CN107992673A - 一种用于岩溶区桥梁桩基的勘探深度确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及桩基技术领域，尤其是一种用于岩溶区桥梁桩基的勘探深度确定方法，其特征在于：计算所述岩溶区内的桩基的极限设计桩长及其安全计算公式，将岩溶区的单孔线溶率参数及勘探深度参数代入安全计算公式从而计算得到勘探深度与单孔线溶率之间的关系式，根据现场的所述单孔线溶率结合所述关系式确定所述勘探深度。本发明的优点是：便于技术人员按照正常的勘察、设计、施工顺序，应用模型的力学分析成果，用力学计算手段，现场控制勘察深度，在满足设计需求的同时，实现优化勘察方案，节约经济的目的；模型建立合理、边界条件控制严格、计算理论成熟可靠、成果应用针对性强、对设计施工指导意义重大、新方法应用便捷。

Description

一种用于岩溶区桥梁桩基的勘探深度确定方法

技术领域

本发明涉及桩基技术领域，尤其是一种用于岩溶区桥梁桩基的勘探深度确定方法。

背景技术

总结项目在可研、初步设计、施工图设计各阶段工作流程现状，近年来，我国现有国铁、轨道交通、工民建等大型单体项目均按照勘察、设计、施工的组织要求开展实施。作为一种典型的不良地质现象，“岩溶区桩基”是勘察、设计人员在各阶段均会面对且接触频次极高的工程术语。针对该不良地质现象的一系列国家、行业、地区规范亦日益全面，各规范的制定技术标准同样越来越高。按照项目类型，可将上述勘察规范划分为国标、行标两大类，技术人员现有工作均参照执行。总结“岩溶区桩基”的勘察要点，概括其现状工作重点如下。

岩土工程勘察规范从桩基、溶洞两方面对勘探孔深度做了简要说明。岩溶区桩基础区域的地质勘探，一般性勘探孔的深度，应达到预计桩长以下3-5倍桩径，且不得小于3m，对大直径桩，不得小于5m。控制性勘探孔深度，应满足下卧层验算要求。对嵌岩桩，应钻入预计嵌岩面以下3-5倍桩径，并穿过溶洞、破碎带，到达稳定地层。对大直径嵌岩桩，勘探深度应不小于底面以下3倍桩径并不小于5m，当相邻桩底的基岩面起伏较大时应适加深。

铁路工程地质勘察规范以不良地质为基本划分单元，规定勘探深度应至建筑物基础以下10-15m，揭露溶洞时，应根据工程需要适当加深。对于桩基，在岩溶发育及地下采空地段，应钻至基底以下不小于10m，在此深度内如遇溶洞及空洞，勘探深度应专门研究确定。对于基岩地段，当风化层不厚或为硬质岩时，应同时满足穿透强分化带，钻至弱风化层（或微风化层）2-3m的要求。

结合我院近年来的岩溶区桩基勘探经验，经过同行业间的交流学习，以满足嵌岩桩设计调整需求，达到范围性控制地层的目的，目前针对“岩溶区桩基”的地质勘察，多以进入完整基岩10m为孔深控制原则。

既有勘察多在现行规范的要求下开展工作，一定意义上可以提升惯用技术的实施水平，在常规理论、通用规范的支持下稳中求胜。既有勘探手段应用性广、适用对象灵活的特点，造成其勘探资料不可避免的会针对性弱。勘察人员在处理具体工程时，若忽略场地溶洞的空间分布性状以及设计可能采用的桩基类型，一味的套用既有“模板”开展勘察工作，必定会造成工作量的浪费，违背动态勘察、经济合理的作业初衷。因此，勘察技术人员有必要了解项目后期的设计思想，以环境适应性为基本要求，主动认识岩溶区桩基的力学特性。通过与设计人员多沟通，逐渐转变角色，从机械执行岩溶区勘察规范，转变为主动参与设计，用设计方案指导勘察，将分阶段开展的勘察、设计工作进行思想糅合、相互牵制、共同推进。最终实现从环境与设计两个角度，寻求勘探深度确定的新方法，以最经济、合理的桩基勘察方式，满足岩溶区建设需求。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种用于岩溶区桥梁桩基的勘探深度确定方法，从桩体所受力学平衡方程入手，推得适应各工程力学条件的桩长计算通用公式，随后通过通用公式，引入勘探深度的概念，将桩长通用计算公式，转变为勘探深度与单孔线溶率之间的关系，从而将模型在后期设计阶段得出的力学方程，成功转变为前期勘察阶段的勘探方案控制方程。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种用于岩溶区桥梁桩基的勘探深度确定方法，在岩溶区内具有溶洞，其特征在于：计算所述岩溶区内的桩基的极限设计桩长及其安全计算公式，将岩溶区的单孔线溶率参数及勘探深度参数代入安全计算公式从而计算得到勘探深度与单孔线溶率之间的关系式，根据现场的所述单孔线溶率结合所述关系式确定所述勘探深度。

