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《岩溶地区公路桥梁桩基设计与施工技术》可作为从事桩基工程和道路桥梁工程设计、施工、监理与管理的工程技术人员和科研人员以及相关高等院校教师和学生参考用书。
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| 目錄：
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序
前言
第1章 绪论
1.1研究背景
1.2国内外研究现状
1.3研究内容和技术路线
第2章 岩溶工程地质勘察
2.1岩溶地质现象
2.2岩溶工程地质问题
2.3岩溶工程地质勘察方法
2.4勘察方法比选及优化
第3章 溶洞顶板稳定性研究
3.1岩溶地区桩基作用体系模型简化
3.2溶洞顶板稳定性分析实例
第4章 岩溶地区桩基承载特性分析
4.1岩溶地区桩基承载力特性理论分析
4.2岩溶地区桩基承载力特性数值模拟
4.3岩溶地区桩基承载力修正
第5章 岩溶地区桥梁桩基设计理论
5.1岩溶地区桩基设计概述
5.2岩溶地区桩基设计理论
第6章 岩溶地区桩基设计与计算实例分析
6.1广东省江肇高速公路西江特大桥南引桥桩基设计
6.2南引桥段岩溶不良地质问题
6.3西江特大桥南引桥岩溶桩基分析与塌陷灾害处置
6.4广东省江肇高速公路西江特大桥南引桥墩设计方案探讨
6.5岩溶桩基承载力计算与分析
第7章 岩溶地区桥梁桩基施工技术
7.1岩溶地区桥梁桩基施工准备
7.2桥梁桩基施工过程监控
7.3桩基施工过程中不良岩溶地质条件处置技术
7.4岩溶区桩基试桩施工技术
7.5桩基施工过程监控实例分析
第8章 岩溶地区桥梁桩基检测技术与方法
8.1岩溶桩基承载特性试验概况
8.2岩溶桩基承载特性自平衡试验方法
8.3岩溶桩基承载特性试验结果分析
第9章 结论与建议
9.1岩溶地区工程勘察
9.2溶洞顶板稳定性
9.3岩溶地区桩基承载特性
9.4岩溶地区端承桩设计建议
9.5岩溶不良地质现象处置技术
参考文献
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第1章绪论
1.1研究背景
岩溶是水对可溶岩石的化学溶解作用与机械破坏作用以及由于这些作用所引起的各种现象的总称。岩溶的发生、发展须具备一定的条件。虽然条件是多方面的，但其中主要是岩石的可溶性与裂隙性，以及水的侵蚀性和流通条件。前者属岩性与地质构造问题；后者主要取决于水文地质及地貌条件。
我国岩溶地区，若按可溶岩分布面积计达344万km2，约占国土面积的三分之一；若按碳酸盐岩出露面积计达90.7万km2，接近国土面积的十分之一。岩溶地区主要分布在南方的云南、贵州、广西、四川、湖南、湖北、广东一带，以及北方的山西、山东、河南、河北一带。就广东地区而言，该地区地处祖国南疆，东南临海，地壳表层多半是沉积而成，石灰岩、白云岩、石膏等岩层分布广泛。由于地下水和地表水的长期作用，这些岩层产生溶蚀，以致沿岩层的构造形成各种岩溶现象。由于这些岩溶地带被其后来次生的风化或残积物所填充和覆盖，深埋于地下，对于公路工程来说，成为隐蔽式或半隐蔽式的病害。如果将工程建筑在其上，势必造成潜伏隐患，直接影响施工的质量和安全。
