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摘要：石灰岩地区由于岩溶的存在，对桥梁基础危害极大。本文分析了岩溶地区桥梁桩基础设计的一些基本原则，并且在湖南桂武高速的工程设计实例中采用了此设计方法，工程建成安全运营多年，说明该设计具有较高可靠性。
关键词：岩溶地区桥梁基础顶板安全厚度
喀斯特地貌，因前南斯拉夫西北部伊斯特拉半岛碳酸岩高原所具有的典型特征而得名，主要表现为可溶性岩石经受水流溶蚀、侵蚀以及岩体重力崩落、坍陷等作用过程，形成于地表和地下各种侵蚀和堆积物体形态的总称。在我国，这种可溶性石灰岩，也有较广泛的分布。其在地表下形成的溶洞对于桥梁基础的设计有很大的安全隐患，是我们进行岩溶地区桥梁设计的重点与难点之一。岩溶地区桥梁基础的设计，必须要综合考虑安全、经济等各方面的因素，以确定合理的基础方案。
一、桥梁基础选择概述
在实际设计中，由于灰岩强度一般都较高，因此扩大基础有很好的适应能力，并且对于溶洞埋置较深的情况，若能合理利用上层溶洞的顶板强度而采用扩大基础，在经济上，将具有很高的价值。但是，由于勘察设计中不可能非常准确探明基础下溶洞的具体大小与形态，而只能通过物探以及定向钻探进行初步探明，所以扩大基础的使用有一定的安全隐患，并且在一些较高桥墩中，扩大基础对于桥墩稳定性有很大影响，所以，在岩溶地区的桥梁基础设计中，桩基础还是应用最为广泛的基础结构型式。但同扩大基础一样，溶洞对桩基的承载能力也有着重大影响，溶洞直接影响桩周摩擦力与桩端抗阻力。特别是当桩周顶板厚度不够时，在桥梁荷载作用下，顶板被压碎，从而使桩基承载能力损失而引起桥梁结构的破坏是桩基设计中必须避免的！另外，因“逢洞必穿”的思想而造成的桩基过长，使岩溶区桩基在施工过程中可能引起的斜桩、卡钻、塌孔、扩孔、埋钻甚至断桩等一系列施工事故的可能性极大增加，也是设计应该考虑的。因此，岩溶地区的桥梁桩基础设计，必须在结构安全的前提下，综合考虑施工与经济等各方面因素，采用最合理的桩长与桩径。
二、桩基础计算基本方法
在进行岩溶地区的桥梁桩基础设计之前，必须有充分的地质勘探，以期探明基础下岩溶发育程度及岩溶形态的空间分布。具体为先进行物探，根据物探查明的岩溶初步状况，再对每个桩基础进行逐桩钻孔。结合物探和逐桩钻孔的情况，就可以对基础下地质情况有一个基本了解。对于某些重要基础或者钻孔揭示地质复杂的桩基，还可以通过采用一桩多孔等方式进一步具体探明桩基下溶洞的分布情况。
在桩基础设计中，对于桩位以下较浅范围内的，不断有溶洞穿越，并且钻孔揭示深度有限，部分溶洞顶板无法满足嵌岩桩的深度要求，可以通过摩擦桩进行考虑。在桩基计算中，不考虑桩端的抗阻力作用，这样在承载能力上就能有一定安全储备。
在桩基础设计中，对桩位以下较深范围内的，有较密集的溶洞，桩基无必要完全穿越所有溶洞，可以采用相对较厚的溶洞顶板作为桩端持力层，以减小桩长，提高经济性。因而，正确计算持力层安全厚度就是此类桩基础设计的关键了。
设计时，可以根据岩溶区基桩桩端受力特性，按照极限平衡法对溶洞顶板建立极限平衡模型。假设一定的稳定安全系数下，桩端作用在顶板的力与顶板岩石的抗力存在一种极限平衡，当桩端力大于顶板岩石所能承受的抗力时，平衡破坏。根据岩石的一般破坏特性，按照抗冲切、抗剪切、抗弯三种模式建立极限平衡模型[1]进行计算分析。
⑴按抗冲切计算
按抗冲切计算时，桩端岩溶顶板抗冲切极限平衡分析模型为：
（1）
式中，K1为桩端岩溶顶板抗冲切安全系数；h为冲切锥台高度（m），由持力岩层厚度减去基桩嵌岩深度得到；为冲切锥台的冲切角，与岩体特性（矿物成分、结构与构造和微裂隙分布）及其所受应力状态等有关，一般取45°；σt为顶板岩体抗拉强度（kPa），按工程地质报告选取或者取饱和单轴抗压强度的1/10。P为桩端荷载（kN），采用按承载力确定嵌岩深度时所取桩端荷载。
在此种极限平衡模型下，主要验算桩端下（以桩周45°斜截面以下）岩石的抗冲切能力，保证在桩端荷载P作用下，溶洞顶板岩石不至于发生冲切破坏。
⑵按抗剪计算
按抗剪计算时，桩端岩溶顶板抗剪极限平衡分析模型为
（2）
式中，K2为桩端岩溶顶板抗剪安全系数，为顶板岩层重度（kN/m3），σs为顶板岩体抗剪强度（kPa），对于石灰岩取饱和单轴抗压强度的1/12。
