岩溶发育区桥梁桩基设计与施工关键技术研究

1、岩岩溶溶发发育区育区桥桥梁桩基设计与施梁桩基设计与施工工 关关键键技技术研术研究究一、研究的一、研究的目目的的及意及意义义：岩溶岩溶发育区发育区桥桥梁桩梁桩基基设计与设计与施施工关工关键键技术技术研研究究技 术 难 点近年来我国的交通基础设施建设的加速，公路等级逐步提高。为满足高 等级公路线形标准的要求，大型桥梁工程、隧道等构造物在岩溶地区大量兴 建，由于岩溶地区的地质情况复杂多变，桩基础因其独特的特点在岩溶区被 广泛使用，但随着桩基在岩溶地区的大量使用，从工程地质勘察、设计到施 工过程中，都存在尚未解决的技术问题，甚至造成各种工程事故，给建筑物 产生不安全因素。岩体内溶洞发育，岩溶地下水向基

2、坑及桩孔内大量涌水突泥，造成场地及周围地面塌陷岩溶地区地质条件复杂，勘察技术要求高设计过于保守，造成工程造价的巨大浪费桩基施工过程中的常见问题，如坍孔、漏浆、漏混凝土、孤石处理以及地 面塌陷等一、研究的一、研究的目目的的及意及意义义：岩溶岩溶发育区发育区桥桥梁桩梁桩基基设计与设计与施施工关工关键键技术技术研研究究溶洞引起的地面塌陷溶洞塌陷引起的房屋开裂溶洞塌陷引起的地面开裂一、研究的一、研究的目目的的及意及意义义：岩溶岩溶发育区发育区桥桥梁桩梁桩基基设计与设计与施施工关工关键键技术技术研研究究溶洞塌陷引起的桩基折断桩基施工时漏浆出现部分护壁垮塌桩基施工时发生塌孔溶洞塌陷引起的桩基偏斜岩溶岩溶发

3、育区发育区桥桥梁桩梁桩基基设计与设计与施施工关工关键键技术技术研研究究一、研究的一、研究的目目的的及意及意义义：结合前期实体工程调研和国内外研究现状，现有岩溶发育区桥梁桩基础 的研究大多是针对具体工程所遇到的岩溶引起的工程事故及其处治措施和溶 洞对桥梁桩基承载特性的影响，现行研究没有形成系统的一整套结合理论、 勘探、设计和施工的岩溶区桥梁桩基础体系以指导生产。因此，对岩溶地区 桥梁桩基承载特性进行系统研究显得十分必要，其经济效益和社会效益显著。 研究成果将对岩溶地区桥梁桩基的设计与施工具有重要的理论指导意义和工程实用价值 亦为补充和完善现行桥梁地基基础设计施工规范奠定基础。二、研究内二、研究内

4、容容与与方方法法岩溶岩溶发育区发育区桥桥梁桩梁桩基基设计与设计与施施工关工关键键技术技术研研究究桩基承载能力确定方法研究内容施工及质量控制技术监控技术不 控制指标1.目 前 岩 溶 桩 基承载力的确 定方法及其丌 足2.桩基承载力 力学模型3.桩基竖向承 载力计算方法1.桩基嵌岩桩 嵌 岩 深 度 的 确定2.溶洞顶板厚 度确定方法 3.桥梁桩基承 载力的确定 4.桥梁桩基沉 降验算1.溶洞勘探技 术2.溶洞处治技 术3.桩基础施工 工艺4.施工质量控 制技术1.监测内容 及技术2.评价控制 标准研究3.典型示范 工程岩溶发育区桥梁桩基设计方法二、研究内二、研究内容容与与方方法法岩溶岩溶发育区

5、发育区桥桥梁桩梁桩基基设计与设计与施施工关工关键键技术技术研研究究研究方法：本项目采用工程调研、理论分析、数值模拟、室内模型试验和现场试验的方 法，对岩溶地区桥梁桩基承载特性、溶洞顶板力学特性、桥梁桩基设计不施工技 术及监控技术进行较系统的研究分析。基于岩溶区桥梁桩基础研究结果，结合桥 梁基础的实际受力情况，建立桩基-溶洞共同作用模型，确定岩溶区桥梁基础工 程的设计参数，施工质量控制指标、监控技术及其控制指标等。结合实体工程结合实体工程武汉北四环项目莲花湖特大桥研究方法研究方法工程调研、理论分析、数值模拟、现场试验三、关键技术三、关键技术岩溶岩溶发育区发育区桥桥梁桩梁桩基基设计与设计与施施工关

