导航：安全管理网>> 安全论文>> 建筑安全论文>>正文

岩溶及采空区桥梁桩基桩端岩层安全厚度研究

文档作者：赵明华 1，曹文贵1 何鹏祥2，杨明辉1 文档来源： 1.湖南大学岩土工程研究所 2.岳阳市公路桥梁基建总公司，		点击数：	更新时间： 2022年09月02日
下载地址：点击这里	文件大小： 149.98 KB 共5页	文档格式： PDF	下载点数： 1 点（VIP免费）

全屏查看

内容预览 [文件共5页]

本文件共5页，如需编辑使用，请下载。

注：预览效果可能会出现部分文字乱码（如口口口）、内容显示不全等问题，下载是正常的。

	文件大小：149.98 KB 共5页文件格式：PDF 下载点数：1 点（VIP会员免费）

下一篇：关于人工挖孔桩施工的安全管理

上一篇：探讨预应力混凝土管桩浮桩原因与预防措施

文本预览

仅提取页面文字内容，供快速阅读使用。

第25 卷第1 期岩 土 力 学 Vol.25 No.1
2004 年1 月 Rock and Soil Mechanics Jan. 2004
收稿日期：2002-10-08.
作者简介：赵明华，男，1956 年出生，湖南邵阳人，博士，湖南大学教授，博士生导师，主要从事桩基础及软土地基处理研究。
文章编号：1000－7598－(2004) 01―0064―05
岩溶及采空区桥梁桩基桩端岩层安全厚度研究
赵明华 1，曹文贵1 ，何鹏祥2，杨明辉1
（1.湖南大学岩土工程研究所，湖南 长沙 410082； 2.岳阳市公路桥梁基建总公司，湖南岳阳 421000）
摘 要：通过对桩端岩层变形特性及破坏机理的深入分析，针对岩溶及采空区桥梁桩基桩端持力岩层安全厚度的确定进行了
较全面的探讨，提出了一系列经济合理、安全可靠、且便于工程应用的计算公式，并对公式的使用范围、注意事项、影响因
素以及其合理安全系数的选取等进行了讨论。
关 键 词：岩溶；破坏机理；桩基础；安全厚度
中图分类号：TU473 文献标识码：A
Study on safe thickness of rock mass at end of bridge foundation’s pile
in karst and worked-out mine area
ZHAO Ming-hua1, CAO Wen-gui1, HE Peng-xiang2, YANG Ming-hui1
(1. Geotechnical Engineering Institute, Hunan University, Changsha 410082, China;
2. Yueyang highway &amp;amp; Bridge Engineering Corporation, Yueyang 421000, China)
Abstract: Aiming at the safe thickness of the bridge pile end's support rock mass in karst and mining region, the determination
method had been comprehensively probed by a thorough analysis of the distortion characteristics and the destroyed mechanism of
rock mass at the end of the bridge pile. A series of economic, reasonable and safety formulas have been proposed; and they are easy
to apply in engineering. Finally, the problems such as the formula's using range, notices, influencing factor and the reasonable
selection of the safety factor have been discussed.
