浅谈岩溶地区桥梁基础设计
李漪，陆路
（安徽省交通规划设计研究院，安徽合肥２３００４１）
擒要：文章通过具体工程实例，结合岩溶地质发育形态，总结岩溶发育地区桥梁基础地质勘探、桥梁基础形式选用、溶洞顶板厚度计算及桩基设计施工等注意的问题，确保桥梁建设及运营的安全可靠。关键词：岩溶；地质勘探ｌ桥梁基础；溶洞顶板厚度计算中图分类号；ＴＵ４７３．１２文献标识码：Ａ文章编号：１６７３—５７８１（２００８）０３—０３６９—０３
Ｏ引言
岩溶地区由于工程地质条件复杂，地下溶洞发
育，如何确定桥梁基础型式、桩基础持力层标高、如何
在设计、施工过程中确保桩基础的质量，如何确定安
全、合理、经济的基础设计及溶洞处理方案，是桥梁设
计人员普遍关注的问题。
１工程概况
安徽省铜陵（朱村）至池州（毛竹园）高速公路与
铜汤高速公路在铜陵县大通镇的上水桥交叉，设置上
水桥互通立交。该互通立交位于水桥湖中，主线及８
条匝道均为桥梁。该地区工程地质条件复杂，地下发
育有土洞，充填软塑粘性土，并夹少量碎石。下伏地
层为三叠系下统南陵湖组（Ｔ，ｎ）、和龙山组（Ｔ。ｈ）的
灰岩、白云质灰岩组成。岩溶发育，溶洞层次较多；地
下水丰富。整个互通区有８０％的桥梁墩位处于岩溶
发育地带。不良地质条件给勘探、设计、施工均造成
了巨大的障碍。
２岩溶发育地区桥梁地质勘探
岩溶地区的地质勘探，应以查明岩溶发育程度及
地下溶洞的空间分布规律为目的［１］。针对本工程具
体情况结合设计周期考虑，决定边勘探边设计。结合
文献［２］的相关规定，先采用物探探明地下岩溶发育
情况，再在桥梁基础范围内逐桩钻探。事实证明：采
用此种钻探方法效果良好，既缩短了设计周期，又确
保了地质资料的准确。但由于桩基直径远大于钻孔直径，个别桩位并不能完全揭示岩溶发育及分布规
律。因此，对于部分直径１．５ｍ以上的桩基，采用了
一桩多孔查明岩溶情况。在桩基施工过程中，基岩面
露出后，在其四周布孔，准确查明基础范围内一定深
度的岩溶发育情况。同时，根据地质资料的反馈，变
更桩基设计Ｅ３］。
３岩溶发育地区桥梁基础方案选择
根据地质钻探结果，本项目桥梁基础方案选择遵
循以下原则：
（１）溶洞位于地表６ｍ以下且溶洞以上地质承
载力较好（地基承载力≥３００ｋＰａ），尽量采用明挖基
础以避开溶洞对桥梁下部的影响，如部分匝道桥桥
台处。
（２）溶洞距地面较深，溶洞以上地质情况不理
想，下部应采用桩基础。若桩基进入溶洞深度较小，
宜采用扩大桩基直径或是增加桩基根数的方法减少
桩长，尽量避免桩基伸入溶洞，如本互通内Ｄ匝道桥
１２＃～２１８桥墩。
（３）溶洞分布较广泛但又不联系在一起，彼此间
存在一定的间隙，则下部宜采用群桩基础，尽量减少
桩基穿过溶洞的长度，避免溶洞内过长的桩基增加施
工难度，如本互通Ｃ匝道桥２２＃＂－２９８桥墩。
（４）岩溶特别发育且互相关联形成巨大溶洞，桥
梁下部或采用超长桩基穿过溶洞，或增大桥梁跨径跨
越溶洞，或采用高填路基方案。通过综合分析比较，
最后选择施工难度小，可操作性强，工程造价相对较
低的方案。
收稿日期：２００８—０２—０１作者简介：李漪（１９８０一），男，安徽芜湖人，安徽省交通规划设计研究院工程师．
《工程与建设》２００８年第２ｚ卷第３期
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万方数据４岩溶发育地区的桩基础设计施工
４．１桩基设计施工要点
整个互通区域内共有桩基础９００多根，根据桩位
处的地质情况，桩基设计时应注意以下几点：
（１）位于溶槽或溶沟处的桩基础，当桩穿过溶
槽、溶沟内的填充土支立于溶槽底面或溶沟底面的岩
层上时，按支立于一般岩层上的柱桩进行桩的内力分析。桩的轴向容许承载力根据溶槽或溶沟底面岩层
的稳定性（包括强度和缝隙等情况）确定。当溶洞顶
板很薄，而溶洞内的底面很深，且洞内填充土密实稳
定，具有足够强度时，桩底可穿过溶洞的顶板置于溶
洞内的填充土层内而不置于溶洞的底板上，桩基按摩
擦桩设计。此时，顶面岩溶层与桩之间应采取隔离措