长期以来，广东省交通运输厅有关部门一直十分注重广东岩溶地区桥梁桩基处理方面的技术改进和创新。尽管各级主管部门都很重视岩溶地区桥梁桩基处理的质量控制问题，也取得了许多成果，但是，由于广东地处我国南部，地理位置和气候特征造就了广东岩溶地质的特殊工程性质，多表现为溶蚀、溶沟、溶槽、中小型串球状洞穴或单个小型洞穴，裂隙较为发育，且规律性不强的特点等，具有明显区域性特征，这些给岩溶地区桥梁桩基的设计、施工带来了很大的难度；再加之在造价、工程特点、管理体系等方面的特殊性，更给岩溶地区桩基的质量控制带来了巨大的挑战，使得在目前的公路建设中，特别是高等级公路建设中，在设计、施工和管理等方面仍出现质量问题和质量隐患。例如，岩溶地区桥梁桩基处理方法选择不当，造成岩溶病害或者是资金的浪费；施工过程安排不科学，导致施工质量出现隐患或者是延误工期；施工管理不到位或应急处理预案不完善，使得信息流通不畅未能将质量事故消灭在萌芽中或者是错过最佳处理时间等，检测技术和方法有待进一步完善和改进。
1.2国内外研究现状
岩溶地区桩基设计与施工技术理论和工程实践方面的主要研究成果集中在：岩溶勘察技术手段和方法、岩溶地区桩基顶板稳定性评价、岩溶桩基承载特性研究、基桩检测技术以及桥梁桩基施工与安全监控等方面。
目前，国内外的岩溶地质灾害探测方法主要包括：地面地质调查、浅层地震法、电法（电测探法、高密度电阻率法、瞬变电磁法、地质雷达、CSAEM法）、重力勘探、遥感信息技术、放射性测量 测井、CT扫描、管波等方法。岩溶现象是公路勘察、设计和施工中经常遇到的不良地质灾害，对工程建设的危害极大。在特定的范围内，由于岩溶发育的复杂性，需要采用多种勘察手段因地制宜地进行综合勘查，避免单方法、单参数的多解性和局限性所造成的缺陷，以最大限度地发挥各种勘探方法的优点，提供可靠的地质资料，提高地质勘察技术水平和效益。
溶洞顶板的稳定性分析包括定性、半定量和定量分析。在分析溶洞稳定性影响因素（包括洞体形态与埋藏条件、岩性及厚度、裂隙发育状况、岩层产状顶板情况、充填情况以及地下水等）的基础上，定性评价各因素组合情况下溶洞顶板稳定性，而溶洞稳定性的定量分析则包括梁模型、拱模型和板模型分析。
单一溶洞的承载力主要用梁、拱模型来进行分析。先根据溶洞的大致尺寸，判断在其上覆岩层中能否形成稳定的压力拱，如不能，则将其顶板作为梁结构，计算其承载力；如能，则因拱的拱底（非结构部分）范围恒包容溶洞于其内，溶洞的裂隙冒落带将以拱底面曲线为其终止界面，故拱的承载力将是该溶洞承载力的下限值。拱模型适用于覆岩较厚、埋深较大的溶洞，此时在溶洞上覆岩层中能形成稳定的压力拱。在板模型分析中，确定岩溶地区桩基持力岩层安全厚度时，其计算模型通常是将持力岩层视为一刚性底板，其上作用一垂直桩端荷载，此时底板可能出现冲切、剪切和弯拉破坏等。
公路桥梁大型桩基单桩承载力设计要求值大，某些单桩极限承载力甚至要求达到15000t以上，现行的测桩方法包括：单桩静载荷试验、动力测桩法、动静结合测桩法和Osterberg自平衡测桩法等（RaoandRamana，1992;任光勇和张忠苗，2004）。近年来，随着我国工程建设的发展，有关岩溶地区桩基工程的试验和研究内容越来越丰富，包括室内实验室试验、现场试验、理论分析以及数值模拟计算分析等，研究成果提高了我国岩溶地区桩基工程的设计和施工技术水平，同时也促进了我国高速公路建设中桥梁工程施工技术的发展（康厚荣等，2008）。
