钻探与物探相结合,物探的优点是效率高、成本低、仪器和工具比较轻便、探测的范围比较广而全。虽然物探较难得出肯定的结论,但通过物探,对整个场地的地质有了较全面的了解,初步探明地质异常区,再与钻探相结合,对指导地质判断,合理布置钻孔、减少钻探工作量等方面能起到良好的作用。由于岩溶发育规律性不强,加上钻探本身也存在较大的局限性,初勘阶段的工作重点应放在探明岩溶发育强度及分布规律上,而不要过多地考虑桥梁桩基的具体位置。建议在岩溶发育地区,应根据桥梁跨径、岩层分布等情况选择合适的物探方法进行补充勘探,以做到经济、合理、安全、可靠地探明桩位处的地质,确保工程安全。
桩基施工前,对桩基穿过石灰岩地层的溶洞分布情况,特别是每根桩基深度范围内溶洞分层高程、填充体、暗河水流情况的地质资料勘探清楚,尽可能做到每根桩基1孔或多孔钻探;若对大直径桩岩溶情况难以判断,每桩须钻2个或3个地质孔,探明设计桩位与溶洞的关系,如溶洞分布面积大、层数多竖向溶沟,为减少施工难度和投资,可加大桥梁跨度,减少桩基工程。
由该桥的勘探实践证明,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1.5m以上的桩基,必要时可用一桩三孔查明溶洞分布情况,并在桩基孔施工中,基岩面露出后,在其四周布孔,准确查明桩基直径范围内一定深度的岩溶发育情况。
三设计体会
3.1针对桩位下较深范围内,有密集型溶洞和完整岩性埋置较深的情况,或者溶洞分布较浅、顶板较薄无法满足嵌岩桩要求时,可考虑采用摩擦桩,并应考虑基础的不均匀沉降。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。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,不应考虑多层岩溶层对桩侧起摩阻作用,仅将这种摩阻作用视作安全储备。通常不仅不应考虑多层岩溶层对桩侧的摩阻作用,而且在钻孔灌注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,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稳定性(包括强度和缝隙等情况)确定。
3.2岩溶地区的岩石裂隙发育,赋存丰富的裂隙水和岩溶水,桩基施工可能会出现渗水、漏浆,桩底沉淀土难以清除,在设计中应不计桩尖抗力的作用,以策安全。
3.3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。
3.4对于采用的嵌石桩,无论公路桥规或铁路桥规,对桩底以下完整基岩的厚度,均未作规定。而采用物探方法仅能探明4～5m深的范围,给岩溶地区桩基的设计带来一定的困难。因此,要结合实际情况,采用适当的桩基形式和计算方法。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≮1.5m的钻孔桩。若上面成串分布的溶洞均较小,且有填充物时,可在钻孔至空洞时,先行压浆加固填充,待其凝固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。
3.5由于岩溶发育造成的复杂工程地质条件,因此桥梁设计时的有关地基设计参数如何取值一直为设计者所关注。合理的参数值,既可保证桥梁工程的质量,又可降低工程造价。以桩基容许承载力的取值为例。
当岩溶层上覆土层较厚,利用上覆土层作桩基持力层时,容许承载力按摩擦桩轴向受压的容许承载力计算方法计算。当桩基支承于厚度不小于6.0m的溶洞顶板上时,容许承载力按柱桩轴向受压的容许承载力计算方法计算,同时注意桩的邻近岩溶情况,分析判断顶板的稳定性。