施，不考虑桩身与该顶面岩溶层之间的摩阻作用。
（２）基桩穿进多层岩溶层支立于坚固的岩层上
时，不考虑多层岩溶层对桩侧起摩阻作用，仅将这种
摩阻作用视作安全储备［４］。因为岩溶层与桩侧之间‘
的摩阻作用，在本质上不同于一般土与桩侧之间的摩
阻作用。如果多层岩溶层与桩侧之间粘结成一体，桩
身轴向荷载如何分配给单一岩层，是一个非常复杂的
问题，很可能在某一岩溶层与桩身粘结处，因受力集
中首先出现摩阻破坏而导致整个桩基础破坏。因此，
不仅不考虑多层岩溶层对桩侧的摩阻作用，而且在钻
孔灌筑桩施工过程中应采取措施（如采用麻布或油毛
毡作隔层），将多层岩溶层与桩壁之间分隔开，使基
桩承受的轴向荷载全部作用于桩底的坚固岩层上，并按柱桩设计。
（３）设计应注意桩基负摩擦力的影响。一般地基
土石在扰动之后都会在自重的作用下固结下沉，特别
是由于大量开采地下水而导致地基软弱层相对桩基固
结下沉而产生一个向下的摩擦力ＬＩＪ（即负摩擦力），从
而增加了桩基所承受的轴向荷载，甚至可能导致桩基
破坏。因此，施工时应考虑在中性点（负摩擦力和正摩
擦力分界点）以上用油毛毡或钢套管（管内抹油）作隔
离层，消除负摩擦力的影响。克服负摩擦力方法与解
决岩溶层桩基破坏方法相似，但原理不同。
（４）当地面以下有呈上下成串分布的溶洞时，充
分探明溶洞最下层分布的情况，采用直径不小于
１．５ｍ的钻孔桩。如分布的溶洞较小，且有填充物
时，可在钻孔至空洞时，先行压浆加固填充，待其凝固
到一定强度后再依次往下钻孔压浆，直至按摩擦桩计
３７０《工程与建设》２００８年第２２卷第３期算所需的桩长。若空洞比较大，或溶洞大小探明困
难，填充物较松散或没有，也必须采用先钻孔、抛石、
压浆填充空洞，再依次往下钻孔、压浆。此时应按柱
桩进行计算，除非能确保空洞填充、压浆密实，否则不
能计算桩周摩阻力。
４．２桩底持力层安全厚度的计算方法
桥梁桩基采用柱桩时，原则上应尽量穿过上部岩
溶发育带及溶洞层，选择溶洞下部弱风化基岩作为桩
底持力层。本项目中部分桩位处于下覆过深的多层
溶洞区，桩基若全部穿过溶洞层，则长达６０～７０ｍ，会给设计及施工工作带来困难，也会造成建设资金的
浪费，因此可考虑将溶洞顶板岩层作为桩端持力层。
根据抗弯、抗剪验算结果，评价洞室顶板稳定性［１］，正
确估算持力层厚度是岩溶地区多层溶洞桩基设计的关键问题。
（１）按溶洞顶板弯矩控制估算。溶洞顶板岩层
比较完整、层理较厚、强度较高、洞跨较大时（大于３
倍桩径），弯矩是主要控制条件，可按梁板受力情况
计算，最小设计持力层板厚为
Ｈ＝［６Ｍ／（■］）］０‘５（１）其中，［盯］为石灰岩１／１０容许抗压强度（ＭＰａ）；Ｍ为
单位宽度顶板上的弯矩荷载。根据顶板岩石的完整性，分别按筒支梁、悬臂梁
和固端梁３种情况计算：①当溶洞顶板四周完整，桩
基基底（即溶洞顶板跨中）有裂缝时，按悬臂梁计算，
Ｍ＝ｑ１２／２＋Ｐ１。②当溶洞顶板四周有裂缝，桩基基
底（即溶洞顶板跨中）完整时，按简支梁计算，Ｍ＝
ｇ产／８＋ＰＺ／４。③当溶洞顶板均完整时，按固端梁计算，Ｍ＝ｑ１２／１２＋０．７Ｐ１／４。３种方法中，Ｐ为桩尖对
溶洞顶板的集中作用力；ｑ溶洞顶板自重加上覆盖土
层均布荷载（ｋＮ／ｍ）；Ｚ为岩溶洞跨跨径（ｍ）。应该注ｊ蝴是桩底设置在第二层溶洞以下时，不
考虑覆盖土层均布荷载作用产生的弯矩。对于固端
梁，集中力弯矩可按０．７倍的简支梁计算。
（２）按剪切应力控制估算。溶洞顶板岩层完整、
岩体强度高但洞跨较小时（小于３倍桩径），抗剪切
力是溶洞顶板破坏的主要控制条件，最小设计持力层板厚为
Ｈ＝（诅＋Ｐ）／（ｒｔ）（２）其中，ｑ为溶洞顶板自重加上覆盖土层均布荷载
（ｋＮ／ｍ２）；Ｐ为桩尖对溶洞顶板的集中力（ｋＮ）；ｆ为
（下转第３７３页）
万方数据（３）与柱距Ｌ有关，当Ｌ越大，Ｋ值减小，即防
水板分担的压应力减少。当Ｌ增大到一定的趋势
时，防水板下的应力减少将趋于平缓。独立基础防水
板的荷载分配涉及的因素很多，但（３）式包含了主要
的因素，作为近似计算是可行的。
根据本工程地质情况，防水板及独立基础持力层
