張子為
摘要 廣清城際北延線位于粵北巖溶強發(fā)育區(qū),全線以高架敷設(shè)為主,復(fù)雜巖溶條件下的橋梁樁基設(shè)計是勘察設(shè)計工作中的重難點。根據(jù)項目地質(zhì)環(huán)境特點,總結(jié)了巖溶樁基勘察設(shè)計過程中的常見問題,結(jié)合實例淺析了類似地質(zhì)條件下的樁基選型原則,對巖溶區(qū)普遍存在的不等長樁基受力及溶洞頂板安全厚度兩大最常見設(shè)計問題進(jìn)行數(shù)學(xué)分析,以典型案例計算為引總結(jié)分析相關(guān)受力規(guī)律并提出了指導(dǎo)性設(shè)計方法。
關(guān)鍵詞 巖溶地區(qū);基礎(chǔ)設(shè)計;不等長樁;溶洞頂板
中圖分類號 U443.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949(2022)10-0135-04
0 引言
我國約 1/3 國土面積地處巖溶區(qū),尤以西南及其周邊分布最為密集。因巖溶區(qū)地質(zhì)特點導(dǎo)致該區(qū)域工程勘察難度大、基礎(chǔ)施工風(fēng)險高、建設(shè)成本代價大[1-4]。文章以粵北巖溶強發(fā)育區(qū)的廣清城際鐵路北延線工程為例,總結(jié)分析了此類環(huán)境中基礎(chǔ)設(shè)計的的一些問題及處理原則,梳理了項目勘察設(shè)計過程中的一些代表性案例,對規(guī)范中尚無明確規(guī)定的不等長樁基受力及溶洞頂板安全厚度的問題予以計算分析,為類似工程的設(shè)計及施工提供一定參考。
1 工程概況
廣清城際北延線(以下簡稱該項目或該線)位于粵北清遠(yuǎn)市境內(nèi),線路全長19.736 km,設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為時速200 km無砟無縫城際鐵路,全線以高架橋梁敷設(shè)為主,橋梁長度占比為87.85%;結(jié)合地質(zhì)情況,全線橋梁均采用樁基礎(chǔ)。
沿線主要揭露的地層有第四系全新統(tǒng)(Q)人工堆積層與沖洪積層、泥盆系上統(tǒng)(D)泥質(zhì)粉砂巖、炭質(zhì)頁巖、粉砂巖及石灰?guī)r。線路所經(jīng)區(qū)域?qū)偃A南褶皺系粵中拗陷帶,位于花縣凹褶斷束北部,不良地質(zhì)主要以覆蓋性巖溶為主。巖溶發(fā)育情況定測期間判定為中等-強烈,隨著進(jìn)場后逐步補勘,揭露的強發(fā)育巖溶墩臺比例進(jìn)一步提高。此外部分墩臺位于灰?guī)r-砂巖交界段,基巖非常破碎,溶洞體量明顯偏大,巖面起伏大,甚至出現(xiàn)同一承臺半邊不足30 m見巖而另一半80 m仍未見巖的情況。該線灰?guī)r覆蓋層以全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖居多,該層風(fēng)化巖強度較好,但遇水易崩解,在地下水作用下,易在巖土界面形成土洞,一旦受到施工擾動,則快速失穩(wěn)坍塌,施工安全風(fēng)險高。
2 巖溶區(qū)橋梁工程勘察
目前鐵路工程巖溶區(qū)橋梁地勘按照分步實施、動態(tài)調(diào)整的原則開展。優(yōu)先實施角樁,并依此初判溶洞發(fā)育情況,若揭露巖溶中等或強烈發(fā)育則適當(dāng)增孔補鉆。該方式在鉆探初期有效保障了勘察效率,但隨著地質(zhì)核查及施工補勘的深入開展,純靠角樁控制的方式暴露了一些問題。