Key words: karst; destroyed mechanism; pile foundation; safety thickness
1 引言
岩溶及采空区桩端岩层的受力情况极为复杂，
影响因素众多，其安全厚度的确定将直接影响到基
桩的承载力及安全和经济性，随着我国西部建设的
高速发展，该问题的研究日益重要。为此，本文拟
结合我国西部高速公路建设中大量岩溶及采空区桥
梁桩基的工程实际问题，通过对岩石变形特性及其
破坏机理的深入分析，提出一套便于工程应用，且
安全、经济、可靠的岩溶及采空区桥梁桩基桩端岩
层安全厚度的确定方法。
2 岩溶及采空区桩端岩石的破坏机理
大量研究表明，岩石的典型应力-应变曲线可分
为压密、弹性和弹塑性变形三个阶段。其压密阶段
主要因存在于岩石内的微裂隙在外力作用下发生闭
合而致；弹性阶段曲线基本呈直线，其变形可以恢
复；弹塑性阶段为在荷载作用下岩石产生不可逆的
塑性变形[1, 2]。
根据传统理论，岩石加载破坏为跟踪与滑移破
坏，而桩端加载面远小于岩石的起伏尺寸，故桩端
岩石的破坏与平底压头压入岩石的破坏相同，呈局
部荷载作用破坏。桩端岩石破坏的变化过程[3]见图1。
常用的岩石强度理论主要有两种：① 库仑-莫
尔（Coulomb-Mohr）理论，认为其破坏是由于滑动
面上剪应力与正应力二者组合的结果，岩石的断裂
和塑性变形主要因某截面上剪应力达一定限值，而
材料的破坏取决于该截面上的剪应力和正应力，且
不受中间主应力ó2 的影响；② 格里菲斯（Griffith）
理论，认为材料破坏主要由内部缺陷（节理、裂隙
第1 期赵明华等：岩溶及采空区桥梁桩基端岩层安全厚度研究 65
图1 桩端岩石破坏过程示意
Fig.1 Failure of the terrane at pile tip
或孔洞）的周边应力集中所控制，当材料的拉应力
超过其固有粘结力时便产生断裂，并将材料内部的
微小裂缝视为一扁平的椭圆，以裂缝扩展时形成的
拉应力达到最大为破坏准则，应用二维弹性理论进
行计算，其适用于脆性材料。
此外，还有专门描述岩体内薄弱结构面破坏的
强度条件以及各向异性破坏准则等，但其形式过于
复杂，有关参数也难以确定，桩基设计所涉及的破
坏由于其特殊的形式和性质，只有在某些特殊的场
合才偶然使用，此不赘述[4, 5]。
3 桩端岩层安全厚度确定
通常分析岩溶及采空区桩端持力岩层安全厚
度的计算模型是将桩端持力岩层视为一刚性底板，
在桩端垂直荷载作用下，岩层可能出现冲切、剪切
和弯拉破坏。
3.1 按基岩抗冲切强度确定
设基桩嵌岩深度为 hr，桩端持力岩层厚度为h，
桩径为d，如图2 所示。
图 2 桩端顶板冲切简图
Fig.2 Rush-cut sktech of the terrane at pile tip
若持力岩层产状接近水平，在桩端垂直荷载Pp
作用下，岩层将形成一顶角为è 的冲切锥台，此时，
抵抗锥台下冲的反力有作用于锥台侧面的岩层拉力
Q1 和作用于锥台底的软下卧层顶托力Q2。根据静
力平衡条件，可得锥台稳定条件为（不计锥台自重）：
K Pp ≤ Q1 ＋ Q2 ＝ R t u0 h ＋Rd F (1)
式中 K 为抗冲切安全系数；Rt 为持力岩层的抗拉设
计强度； u0 为冲切锥台的平均周长，u0＝ð ( d ＋
 h tanè )；Rd 为软下卧层岩层的顶托设计强度；F 为
冲切锥台的底面积。
若设冲切锥台高度（即岩层冲切安全厚度）与
桩端直径之比为n（n＝h /d），作用于桩端的荷载
Pp ＝ ð d 
2Rj / 4 (以端阻力Rj 表示)，并引入系数m1
＝Rt /Rj 和 m2＝Rd /Rj，则可得：
K ≤ 4n (1＋ n tan è ) m1 ＋ (1＋2n tan è ) 
2 m2 (2)
当岩石裂隙不发育或裂隙间距相对于桩端直径
甚大时，可将桩端基岩的冲切视为混凝土板的冲切，
按钢筋混凝土板冲切的有关规定验算，若取è ＝
 45°，并将计算的抗拉力Q1 乘以折减系数0.75，则
整理可得桩端岩层安全厚度的简化计算式为：
K ≤ 3n (1＋ n ) m1 ＋(1＋ 2n )2 m2 (3)
尚需注意：① 岩石抗拉设计强度一般可取单轴