为坚硬黏土，在工程设计中，地下室底板一般按下列
组合作为底板反力进行地下室底板的抗弯、抗剪及裂
缝验算：①浮力加１０％地面以上荷载。②３０％所有
结构荷载（地面以上及地下室重量），取两者较大值。
对于柱下独基为确保结构安全，取所有结构荷载（不
包括地下室底板）进行设计和验算。利用（３）式做分
析如下：柱距Ｌ＝９．０ＩＴＩ，防水板和独立基础的持力层
均为坚硬黏土，压力扩散角ａ＝３０。，口一１，独立基础的
高度为１．５ｍ，独立基础的尺寸为５ＩＴＩ×５ｍ，带入
（３）式可得Ｋ一０．３８，该推导按刚性板变形协调考
虑，实际柱下独立基础的刚度比５００ｍｍ厚的整板大
得多，应力集中更明显，又因为防水板下铺设了起褥
垫作用的聚苯板，分配系数Ｋ应进行折减乘以０．７
的系数，Ｋ＝ｏ．２６Ｌ１。６Ｊ。
目前，在独立基础加防水板的常规设计中并未考
虑防水板的承载作用，其厚度和配筋通常过大。若合
理考虑独立基础与防水板的共同作用，即可充分挖掘
防水板的潜力，适当减小防水板和独立基础厚度与配
筋，使得设计更为合理，上述的分析给出了防水板的
参考分担系数。
４构造措施
对于独立基础加防水板的构造设计，为了避免防
水板承担过大的地基反力，以保证防水板的受力状况和设计相符，防水板下应设置起缓冲作用的软垫层。本工程在防水板下设置了５０ｍｍ厚的聚苯板，由于
其施工方便快捷且价格低廉，因此获得比较满意的技
术经济效果［７３。独立基础做成倒锥型的，坡度为４５。（如图１所
示），这样就减小了防水板根部的剪力，使得受力更加
合理。
５结束语
（１）在满足防水板承载力及抗冲切的条件下，如
果充分利用独立基础与防水板的共同作用，适当减小
独立基础的尺寸和防水板的厚度，将会获得较好的经
济效益。
（２）防水板在分担上部荷载时，为了充分发挥防
水板的承载能力，适当增大柱距是合适的。
（３）由于地基土的离散性特别大，影响地基反力
分配比的因素很多，所以采用本文推导的理论公式计
算地基反力分配比时，应按本地区经验对该公式进行
适当修正；不能修正时，采用该公式只是用作近似
计算。
［参考文献］［１］ＧＢ５０００７－－２００２，建筑地基基础设计规范［Ｓ］．［２］ＧＢ５００１０－－２００２，混凝土结构设计规范Ｉｓ］．［３］ＪＧＪ６—９９。高层建筑箱形与筏形基础技术规范［Ｓ］．［４］腺延京．建筑地基基础设计规范理解与应用［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００４．［５］龙驭球，包世华．结构力学（第２版）ＦＭ］．北京：高等教育出版杜，２００２．［６］林图．地基基础设计［Ｍ］．武汉：华中理工大学出版社，１９９６．［７］李纯，朱浮声．构造板独立基础地基反力测试［Ｊ］．辽宁工程技术大学学报（自然科学版），２００６，２５（２）ｔ２２０—２２２．
（上接第３７０页）
灰岩取１／１２容许抗压强度（ＭＰａ）；ｚ为溶洞平面周
长（ｍ）；Ａ为溶洞平面投影面积（ｍ２）。
５结束语
通过应用上述勘探设计原则，上水桥互通内桥梁
桩端持力层厚度根据溶洞顶板溶蚀、裂隙情况和整体
性，分别采用摩擦桩和嵌岩桩两种情况分析计算。对
于溶蚀、裂隙严重的溶洞顶板，按摩擦桩计算，对于无
溶蚀、裂隙现象的持力层，溶洞顶板按嵌岩桩计算，考
虑安全系数后，决定采用厚度为４～５ｍ的微风化完整顶板，作为桩基终孔最小控制溶洞顶板厚度。后期
设计人员结合施工现场开挖情况及时对桩基长度进
行了跟踪调整，经过多方努力，上水桥互通内桥梁桩
基现已顺利地完成了施工。
［参考文献］
［１］常士骠，张苏民，项勃．工程地质手册［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００７．［２］ＪＴＪ０６１—９９，公路勘察规范［Ｓ］．［３］杨文渊，徐霹．桥梁施工工程师手册［Ｍ］．北京：人民交通出版社，１９９７．［４］丘斌．岩溶地区桥梁桩基设计［Ｊ］．铁道建筑，２００４（５）：１３—１４．
《工程与建设》２００８年第ｚ２卷第３期
３７３
万方数据