6、工关键键技术技术研研究究关键技术关键技术桥梁桩基不溶洞相互作用模型的建立溶洞分布特征、规模大小的勘探技术岩溶发育区桥梁桩基础选型岩溶发育区桥梁桩基础设计方法及参数选取岩溶发育区桥梁桩基础施工工艺及质量控制指标四、主要研四、主要研究究成成果果岩溶岩溶发育区发育区桥桥梁桩梁桩基基设计与设计与施施工关工关键键技术技术研研究究1、运用桩基平衡检测方法验证岩溶区超长桩基施工工艺自平衡测试法是利用试桩自身反力平衡的原则，在桩端附近或桩身某截面 处预先埋设单层（或多层）荷载箱，加载时荷载箱以下将产生端阻和向上的侧阻 以抵抗向下的位移，同时荷载箱以上将产生向下的侧阻以抵抗向上的位移，上下 桩段的反力大小相等、

7、方向相反，从而达到试桩自身反力平衡加载的目的。试验 时，在地面上通过油泵加压，随着压力的增加，荷载箱伸长，上下桩段产生弹（塑）性变形，从而促使桩侧和桩端阻力逐步发挥。荷载箱施加的压力可通过预 先标定的油泵压力表测得，荷载箱顶底板的位移可通过预先设置的位移棒或位移 丝，用位移传感器测得。由此可测得上下桩段两条QS曲线及相应的Slgt曲线， 采用合理的测试数据等效转换方法和承载力确定方法，即可确定基桩的极限承载 力、桩侧、桩端阻力分担情况等。岩溶岩溶发育区发育区桥桥梁桩梁桩基基设计与设计与施施工关工关键键技术技术研研究究荷载箱自平衡加载受力示意及试验典型曲线自平衡加载受力示意及试验典型曲线四、主要

8、研四、主要研究究成成果果1、运用桩基平衡检测方法验证岩溶区超长桩基施工工艺四、主要研四、主要研究究成成果果岩溶岩溶发育区发育区桥桥梁桩梁桩基基设计与设计与施施工关工关键键技术技术研研究究1、运用桩基平衡检测方法验证岩溶区超长桩基施工工艺试桩采用单层荷载箱，荷载箱直径与钢筋笼外径基本相同，高约50cm，行程120mm；高压泵最大加压值为 50MPa，加压精度为每小格 0.5MPa，其压力表 亦由计量部门标定。四、主要研四、主要研究究成成果果岩溶岩溶发育区发育区桥桥梁桩梁桩基基设计与设计与施施工关工关键键技术技术研研究究1、运用桩基平衡检测方法验证岩溶区超长桩基施工工艺每桩采用6只量程 50mm（

9、可调）的位移传感器，通过磁性表座固定在基准钢梁上，2只用于测量桩身荷载箱处的向上位移，2只用于测量桩身荷载箱处的向 下位移，2只用于量测桩顶向上位移。使用基桩静荷载测试系统，该系统可自动 采集自动读数、自动记录，且采集精度高，能够满足自平衡加载测试的要求。岩溶岩溶发育区发育区桥桥梁桩梁桩基基设计与设计与施施工关工关键键技术技术研研究究四、主要研四、主要研究究成成果果1、运用桩基平衡检测方法验证岩溶区超长桩基施工工艺经验证，试桩桩基承载力达到设计数值，岩溶区超长桩基施工工艺满足要 求。试验完成后，通过声测管压入水灰比约为0.60.5，并掺入7%的膨胀剂和1% 的减水剂，水泥标号为42.5的水泥浆

10、。荷载箱的埋设位置处于反弯点以下，对水平承载力没有影响；试验后桩周 土层的承载力会随时间恢复，荷载箱的空隙可通过使用稍大于桩身强度的浆液来 填充。另外，在荷载箱处形成扩大头，提高了该处的承载力。总之，压浆处理后 不会影响基桩的竖向和水平承载力，可正常用于实体工程。四、主要研四、主要研究究成成果果岩溶岩溶发育区发育区桥桥梁桩梁桩基基设计与设计与施施工关工关键键技术技术研研究究2、研究了竖向荷载下桥梁桩基承载特性：（1）岩溶地区大直径桩所受竖向荷载由桩端阻力桩端阻力与桩侧阻力桩侧阻力共同承担共同承担。当桩径大于等于桩径大于等于1.5m时，桩侧阻力占桩基竖向承载力的70%以上，桩径越大桩侧阻 力所占