极限抗压强度Rc的1/10～1/20，不宜考虑深度修正；
② 岩石的桩端阻力通常可取岩石单轴极限抗压强度
的1/3；③ 岩溶及采空区冲切锥体底的顶托作用可忽
略不计，即使溶洞被充填，因岩层与充填物两者强
度相差甚大而无法同时发挥作用，故不应考虑下卧
层的顶托作用。
如上可取 m1＝0.15（Rt＝Rc /20），m2 ＝0，若n 
＝1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 4.0, 5.0，则由式（3）可得抗冲切
安全系数K＝1.7, 2.7, 3.9, 5.4, 9.0, 13.5。由此可见，
岩溶及采空区桩端持力岩层厚度一般达2.5 倍桩径即
已足够安全（K ＝3.9），而工程中常用的“5 倍桩径”
（相应K＝ 13.5）偏于保守。
3.2 按混凝土结构抗冲切确定
大量的研究表明，岩溶及采空区桩端持力岩层
的计算可视为钢筋混凝土板的冲切[6]，不计溶洞及
采空内充填物的顶托力，根据国标《混凝土结构设
计规范》（GB50010-2002），若取破坏锥体锥角为
45°，并取Rt＝Rc / 20，Rj ＝Rc / 3，同理可得桩端岩
层安全厚度为：
K ≤ 0.36（ n ＋1）n (4)
若分别取n＝1, 2, 3, 4，可得安全系数K＝0.72,
2.16, 4.32, 7.2。即桩端岩层厚3 倍桩径时可满足抗
冲切要求。
3.3 按基岩抗剪强度确定
桩端基岩下溶洞顶板在桩端荷载作用下，也可
66 岩 土 力 学 2004年
能因抗剪强度不足而产生剪切破坏，此时，需考虑
桩端持力岩层的抗剪强度验算，其简化力学模型如
图3 所示。
图 3 抗剪切计算简图
Fig.3 Calculating sketch for Shearing mode
若不计溶洞及采空洞内充填物的顶托作用，且
忽略剪切柱体自重，根据极限平衡条件，可得桩端
岩层的安全厚度为：
K ≤ 4n ô /Rj (5)
式中 u 为剪切柱面周长，u ＝ ð d；ô 为桩端持力岩
层岩体的抗剪强度，ô ＝ c ＋ ó  tan ö；其它符号意义
同前。
可见抗剪切破坏的安全系数主要取决于n、ô、
Rj 三个参数。若按规范及常用设计取值，ô =Rc /12，
Rj ＝Rc /3，则可得：
K ≤ n
可见，n＝3 时，K＝3。即当桩端岩层厚达3
倍桩径时，可满足抗剪切要求。
此外，若桩端岩层为硬岩，其力学性质与混凝
土类似，也可借用混凝土梁的抗剪强度验算公式计
算。
3.4 按基岩抗弯拉强度确定
桩端基岩存在溶洞时，除了可能发生冲切破坏，
剪切破坏外，也可能因抗弯能力不足而产生受弯破
坏，当溶洞顶岩层较完整，无裂隙或裂隙胶结良好
时，受弯破坏可按两端固定梁板计算。
即先将圆形桩端截面等效换算为方形桩端截
面，其换算后桩的计算宽度b 为：
b = ð d 2 / 4 = 0.866d (6)
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 很小，故可导得梁板的最大正、负弯矩
分别为：
b
Hl b l b R H
M j úû
ù
êë
é - -
= +
8
( )( )
24
2
max
g g
(7)
b
Hl bl R H
M j úû
ù
êë
é -
= - +
8
( )
12
2
min
g g
(8)
式中 H 为溶洞顶板以上各土层厚度总和；g 为溶
洞顶板以上各土层加权平均重度；并以下式进行溶
洞顶板的受弯拉验算：
[ó]≥K·6M / bh 
2 (9)
式中 [ó]为岩石的允许弯曲应力。
4 有关问题的讨论
4.1 安全系数的取值
确定岩溶及采空区桩端持力岩层安全厚度时，
安全系数的取值应根据岩石的均质性和裂隙发育情
况、试验数据的可靠程度、建筑物的重要性等综合
考虑。鉴于该问题影响因素较多，建议一般情况下
取K＝3～4。根据前述分析，此时桩端持力岩层的
冲切安全厚度约为2～3 倍桩径。
4.2 影响持力岩层安全厚度的主要因素
影响岩溶及采空区桩端持力岩层安全厚度的主
要因素有：岩溶发育情况与桩端岩层节理裂隙率及
胶结情况、桩径及桩端荷载、桩端下溶洞及采空区