大直径嵌岩灌注桩是用人工挖孔或机械钻孔，并深入基岩使桩身嵌固岩体中的一种灌注桩。该类桩的特点是能充分发挥桩身强度和岩体承载力，适应性强，承载力高，且能大幅度地降低基础工程费用，在国内外工程界得到普遍推广和应用（刘松玉等，1998；TanandChow，2003;黄生根和龚维明，2004）。国内外许多专家学者对端承桩已作了大量的研究工作（刘兴远和郑颖人，1998；刘树亚和刘祖德，1999；KumarandWalia，2006;骆正荣等，2009；ChingandChen，2010;王勇刚，2010），但对岩溶发育地区嵌岩灌注桩的承载性状研究报道相对较少（艾凯和王静，2003；龚成中和何春林，2006；朱元武和刘春香，2008；王华牢等，2010）。人工挖孔桩是当前我国大直径桩的主要桩型之一，这种桩的主要优点是成桩质量的可靠性好，质量相对较稳定，与钻孔灌注桩相比，可以减少孔底沉渣厚度，使桩的端承力得到有效的发挥。对于人工挖孔桩承载力计算模式问题尚存在一个误区，就是将人工挖孔桩一律视为端承桩而不计侧阻力。承载力是否考虑侧阻力，应根据桩的长径比、桩端与桩侧土层性质来确定，一般情况下当桩长与桩径比为6～10时都应考虑侧阻力。现有设计规范一般都把岩溶地区的桩基视为端承型桩，同时要求桩底持力层基岩的顶板厚度大于5m，有效嵌岩深度不小于0.5m。但是，对于长径比较大的人工挖孔嵌岩灌注桩，桩端阻力与桩侧阻力的分担情况如何，只能通过现场静载试验才能得出结论（黄生根等，2004；Seoletal.，2009）。黎斌等（2002）应用三维有限单元法对桩端基础下的溶洞顶板进行应力分析计算，用线弹性模型模拟溶洞在工作荷载下的性状，采用的是10结点的四面体单元。为了研究溶洞顶板的稳定性随洞体大小、单桩设计荷载等因素的变化情况，选取了20组不同洞体大小和单桩设计荷载对溶洞顶板的稳定性进行计算分析。每输入一组溶洞大小、单桩设计荷载和桩底到溶洞顶部的距离数据，通过ANSYS软件可以计算出各结点的主应力值，然后根据Griffth强度准则判断溶洞顶板的稳定性。并采用多元线性回归方法求得桩底到溶洞顶部距离临界值与溶洞大小和单桩设计荷载之间的关系式。
针对目前岩溶地区嵌岩灌注桩承载特性研究较少的现状，刘铁雄等提出一种利用室内桩基物理模型进行模拟试验的方案，应用相似原理和桩体与溶洞顶板的作用原理，推导了模型与原型的转换关系；通过正交试验，用相似材料对岩溶地区的灰岩岩体特性进行模拟，并选择一个配方作为模拟顶板的模拟材料，同时把岩溶地区顶板简化为一完整的矩形板，其边界条件为两对边简支，另两对边自由，而把岩溶地区嵌岩灌注桩简化为只承受竖向荷载的端承桩；在自制的桩基物理模型上，对三个模拟顶板试件进行破坏性静载试验，并得出三个试件的顶板极限荷载位移曲线，研究结果表明：顶板模拟材料的特性接近实际灰岩的破坏特性。当溶洞的跨度为16m，宽度为10m时，厚度为4m的灰岩顶板的极限荷载超过3.7×107N。
蔡登山和王邦楣（2002）根据京珠高速公路湖北南段岩溶地区的一根钻孔桩的详细工艺性试验，结合理论计算分析，对该岩溶地区钻孔灌注桩的承载能力、嵌岩深度及顶板厚度进行了分析研究。由工程中常见的溶洞类型和跨度，取五种计算模型。数据表明，顶板的承载力与其结构形式有着直接的关系，空间板和拱形顶板分别由干边界条件的约束和拱效应，承载力明显大于其他边界相对不太稳定的顶板形式。给出了设计荷载作用下，各类型顶板所要求的临界厚度。在同一荷载作用下，不同的顶板类型所要求的临界厚度存在着差异。
赵明华等（2009）通过对岩石变形特性及其破坏机理的分析，在确定岩溶区桩基持力岩层安全厚度时，将持力岩层视为刚性底板，其上作用垂直荷载，提出了底板可能出现冲切、剪切和弯拉破坏时的计算公式。根据抗冲切计算分析结果，认为岩溶区桩基即使忽略下卧层软岩的顶托力，持力层硬岩厚度一般达2.5倍桩径，已足够安全；当桩端岩石厚度达到3倍桩径时，可满足抗剪切要求。