所述桩基的安全计算公式为：

，式中L₀为桩基的总桩长，d为桩基的桩径，f为桩基的混凝土平均抗剪切应力，k为设计安全系数，l₁、l₂及l_i均为桩基桩侧溶洞的平均高度，其中l₁为桩侧第一个溶洞的平均高度，l₂为桩侧第二个溶洞的平均高度，l_i为桩侧第i个溶洞的平均高度，F_N为桩基桩顶所受到拟建上部结构的荷载，γ₀为桩基的平均重度。

所述勘探深度与单孔线溶率之间的关系式为：

，式中L_x为设计勘探深度，F_N为桩基桩顶所受到拟建上部结构的荷载，d为桩基的桩径，f为桩基的混凝土平均抗剪切应力，k为设计安全系数，ε为 表示所述单孔线溶率，l₁、l₂及l_i均为桩基桩侧溶洞的平均高度，γ₀为桩基的平均重度。

当 时停止勘探，在满足所述桩基竖向承载力需求的前提下，确定所述桩基的长度，并使所述勘探深度最小。

若所述桩基的设计桩侧溶洞所提供的桩侧摩阻力小于所述拟建上部结构的荷载及桩体自重时，则根据 确定所述勘探深度和所述桩基的桩长，式中L_x为设计勘探深度，F_N为桩基桩顶所受到拟建上部结构的荷载，d为桩基的桩径，f为桩基的混凝土平均抗剪切应力，k为设计安全系数，ε为 表示所述单孔线溶率，l₁、l₂及l_i均为桩基桩侧溶洞的平均高度，γ₀为桩基的平均重度，C_端为所述桩基的桩端阻力。

本发明的优点是：便于技术人员按照正常的勘察、设计、施工顺序，应用模型的力学分析成果，用力学计算手段，现场控制勘察深度，在满足设计需求的同时，实现优化勘察方案，节约经济的目的；模型建立合理、边界条件控制严格、计算理论成熟可靠、成果应用针对性强、对设计施工指导意义重大、新方法应用便捷。

附图说明

图1为本发明的模型示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1所示，图中标记1-8分别表示为：嵌岩摩擦桩1、基岩2、桩边界3、溶洞4、裂隙5、混凝土6、钢筋笼7、柔性材料8。

实施例：如图1所示，本实施例中用于岩溶区的桩基为嵌岩摩擦桩1，嵌岩摩擦桩1设置在基岩2之中，在基岩2的区域范围内具有若干溶洞4，且溶洞4之间存在有使溶洞4之间形成相互连通的裂隙5。嵌岩摩擦桩1由混凝土6、钢筋笼7和柔性材料8构成，其中柔性材料8包覆在钢筋笼7的外围，混凝土6浇筑在柔性材料8所围成的注浆区域之中。如图1所示，柔性材料8在混凝土6浇筑完成后，其向与桩体侧面相接触的各个溶洞4内膨胀形成桩体侧面的凸出部分并嵌入到溶洞4之中，即桩边界3上具有与各个所接触的溶洞4所对应的向溶洞4内膨胀的凸出部分。此时，嵌岩摩擦桩1的桩身区域内的溶洞4变废为宝，采用限定桩边界3的方式，将溶洞4区域对桩体侧摩阻的消减，转变为贡献并充分发挥出来，即依附嵌岩摩擦桩1的结构，溶洞4区域的存在反而提高了其侧摩阻并进一步提高了嵌岩摩擦桩1的单桩承载力。