(1)該項目青欖海特大橋某墩12根樁定測期間僅鉆了四個角樁,未發(fā)現(xiàn)有溶洞,但該墩前后墩臺巖溶均為強烈發(fā)育。實際施工時,施工單位按照溶洞不發(fā)育選擇了泥漿比重偏低、護(hù)壁效果較差的旋挖鉆工法,鋼護(hù)筒下放長度也偏短,在實施某無鉆孔樁基時,因潛伏溶洞頂板破裂,導(dǎo)致塌孔、地表塌陷。后經(jīng)逐樁補鉆,7根樁揭露有溶洞,巖溶發(fā)育情況為中等-強烈。
(2)該項目燕湖新城西特大橋某墩首次地勘僅在4、5號樁中心施鉆,其中4號鉆孔未考慮臨近5號孔溶洞橫向發(fā)育的可能,應(yīng)設(shè)計專業(yè)要求在4號樁邊緣靠近5號孔方向補鉆一孔,實勘證明溶洞已經(jīng)侵入原擬定的樁底區(qū)域,若僅按自身鉆孔確定樁底標(biāo)高,擬設(shè)計樁底距離溶洞頂板底僅不足3 m,承載力難以保證。
針對與上述問題,該項目增加了強發(fā)育巖溶區(qū)的樁基鉆探量,設(shè)計時除了考慮樁基自身鉆孔資料外,也充分結(jié)合臨近鉆孔情況綜合判斷溶洞分布,必要時通過孔位微調(diào)、補增鉆孔的方式強化了斜巖、大溶洞邊界的探測。
3 巖溶區(qū)橋梁基礎(chǔ)設(shè)計
3.1 基礎(chǔ)類型選擇
根據(jù)基礎(chǔ)與覆蓋層、灰?guī)r層的位置關(guān)系,可分為接觸巖面和非接觸巖面兩類。前者以嵌入灰?guī)r的柱樁為主,后者以摩擦樁、擴大基礎(chǔ)、沉井基礎(chǔ)等為主,基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)本身不接觸灰?guī)r,不擾動灰?guī)r天然平衡狀態(tài),充分利用巖體長年累月自重作用下的穩(wěn)定性。
采用非接觸巖面的基礎(chǔ)方案要非常慎重,以摩擦樁為例,首先要確保下臥灰?guī)r層整體完整穩(wěn)定,在基礎(chǔ)附加應(yīng)力下不致引起巖體頂板垮塌失穩(wěn);其次樁底距離巖土界面要保持足夠距離,一是減少樁基對下層灰?guī)r的擾動,二是前文提及巖土界面處有一定概率出現(xiàn)土洞,尤其是地下水豐富、灰?guī)r表層破碎時,更要保證足夠的安全距離。同時即便設(shè)計成摩擦樁,也應(yīng)開展逐樁鉆探排查土洞存在的可能性。
參照建筑基礎(chǔ)規(guī)范[5] “當(dāng)基礎(chǔ)底面以下的土層厚度大于三倍獨立基礎(chǔ)底寬,或大于六倍條形基礎(chǔ)底寬,且在使用期間不具備形成土洞的條件時,可不考慮巖溶對地基穩(wěn)定性的影響”,結(jié)合項目特點,認(rèn)為覆蓋層經(jīng)鉆探排查無土洞發(fā)育且樁底距離灰?guī)r頂面超過3倍承臺短邊寬度,同時下方的灰?guī)r層溶洞頂板厚度超過3 m時,可考慮設(shè)計為摩擦樁,若下層溶洞頂板較厚、溶洞內(nèi)為全填充、灰?guī)r覆蓋層為不透水土層時,可適當(dāng)放寬樁底距巖面最小距離的要求。同時樁基布置上宜采用小樁徑、多根數(shù)的布置方式,以縮短樁長分散應(yīng)力。
作為無砟軌道,沉降變形也是控制基礎(chǔ)設(shè)計的關(guān)鍵。采用摩擦樁時除了要驗算整體沉降外,還應(yīng)結(jié)合基底下巖面起伏情況判定是否會因樁底壓縮層厚度不同導(dǎo)致同一承臺的差異沉降。北江特大橋某墩承臺一側(cè)深度約32 m見巖,另一側(cè)超過70 m深仍未見巖。即便通過增加樁數(shù)可保證樁長28 m時樁基承載力及整體沉降滿足要求,但由于承臺橫向兩側(cè)樁基樁底壓縮層厚度差異,承臺橫向?qū)a(chǎn)生約7 mm的沉降差,即0.01 rad的傾角,最終綜合分析后,通過調(diào)跨避讓了該處不利地質(zhì)。