11、比重越大；2桩长、桩径的变化对桩基承载能力的影响较大，增大桩长、桩径是提 高桩基极限承载力的直接有效手段，但桩径桩径对桩基极限承载力的影响大于桩长大于桩长对 其的影响。当桩长超过60m时，增加桩长对极限承载力的贡献逐渐减小，建议设 计时优先选择通过增加桩增加桩径径来提高承载力，并且桩长不超过60m；3当溶洞洞高洞高、洞洞跨跨增大时，桩基础的承载力明显降低明显降低，且随着溶洞洞高、洞跨的增大，承载能力减幅逐渐增大逐渐增大，在设计时尽量避免桩从洞高超过14 m 或洞跨大于10 m的溶洞地区穿过，或者对较大溶洞进行相应处理，另在溶洞地区 桩基础施工过程中，应探明地下情况，尽量避免单桩从溶洞洞高较高点

12、穿过，以 保证上部结构的安全；岩溶岩溶发育区发育区桥桥梁桩梁桩基基设计与设计与施施工关工关键键技术技术研研究究四、主要研四、主要研究究成成果果2、研究了竖向荷载下桥梁桩基承载特性：4洞高对承载力的影响约为洞跨的4倍。但较大的洞跨会导致顶板塌陷， 所以实际工程中洞跨也会造成很大的影响，应采取顶板加固等措施；5对于大直径桩基来说，在桩长、桩径、桩侧溶洞尺寸一样的情况下， 桩基承载力随桩-洞水平距离的增加逐渐增大。当桩-洞水平距离大于等于4倍桩径 时，桩基承载力可达到桩周无溶洞时桩基承载力的90%以上。说明桩基溶洞间 水平距离超过4倍桩径时，溶洞对桩基竖向承载力影响较小；岩溶岩溶发育区发育区桥桥梁桩

13、梁桩基基设计与设计与施施工关工关键键技术技术研研究究1.勘探技术比选2. 溶洞分类及处治措施3.示范工程莲花湖 特大桥勘探技术及 处治技术示范工程莲花湖特大桥施工工艺1. 桩基成孔质量 控制技术2. 成桩质量控制 技术四、主要研四、主要研究究成成果果3、提出了岩溶发育区桥梁桩基施工技术及质量控制指标岩溶发育区桥梁桩基施工技术及质量控制指标溶洞勘探及处治技术桩基施工工艺施工质量控制岩溶岩溶发育区发育区桥桥梁桩梁桩基基设计与设计与施施工关工关键键技术技术研研究究四、主要研四、主要研究究成成果果3、 提出了岩溶发育区桥梁桩基施工技术及质量控制指标1在总结岩溶发育区工程地质特点的基础上，对比分析了各种

14、地质勘察 技术的优缺点，具体工程地质勘察时应结合不同勘察技术以期尽可能完整的揭示 地下溶洞的分布状况，在岩溶发育区进行工程地质勘察应遵循“从面到点，从地表到地下，先疏后密”的原则；2在对溶洞进行处理时应结合溶洞位置、尺寸及填充状态等因素采用不 同的处理措施，在预处理时，针对小型溶洞、一般溶洞、大型溶洞可采取注水泥 浆措施；在钻孔过程中，针对小型溶洞、一般溶洞和大型溶洞可采用抛填片石和 粘土进行回填并反复冲砸；对于大型、特大型溶洞采用钢护筒跟进施工的方法；3结合武汉市北四环莲花湖特大桥桩基础工程实际，从场地平整、测量 放样、护筒安装及桩机就位、泥浆的制备、钻进成孔、清孔、钢筋笼的制作与安装等方面

15、详细提出了适于岩溶发育区桥梁桩基础工程施工的施工工艺及桩基础施工质量控制措施。岩溶岩溶发育区发育区桥桥梁桩梁桩基基设计与设计与施施工关工关键键技术技术研研究究四、主要研四、主要研究究成成果果3、 提出了岩溶发育区桥梁桩基施工技术及质量控制指标在岩溶发育区的勘察中，由于其地质条件通常非常复杂，故必须采用各种勘察手段相结合的方式以期获得与实际相符合的资料。岩溶发育区工程地质勘察方法岩溶发育区工程地质勘察方法比比较较岩溶岩溶发育区发育区桥桥梁桩梁桩基基设计与设计与施施工关工关键键技术技术研研究究四、主要研四、主要研究究成成果果3、提出了岩溶发育区桥梁桩基施工技术及质量控制指标四、主要研四、主要研究究