如图1所示，嵌岩摩擦桩1的计算模型中，拟建建筑物通过承台下传的作用外力为F_N，桩体自重为G₀，基岩中各溶洞在桩基两侧的高度为L_i、在桩基侧表面所产生的摩擦力为F_i，假设桩体直径为d，总桩长为L₀，选取桩基底部的A作为应力计算点，设定桩体的平均重度为γ₀。桩周溶洞的平均高度为l_i，桩顶受承台传递压应力为F_N，工程安全系数为k。

模型选定桩端底部点A作为桩体应力计算点。算得桩基需满足的安全计算公式如下：

（1）

桩基设计过程中，可根据地质钻探统计的 值，结合公式（1）及经验，确定合理的设计桩长L₀。公式中l₁、l₂、l_i为桩身范围内各溶洞的平均洞高， 、 、 ，L₀为桩基设计长度。假定某一项目已确定的极限设计桩长为L₀，即：

（2）

式中L₀为桩基的总桩长，d为桩基的桩径，f为桩基的混凝土平均抗剪切应力，k为设计安全系数，l₁、l₂及l_i均为桩基桩侧溶洞的平均高度，其中l₁为桩侧第一个溶洞的平均高度，l₂为桩侧第二个溶洞的平均高度，l_i为桩侧第i个溶洞的平均高度，F_N为桩基桩顶所受到拟建上部结构的荷载，γ₀为桩基的平均重度。

若遇特殊情况，如桩身溶洞数量明显较少，设计人员依靠桩侧摩阻力平衡上部荷载及桩体自重存在明显不足，则可通过调整桩体刚度的方式，将桩端阻力C_端作为考虑对象，算得的极限设计桩长为L₀如下：

（3）

公式（2）、（3）表示在既有 状态下，L₀长度已满足桩基承载力需求。

设定某一工程的设计勘察深度为L_x，L_x＞0，将公式（1）两侧同时除以L_x，可得：

（4）

设定单孔线溶率为 ，用字母ε表示，代入公式（4）可得：

（5）

移项并合并同类项后，可得出公式如下：

（6）

从而得到勘探深度和单孔线溶率之间的关系式。式中L_x为设计勘探深度，F_N为桩基桩顶所受到拟建上部结构的荷载，d为桩基的桩径，f为桩基的混凝土平均抗剪切应力，k为设计安全系数，ε为 表示所述单孔线溶率，l₁、l₂及l_i均为桩基桩侧溶洞的平均高度，γ₀为桩基的平均重度。

按照规范要求， ，故当 时，勘探深度最小，且最经济。此时公式（6）即满足如下关系：

（7）

当现场勘探深度L_x及单孔线溶率ε满足公式（7）时，即可停止钻探，且此时桩长L₀选择勘探深度L_x，亦满足单桩竖向承载力需求，即：

（8）

将公式（3）通过同样换算，即可得出特殊情况下，勘探深度及桩长极限平衡计算公式如（9）：

（9）

上述论述，为本实施例的计算勘探深度确定步骤，勘察技术人员可转变传统作业思维，由被动接收设计提资，到主动了解设计背景，合理分析拟建工程上部结构的荷载分配方式及设计安全系数，对工程拟采用的建筑材料、桩径等进行详细了解。随后通过公式（7），计算现场勘探深度与单孔线溶率的组合关系，动态调整勘探方案，在满足公式（8）的条件下，终止勘探，此时孔深既能满足设计需求，亦最大限度的节约了勘察工作量。此种勘察技术的优化，在各线状工程，尤其是线路方案在施工图阶段仍会发生优化的大型国铁领域尤为重要。当遇到特殊情况时，可以公式（9）作为勘探深度是否足够的判别标准。