當(dāng)溶洞始終呈串珠狀分布,樁基無法進(jìn)入完整基巖時,也可考慮設(shè)計為嵌巖的摩擦樁。承載力計算時,僅統(tǒng)計灰?guī)r層內(nèi)各溶洞隔板的累計有效側(cè)阻力,一般認(rèn)為有效的隔板厚度不應(yīng)小于1 m,并取消樁底豎向抗力,按照[P]=RCUh計算。以常見的1.25 m樁基為例,C按0.02取值,R值在該線均值基礎(chǔ)上適當(dāng)折減取用15 MPa,經(jīng)計算當(dāng)灰?guī)r層內(nèi)溶洞隔板累計厚度超過6 m時,樁基承載力基本超過設(shè)計控制上限值7 000 kN,滿足受力要求,同時出于安全,還應(yīng)保證樁底立于隔板厚度不小于3 m的完整巖層上。
3.2 不等長樁的受力計算
灰?guī)r區(qū)樁基受巖面起伏、溶洞分布影響,同一承臺各樁長難以一致,目前群樁樁基主要采用基于等樁長的“m法”計算,面對不等長樁,仍按等長樁計算得出的樁基內(nèi)力和實際情況會存在一定差異,以項目中常見的8根1.0 m嵌巖樁為例,分別建立等長與不等長群樁有限元模型,m值取用5 000 kPa/m,樁土間不考慮豎向約束,水平約束按土彈簧計,等長樁樁長30 m,不等長樁25~36 m不等,但平均長度30 m。
分別在墩頂施加縱、橫及豎向力,兩種情況樁基受力對照情況如圖1、圖2、圖3。
由圖可見:(1)由于短樁剛度高,內(nèi)力分配上明顯長度更短的樁基分配的內(nèi)力更多。其中墩頂水平力下分配的差異較大,樁頂豎向力最大差異超過20%,而墩頂豎向力下兩者最大差異為6.5%。
(2)水平力產(chǎn)生的彎矩主要由群樁豎向反力平衡,因此等長與不等長樁基彎矩結(jié)果差異不大,不超過1%。
(3)由于不等長樁各樁剛度不同,純豎向力作用下,樁身會產(chǎn)生額外的彎矩和剪力。該內(nèi)力大小一方面取決于樁長差異,另一方面與土層 m值及樁徑有關(guān),經(jīng)測算提高樁徑至1.25 m,彎矩值提了43%,維持樁徑不變,提高 m值至7 500 kPa/m彎矩值提高了8%。
目前鐵路設(shè)計院在群樁計算時普遍采用“空間樁基優(yōu)化設(shè)計繪圖程序”(B89),該程序在計算時也考慮了各樁的差異性。結(jié)合該項目中較常見的(32+32)m簡支梁橋墩具體受力情況,選取兩組控制性荷載組合,對比等長樁基及不等長樁基分別按B89和有限元計算的差異。
經(jīng)計算B89與有限元計算結(jié)果基本吻合,兩者誤差不超過3.6%。鑒于B89計算便捷,誤差可控,對不等長樁基的計算可在該項目上推廣使用。但無論采用何種方式計算,不等長樁與等長樁基樁頂力均有較大差異,采用B89計算時最大誤差9.3%,采用有限元計算時最大誤差12%。因此巖溶區(qū)樁基樁長度差異較大時必須單獨驗算分析。
3.3 溶洞頂板安全厚度及穩(wěn)定性判斷
鐵路橋梁基礎(chǔ)規(guī)范[6]中尚無關(guān)于巖溶區(qū)溶洞頂板安全厚度的明確規(guī)定或計算方法,公路橋涵基礎(chǔ)規(guī)范[7]中提出溶洞頂板厚度不宜小于3d。部分文獻(xiàn)[8-9]結(jié)合試驗數(shù)據(jù)及理論分析,提出了將溶洞頂板視為板、梁結(jié)構(gòu),驗算其抗彎、抗剪及抗沖切能力,并提出了相對簡化的計算方法。為了便于了解溶洞頂板承載力的規(guī)律,找出適合該項目常規(guī)情況下合理的頂板厚度,參照上述文獻(xiàn)中按板、梁模式的簡化算法進(jìn)行對比分析。計算模型分別按圓形等厚板、正方形等厚板及寬梁考慮,約束情況按照全部簡支及全部固定分別計算,計算公式如圖4。