在此种极限平衡模型下，主要验算桩端下岩石的抗剪能力。其中抗剪面取桩周以下截面，在平衡模型下，该截面的抗剪能力与桩端荷载（包含截面内岩石的重力）之比大于抗剪安全系数。
⑶按抗弯计算
按抗弯计算时，桩端岩溶顶板抗弯极限平衡分析模型为
（3）
式中，K3为桩端岩溶顶板抗弯安全系数；σb为岩体抗弯强度（kPa），取饱和单轴抗压强度的1/10；M为岩溶顶板所受最大弯矩（kN/m）；b为顶板计算宽度（m），可取为基桩的计算宽度，其中，圆形截面半径按照下式换算成方形截面边长：
（4）
若假定桩端下溶洞的跨径为l，梁板的计算宽度可取基桩的计算宽度，且认为桩的计算宽度与溶洞跨径之比b/l较小，故可导得梁板的最大正、负弯矩分别为：
（5）
（6）
式中，H为溶洞顶板以上各土层厚度总和（m）；γ为溶洞顶板以上各土层加权平均重度（kN/m3）。
在此极限平衡模型下，假设溶洞顶板作为一个两端固定的连续梁，而桩端荷载作为集中荷载作用在此连续梁[2]上。通过建立极限平衡模型，保证在桩端荷载P的作用下，该连续梁抵抗弯矩能力满足平衡条件。
根据上述三种计算模式，分别计算各种极限平衡模型下的顶板最小厚度。而取计算结果的最大值作为该桩基下溶洞的最小顶板安全厚度h的要求值。通过对最小顶板安全厚度h与桩基嵌岩深度之和的判断就可以知道持力层溶洞顶板是否符合设计要求了。
三、工程设计实例
湖南省桂武高速公路地处湘西南较典型的喀斯特地貌，地质以灰岩为主，在进行桥梁基础设计时，通过地质勘探发现，大部分桥梁基础下岩溶发育。下面为一个采用极限平衡法进行溶洞顶板计算的设计实例。
桂武高速门口河大桥为10-40m连续T梁结构，地质钻孔显示，岩溶特别发育。其中3号桥墩为三柱式桥墩，平均墩高26.18m。其3-5号基桩，地质钻孔显示：①0~2.3m：粉质粘土层；②2.3~4.0m：粘土层；③4.0~18.6m：中风化灰岩，岩石较硬，岩体完整；④18.6~20.7：溶洞，无填充物；⑤20.7~26.8：中风化灰岩。由钻孔资料显示，该桩基在地下18.6m至20.7m处出现一个中型溶洞，根据相关物探报告及相邻钻孔揭示，溶洞最大跨径达到5m。若要采用桩基础穿越此溶洞，必须穿过顶板14.6m较硬灰岩，若能利用此溶洞顶板，采用合理基础型式或者较短桩长，将有效降低施工难度并具有一定经济性。对于扩大基础的方案，因为该桥墩高较高，达到26.18m，因此，扩大基础对于桥墩稳定性计算不能满足要求，必须采用桩基础设计。在满足最小设计桩长的前提下，桩底至溶洞顶的顶板厚度还有6m，通过抗冲切、抗剪和抗弯分别计算的最小顶板安全厚度h如下：
⑴抗冲切计算
根据地质勘查报告，桩端下岩石的饱和单轴抗压强度frk=59.5Mpa，因此可取岩体抗拉强度σt=5950kPa。另d=2.0m，=45°，P=9922KN。安全系数K1取3，代入公式（1），计算得：h=0.62m
⑵抗剪计算
顶板岩体的抗剪强度σs取桩端下岩石的饱和单轴抗压强度（frk=59.5Mpa）的1/12，故σs=4958kPa。另d=2.0m，岩石容重γ=20kN/m3，P=9922KN。安全系数K2取3，代入公式（2），计算得：h=0.99m
⑶抗弯计算
顶板岩体的抗剪强度σb取桩端下岩石的饱和单轴抗压强度（frk=59.5Mpa）的1/10，故σb=5950kPa。另计算b=1.77m，由l=5m以及P=9922KN计算M=11339KN.m安全系数K3取3，代入公式（3），计算得：h=4.40m
通过以上三种计算可以看出，在安全系数取3的情况下，桩底6m的溶洞顶板厚度还是足够的，有一定安全储备。在设计中，可以采用此顶板作为桩端持力层。
四、结论
在岩溶区桩基设计中，对利用某一溶洞顶板作为桩端持力层必须要进行充分的论证计算。本文通过建立溶洞顶板岩石与桩端力的极限平衡模型，按照抗冲切、抗剪、抗弯分别计算溶洞顶板的强度，可以较合理的确定桩端下要求的最小岩石顶板厚度，为设计人员在桩长的设计中提供依据。桂武高速在设计中，部分桩基础设计采用了以上计算方法。目前项目建成运营多年，桥梁结构安全，证明该计算与设计方案是安全可行的。
参考文献：
[1]赵明华，袁腾方；岩溶区桩端持力岩层安全厚度计算研究[J]；公路，2003（1）
[2]赵明华，曹文贵，何鹏祥；岩溶及采空区桥梁桩基桩端岩层安全厚度研究[J]；岩土力学，2004（1）