跨度、上覆土层的侧摩阻力以及桩端下溶洞内的充
填情况等[7]。
⑴ 岩溶发育与桩端岩层节理裂隙发育及胶结
情况
本文前述持力岩层安全厚度计算公式是在桩端
岩层较完整、节理裂隙不发育或已良好胶结前提下
导得。若节理裂隙很发育，则不能简单套用。如图
4 所示，此时，桩端岩层在发生冲切破坏时将沿节
理裂隙面破坏，故前述Ｒt 应采用节理面的抗拉强
度而不应采用岩石的抗拉强度。
图 4 裂隙化岩体冲切简图
Fig.4 Fractured rock resisting rush-cut
如果桩端岩层裂隙发育，如图5 所示，则验算
桩端岩层抗剪能力时，ô 应取岩体弱面抗剪强度，
而不能取岩石的抗剪强度。
第1 期赵明华等：岩溶及采空区桥梁桩基端岩层安全厚度研究 67
图 5 裂隙化岩体剪切破坏简图
Fig.5 Fractured rock destroy for shear
当然，溶洞顶板节理裂隙的实际分布需采用定
向钻探获取，并应对岩芯进行弱面剪切、弱面抗拉
试验以确定有关参数，也可通过桩端压浆处理，增
强岩体节理裂隙及溶蚀面的强度，再按上述公式验
算。
⑵ 桩端岩层空洞跨度及荷载
桩端岩层空洞跨度不影响岩层的抗冲切和抗剪
切验算，但对抗弯拉验算起着重要的作用，其最大
弯矩随跨度的增大呈二次关系增长。
桩径和桩端荷载对持力岩层安全厚度的确定影
响很大。一般桩径越大、桩端荷载越大，要求桩端
岩层的安全厚度就越大，取值也应更加慎重。
⑶ 上覆土层侧摩阻力
若岩溶及采空区上覆土层不太深，桥梁桩基多
为嵌岩桩。此时，尽管桩端支承于基岩，但大量的
试验研究表明，桩侧摩阻力所占总承载力的比例较
大，特别是l/d ＞15～20 的钻（冲）孔嵌岩桩。因
此，设计时可考虑桩侧摩阻力作用，以减小桩端持
力岩层的安全厚度。
4.3 桩端荷载的计算
当桩端持力岩层底部出现“脱空”现象时，桩
端荷载Pp 的计算与普通嵌岩桩不同，嵌岩段桩侧阻
力的应力扩散与桩端岩层安全厚度直接相关。因此，
嵌岩段桩侧阻力Pr 的发挥程度，除与嵌岩深度的大
小有关外，还受制于桩端持力岩层的厚度。通常可
引入经验系数î（î＝0～1.0，根据岩石的均质性和
裂隙发展情况、建筑物的重要性等因素而定）。若不
考虑嵌岩段桩侧阻作用，则î＝0，故Pp＝P - Ps - î Pr
＝P - Ps （P为桩顶荷载，Ps为非嵌岩段桩侧摩阻力）。
4.4 桩端岩层安全厚度确定
岩溶及采空区桩端岩层安全厚度的影响因素众
多，我国现行各设计规范尚未对此有明确规定。建筑
桩基技术规范[8]规定，当存在软下卧层时，桩基以下
硬持力层厚度一般不宜小于5 倍桩径。显然，对于小
直径的桩，5 倍桩径相应的厚度不大，工程上不难接
受。但随着大直径人工挖孔灌注桩在桩基中日益广泛
应用，5 倍桩径的条件大多数工程难以满足。例如，
当桩径为1.0～1.5 m时，桩端持力岩层厚度要求5.0～
7.5 m，加上嵌入深度（1d）将达6.0～9.0 m，在工程
中很难实现，而为此加长桩身穿过软弱下卧层，又将
大幅度地增加投资。
综上可见，对于桩端岩层完整，节理裂隙不发
育或胶结良好的岩溶及采空区桩基，桩端岩层安全
厚度可取3 倍桩径且不小于3.0 m；若溶洞跨度较
大，则需验算其抗弯承载能力；若桩端岩层裂隙发
育，岩石破碎，则应采取其它方法确定。
5 工程计算实例
某高速公路跨渠桥位于丘陵间小河冲积地貌
区，地势低平开阔。场地地层自上而下为：填筑土、
淤泥质细砂、粘土、砾砂、白云质灰岩等，基岩岩
溶现象很发育。设计桥墩、台采用人工挖孔灌注端
承桩基础，共设计桩20 根。施工为多孔同时进行，
当挖孔至9.0～11.0 m（约为设计桩深的一半）时，
渠中河道和两岸地表出现大面积沉陷，最深沉陷达
4～5 m，致使挖孔无法继续进行，需进行处治。
为减小挖孔深度，加快工期，降低工程造价，
以本文计算方法对各桩进行桩端岩层最小安全厚度
分析。现以8#桩为例（图6），在标高15.30 m以下
存在有溶洞，原设计桩径d =1.2 m，桩穿过较厚的白
云质灰岩（10.70～15.30 m）达标高17.00 m 以下，
经计算只要桩端下岩层厚度不小于3.0 m，即可满足
承载力要求。故8#桩采用图6 设计方案施工，桩长