該項目灰?guī)r區(qū)常規(guī)簡支梁段落樁基主要以1.0 m和1.25 m樁徑為主,巖面深度基本超過20 m,根據(jù)嵌巖樁受力機理,樁端承擔(dān)的荷載隨著樁長增加而逐漸減少,目前尚無明確的分擔(dān)比例,出于保守,計算時按照1.25 m樁徑,樁底分擔(dān)5 000 kN計算各種模式的承載能力,泊松比取0.26。按照不同計算方法及不同頂板跨度依次計算頂板厚度2~6 m范圍的巖石最大拉應(yīng)力。
由圖5可見,按簡支寬梁和圓形固結(jié)板計算的頂板應(yīng)力明顯異于其他模式。同時當(dāng)頂板厚度超過4.5 m后,各模式厚度-應(yīng)力曲線基本趨于平緩,說明頂板厚度對頂板應(yīng)力的影響逐步變小。當(dāng)厚度超過4.5 m后,按圓形簡支板、矩形簡支板、矩形固結(jié)板、固結(jié)寬梁模式計算的結(jié)果非常接近,且頂板最大拉應(yīng)力均低于500 kPa。取用上述成果相對一致的四種模式里略偏保守的圓形簡支板進(jìn)一步分析不同溶洞跨度條件下各頂板厚度對應(yīng)力的影響時發(fā)現(xiàn),隨著頂板的增厚,不同頂板跨度下的應(yīng)力差異越來越小,當(dāng)頂板厚度超過4.5 m時,跨度60 m與20 m最大拉應(yīng)力差160 kPa,當(dāng)頂板厚度達(dá)到6 m時,二者僅差90 kPa。
以上計算從板、梁受力情況推擬了溶洞頂板的受力狀態(tài),雖然計算參數(shù)的選取可能會與實際溶洞形態(tài)及巖石物理性質(zhì)有一定出入,且計算時未考慮覆土壓力、多樁基作用等情況,但結(jié)合參考文獻(xiàn)中的一些試驗數(shù)據(jù),能夠基本明確溶洞頂板承載力的共性規(guī)律:
(1)溶洞頂板承載力僅與板、梁的尺寸、約束情況及材料有關(guān),與溶洞洞高無關(guān)。承載力特點類似板、梁結(jié)構(gòu),隨著溶洞頂板厚跨比的增加而提高。
(2)根據(jù)部分仿真分析[10],同一頂板跨度下,樁基承載力隨著頂板厚度增加而增加,但當(dāng)頂板厚度超過3倍樁徑時,承載能力增幅平緩。該節(jié)計算分析中也得出了類似結(jié)論,即頂板厚度超過4.5 m(約3倍樁徑)頂板應(yīng)力受溶洞跨度影響較小,該結(jié)論與《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中建議的3d安全厚度基本吻合。
由于巖溶區(qū)巖石完整程度及溶洞頂板真實狀態(tài)很難精確判斷,任何計算方法與實際情況都會存在一定出入,因此該項目常規(guī)簡支梁段落嵌巖樁在規(guī)范建議值基礎(chǔ)上適當(dāng)提高標(biāo)準(zhǔn),除需滿足樁底距離溶洞頂板底層不小于3d的基本要求外,當(dāng)樁長按摩擦樁計算承載力無法滿足要求時,還應(yīng)執(zhí)行樁底距離溶洞頂板底不小于5 m(連續(xù)梁等大跨結(jié)構(gòu)單獨分析)。
4 結(jié)束語
該文基于廣清城際北延線勘察設(shè)計及施工過程中的一些具體情況,總結(jié)了巖溶區(qū)樁基常見問題的解決思路和處理原則。就受力分析中比較關(guān)注的不等長樁基及溶洞頂板穩(wěn)定性進(jìn)行了定量分析,梳理了其力學(xué)規(guī)律,并提出了便于設(shè)計的參考數(shù)據(jù)。通過對該項目的技術(shù)總結(jié),進(jìn)一步指導(dǎo)項目后續(xù)工作的開展,同時也為類似工程的設(shè)計及施工提供一定參考。
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