本实施例在具体应用时，包括如下步骤：

力学计算

根据设计安全系数k、单桩所需承受的外部作用力F_N、桩体混凝土的抗剪切应力f、桩体重度γ₀、溶洞的平均洞径l₁、l₂、l_i值、由公式（1），算得桩长的安全计算公式。

溶洞参数计算

将勘探过程中的单孔线溶率ε，实时带入公式（7），计算安全计算公式的满足条件。

循环计算

随着勘探深度的增加，重复步骤，直至单孔线溶率ε满足公式（8），停止钻探。此时的勘探深度L_x即为最佳勘探深度，该深度亦满足桩长的极小需求。即L_x=L₀。

特殊情况

若遇特殊情况，如桩身溶洞数量明显较少，则将上述步骤中的公式（8），替换为公式（9），重复进行步骤、。即可确定考虑桩端阻力情况下，岩溶区桩基的最佳勘探深度。

本实施例中的勘探深度确定方法充分考虑了岩溶区溶洞的分布，以洞径作为溶洞空间特性的代表参数；严格尊重设计，所依据设计模型参数选取合理，工程实用性较强；通过参数转换，以单孔线溶率作为勘探深度的控制原则，表述直观，便于技术人员现场使用来源于设计，服务于设计，实现了勘察服务设计，设计指导勘察的目的，使得勘察工作的开展，与设计紧密联系，真正做到了经济合理，亦使得勘察设计成果，更具工程实用性。

虽然以上实施例已经参照附图对本发明目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明作出各种改进和变换，故在此不一一赘述。

Claims (5)

1.一种用于岩溶区桥梁桩基的勘探深度确定方法，在岩溶区内具有溶洞，其特征在于：计算所述岩溶区内的桩基的极限设计桩长及其安全计算公式，将岩溶区的单孔线溶率参数及勘探深度参数代入安全计算公式从而计算得到勘探深度与单孔线溶率之间的关系式，根据现场的所述单孔线溶率结合所述关系式确定所述勘探深度。

2.根据权利要求1所述的一种用于岩溶区桥梁桩基的勘探深度确定方法，其特征在于：所述桩基的安全计算公式为：

，式中L₀为桩基的总桩长，d为桩基的桩径，f为桩基的混凝土平均抗剪切应力，k为设计安全系数，l₁、l₂及l_i均为桩基桩侧溶洞的平均高度，其中l₁为桩侧第一个溶洞的平均高度，l₂为桩侧第二个溶洞的平均高度，l_i为桩侧第i个溶洞的平均高度，F_N为桩基桩顶所受到拟建上部结构的荷载，γ₀为桩基的平均重度。

3.根据权利要求1所述的一种用于岩溶区桥梁桩基的勘探深度确定方法，其特征在于：所述勘探深度与单孔线溶率之间的关系式为：

，式中L_x为设计勘探深度，F_N为桩基桩顶所受到拟建上部结构的荷载，d为桩基的桩径，f为桩基的混凝土平均抗剪切应力，k为设计安全系数，ε为表示所述单孔线溶率，l₁、l₂及l_i均为桩基桩侧溶洞的平均高度，γ₀为桩基的平均重度。

4.根据权利要求3所述的一种用于岩溶区桥梁桩基的勘探深度确定方法，其特征在于：当时停止勘探，在满足所述桩基竖向承载力需求的前提下，确定所述桩基的长度，并使所述勘探深度最小。

5.根据权利要求3所述的一种用于岩溶区桥梁桩基的勘探深度确定方法，其特征在于：若所述桩基的设计桩侧溶洞所提供的桩侧摩阻力小于所述拟建上部结构的荷载及桩体自重时，则根据确定所述勘探深度和所述桩基的桩长，式中L_x为设计勘探深度，F_N为桩基桩顶所受到拟建上部结构的荷载，d为桩基的桩径，f为桩基的混凝土平均抗剪切应力，k为设计安全系数，ε为表示所述单孔线溶率，l₁、l₂及l_i均为桩基桩侧溶洞的平均高度，γ₀为桩基的平均重度，C_端为所述桩基的桩端阻力。