减少约6 m。其桩端岩层最小安全厚度h 计算过
图6 8＃桩设计施工方案
Fig.6 Construction design of pile #8
68 岩 土 力 学 2004年
程如下：
(1) 按基岩抗冲切确定：
根据岩石单轴抗压试验结果，单轴极限抗压强度Rc
＝120 MPa，取抗拉设计强度Rt＝Rc / 20，岩石桩端
阻力Rj ＝Rc / 3，不计溶洞内充填物的顶托力，即Rd
＝0，若取安全系数K ＝3。则m1＝0.15，m2＝0，由
式（3）可得n≥2.13，即h ≥2.556 m。
(2) 按基岩抗剪确定：
取桩端持力岩层岩体的抗剪强度ô ＝Rc /8，其
它计算参数同前，根据式(5)可得：n≥2，故h≥2.4 m。
(3) 按基岩抗弯拉确定：
取桩端下溶洞的跨度为l ＝2.5 m，溶洞顶板以上各
土层厚度总和H ＝ 8.0 m，其加权平均重度ã ＝
20.0 kN / m3，取岩石的允许弯曲应力[ó]＝Rc /4，由
式(7), (8)计算可得Mmax ＝7.899×103  kN·m；
Mmin = -13.532×103  kN·m。再根据式(9)可得：h≥
2.8 m。
综合上述三种方法，可得到 8#基桩只要桩尖下
卧岩层厚度不小于3.0 m，则可满足桩端岩层的承
载力要求。
该工程现已顺利完成验收通车，取得了良好的
经济与社会效益。
6 结语
本文取得如下结论：
(1) 通过深入分析桩端岩层的变形特性及其破
坏机理，提出了一系列桩端岩层安全厚度的确定方
法，其综合考虑了桩端持力岩层的抗冲切、抗剪切
和抗弯拉破坏。
(2) 针对本文提出的桩端岩层安全厚度确定方
法，对各种情况下桩端岩层厚度的安全性进行了分
析和讨论。
(3) 综合分析和讨论了影响桩端岩层安全厚度
的因素，指出了本文公式的应用条件和注意事项，
可供岩溶及采空区桥梁桩基工程设计和施工参考。
参 考 文 献
[1] 沈明荣. 岩体力学[M]. 上海: 同济大学出版社, 1999.
[2] Jaeger J C, Cook N G W.  Fundamentals of Rock
Mechancs[M].   London: Third Edition Chapman and Hall,
1979.
[3] 郑剑雄. 软质岩石桩桩端岩石变形破坏机理的研究[J].
福建建筑, 2000, (1): 41－43.
[4] Kutter H K. Failure mechanics of joined rock[A]. Rock
Mechanics[C]. In: Müller L ed. New York: springer,
1974.
[5] Goodman R E. Introduction to Rock Mechanics[M]. New
York: John Wiley &amp;amp; Eons, 1980.
[6] 廖国良. 高层建筑冲（钻）孔灌注桩基础设计若干问题
探讨[A]. 第八届高层建筑学术交流会论文集[C]. 北京:
[s.n.], 1984.
[7] 邓绪云. 岩溶区挖孔桩承载力剖析[J]. 水文地质工程
地质, 1995, (1): 24－25.
[8] JGJ94-94.  建筑桩基技术规范[S].
欢迎申请湖北省环境岩土工程重点实验室开放课题
根据湖北省重点实验室管理办法，中国科学院武汉岩土力学研究所湖北省环境岩土工程重点实验室面
向国内外开放。该实验室主要从事岩土工程基础研究和应用基础研究。在实验室发布的开放课题指南范围
内，欢迎国内外具有博士学位或高级技术职称的科研工作者申请研究课题。申请者按如下地址来信来电索
取课题申请书，或从本所网址下载：www.whrsm.ac.cn
地 址：湖北省环境岩土工程重点实验室（中国科学院武汉岩土力学研究所）武昌小洪山
联系人：喻小生 李海波
电 话：027-87197970 027-87198332 传真：027-87197970 027-87197386
电子信箱：xsyu@whrsm.ac.cn hbli@whrsm.ac.cn 邮编：430071

网友评论 more

建筑安全论文最新内容

03-05