16、成成果果岩溶岩溶发育区发育区桥桥梁桩梁桩基基设计与设计与施施工关工关键键技术技术研研究究莲花湖特大桥莲花湖特大桥冲冲 击钻击钻（岩溶地段）（岩溶地段） 桩基施工工艺流桩基施工工艺流程图程图施工准备平整场地钻机就位钻进桩位放样复测合格埋设护筒复测合格地质情况审核清孔下钢筋笼下导管检查成孔质量合格检查沉渣厚度水下灌注砼拔除护筒成桩质量检验下道工序安装导管拼装导管检查检查砼质量及砼面标高制作检查试件砼制备运输孔内注泥浆泥浆沉淀泥浆备料泥浆池指标 检测岩溶岩溶发育区发育区桥桥梁桩梁桩基基设计与设计与施施工关工关键键技术技术研研究究四、主要研四、主要研究究成成果果4、提出了岩溶发育区桥梁桩基施工监控技术

17、不监测评价控制标准监控技术及评价指标监控内容及方法监控控制指标示范工程岩溶岩溶发育区发育区桥桥梁桩梁桩基基设计与设计与施施工关工关键键技术技术研研究究四、主要研四、主要研究究成成果果4、提出了岩溶发育区桥梁桩基施工监控技术不监测评价控制标准监控内容地表沉降地表主要控制点沉降地下水位通过测定水位管内水位变化，幵结合 深层水平位移监测数据，分析桩基施 工对地下水力平衡的影响建筑结构沉降建筑物包括沿线民用房屋、围墙，已建 成墩柱等，公用设施包括电敢、水塔等。监测范围以施工桩位处50m范围内 的建筑物为主岩溶岩溶发育区发育区桥桥梁桩梁桩基基设计与设计与施施工关工关键键技术技术研研究究四、主要研四、主要

18、研究究成成果果4、提出了岩溶发育区桥梁桩基施工监控技术不监测评价控制标准1.、 地表沉降控制标准地表沉降控制标准则参照建筑变形测量规范(JGJ8-2007)，初步确定其允 许变形值。对于邻近桩基施工区域的构筑物物，根据构筑物的结构形式，结合建筑物重要等级进行确定。2.、地下水位监测评价控制标准地下水位监测预警值地下水位监测预警值岩溶岩溶发育区发育区桥桥梁桩梁桩基基设计与设计与施施工关工关键键技术技术研研究究四、主要研四、主要研究究成成果果4、提出了岩溶发育区桥梁桩基施工监控技术不监测评价控制标准4.3、建筑物监测评价控制标准建筑物地基变形允许值建筑物地基变形允许值岩溶岩溶发育区发育区桥桥梁桩梁

19、桩基基设计与设计与施施工关工关键键技术技术研研究究五、查新结论五、查新结论综合分析检索到的国内外相关文献，不项目的查新点进行对比分析，得出以下结 论:：检索到的国内文献主要研究内容是：岩溶区嵌岩桩的承承载载特特性性及设设计计方方法法，岩溶顶 板的破坏模式及顶板顶板安安全全厚厚度度，岩溶区桥梁桩桩基基施施工工及处处理理技技术术，岩溶区桥梁桩基的沉沉 降变形降变形及稳定性稳定性等方面；国外主要是利用数值模拟研究了溶洞的规模对桩桩基基承承载载力力及变变 形形的影响。在检索到的国内外文献中除了该课题组成员发表的文章外，未未见见与与查查新新点点内内容容相相同同 的文献报道的文献报道。六、研究成果六、研究

20、成果岩溶岩溶发育区发育区桥桥梁桩梁桩基基设计与设计与施施工关工关键键技术技术研研究究岩溶岩溶发育区发育区桥桥梁桩梁桩基基设计与设计与施施工关工关键键技术技术研研究究七、经济及七、经济及社社会会效效益益1、经济效益根据湖北省高速公路建设“十三五”规划，计划完成投资7000亿元，其中公路不 铁路建设占40%以上。结合湖北省高速公路桥梁实际地形地貌情况，岩溶分布广泛， 如采用课题研究提出的岩溶发育区桥梁桩基设计不施工关键技术，每年节约工程费用 平均可逾数千万元可逾数千万元。若课题研究成果在湖北省公路不铁路桥梁建设中广泛应用，则仅 桩基工程节约费用将丌可估量。2、社会效益本课题研究了岩溶发育区桥梁桩基设计