当工程所处的场地划为极易塌陷区或易塌陷区时，应根据塌陷机理来考虑采取相应的处理措施。当覆盖层具有一定厚度时，设计阶段应优先考虑预应力管桩基础；当设计已提出采用端承型桩基础时，若该桩基底发育大型溶洞或处在溶蚀强烈带上时，可针对不同类型和不同规模的溶洞，采用挖孔、钢护筒跟进、黏土或片石反复充填等措施穿越岩溶地区溶洞层的施工技术（胡伟雄，2006；张豪和吴良木，2006；黄敦，2008）。
虽然国家和地方规范涉及岩溶地区桩基勘察设计、施工与管理相关内容，但不够深刻、不够全面且可操作性不强。针对岩溶地区公路桥梁桩基设计与施工技术规程，目前来看还没有专门的部门或施工单位制定和完成了相关内容的专题研究。《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63—2011）规定：当溶洞的顶板厚度大于10m、洞跨小于5m时，在顶板完整的情况下，可以不进行处理。桩端持力层之下有软弱下卧层或破碎带和溶洞时，应校核下卧层的承载力，必要时应验算其变形。桩端以下支承岩层的厚度不宜小于3倍的桩径且不小于5m（经验算其冲切承载力足够时，可不受此限制），必要时宜在施工前采取超前钻探探明下卧层的情况［《广东省建筑地基基础设计规范》（DBJ15-31—2003）］。岩溶地区的桩基应按下列原则设计：当岩面较为平整且上覆土层较厚时，嵌岩深度宜采用0.2d或不小于0.2m［《建筑桩基技术规范》（JGJ94—2008）］。桩端进入持力层的深度，根据地质条件确定，一般为1～3倍桩径。嵌岩灌注桩的周边嵌入微风化或中等风化岩体的最小深度不宜小于0.5m，并要求桩底以下3倍桩径范围内无软弱夹层、断裂带、洞隙分布［《建筑地基基础设计规范》（GB5007—2011）］。
1.3研究内容和技术路线
在上述国内外现状分析的基础上，针对目前还没有专门的论著完成岩溶地区公路桥梁桩基设计与施工的技术规程，本专著结合广东地区岩溶工程地质条件，全面总结并研究岩溶地区桥梁桩基的地质综合勘察技术和物探方法，提出岩溶地区的工程地质勘察以地质雷达+钻探+管波探测法为主，以提高岩溶地质条件勘察的精确性。以弹性力学理论为基础，结合数值模拟方法，研究岩溶地区桩基的嵌岩深度及桩基下溶洞顶板的稳定性。结合理论分析和数值模拟，研究溶洞-岩体-桩基三者之间的关系，建立考虑溶洞影响的桩基设计承载力确定方法，并开展桩基承载力实验方法研究。此外，依托广东省江肇高速公路和肇花高速公路桥梁桩基的设计与施工，应用已取得的研究成果指导岩溶地区的桩基设计，并开展适合岩溶地区的各种桩基处理方法及适用范围的研究，总结不同工况情况下桩基施工发生施工质量事故和质量隐患的可能性及其应对措施与应急预案。
岩溶地区公路桥梁桩基设计与施工研究技术路线体现在以下几个方面。
（1）通过归纳总结其他行业的研究成果和工程经验，在理论分析、数值模拟和室内外试验的基础上，以经济、可靠为原则，完善和丰富广东省岩溶地区的工程地质勘探技术。
（2）根据岩溶发育规律和桥梁工程特点，分析岩溶桥梁桩基范围内场地稳定性和岩溶地基稳定性，提出溶洞顶板稳定性的评价技术方法。
（3）通过现场试验和数值分析，深入研究隐伏溶洞对桩基承载特性的影响，研究溶洞-岩体-桩基三者之间的关系，结合已有经验和规范，建立考虑溶洞影响的桩基设计承载力确定方法。
（4）在总结国内外理论研究与工程实践，以及最新研究成果和工程经验的基础上，研究适合岩溶地区桩基处理方法，并根据造价、工程特点、工期、管理体系等方面因
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