高速铁路复杂岩溶地区桥梁桩基补桩设计

杨万鹏，田锦尚

（中铁二院南宁勘察设计研究院，广西 南宁 530022）

摘要：岩溶地区的高速铁路桥墩桩基采用冲击钻施工时，常遇到钻头卡钻甚至掉钻情况，当钻头斜卡在岩溶缝隙中，使原桩位桩基没有条件施工到设计标高，这时就需要重新调整桩基布置。本文通过用Midas-FEA NX软件建立桥墩-承台-桩基局部模型，分析永安桥15号墩两次补桩及原设计的受力分析，并与用工后半年稳定沉降计算土弹簧刚度修正局部模型约束的受力进行对比，得出补桩设计安全可行。

关键词：高速铁路 岩溶地区  补桩设计  土弹簧刚度

Design of bridge pile foundation in complex karst area of high speed railway

Abstract:When percussion drilling is used to construct the pile foundation of high-speed railway bridge piers in karst areas, drill bit is often stuck or even dropped. When the drill bit is tilted stuck in karst cracks, the original pile foundation cannot be constructed to the design elevation, so it is necessary to adjust the layout of pile foundation. In this paper, by using MIDAS-FEA NX software to establish a local model of pier, cap and pile foundation, the force analysis of pier no.15 of Yong 'an Bridge and the original design are analyzed, and compared with the force that calculation the stiffness of soil spring base on settlement after civil works to correct the local model constraint, the design of pile filling is safe and feasible.

Key words: High-speed railway; Karst area ;Filling pile design ;Stiffness of soil spring

0 引言

对于岩溶地区的桥梁桩基设计，很多学者都对次研究过，如齐林[1]对于承台 - 桩结构进行分析时，用一根竖直的刚性梁模拟承台，分析了岩溶地区不等长桩基和等长桩基在受力特点。郑朝林[2]采用Midas-GTS对岩溶地区岩溶地区桩基承载力进行分析，对桩基嵌岩深度提出建议。铁路桩基规范[3]也对岩溶地区桩基穿越溶洞时，可采取抛填片石或钢护筒跟进等措施。针对在施工中，桩基由于岩溶地区的发杂特性，如卡钻塌孔等原因在原桩位没条件施工时，采取补桩设计方面的研究还是比较少。文献[4]提到桥墩桩基塌陷采用纠偏措施，纠偏效果不理想，改用补桩处理方案。这里仅提到补桩方案，具体如何补桩，及补桩后基础的受力如何未涉及。

1 工程概况

永安多线特大桥是贵南高速铁路上的一座车站桥，孔跨式样为(40+64+40)m连续梁(4×32m站台)+1×32m+(32+4×32.7+32)m变宽连续梁+1×24m+(32+4×32.7+32)m等宽连续梁+6×32m，全桥长805.4m。该桥范围内不良地质为岩溶、土洞；特殊岩土为松软土。DK341+158.65～DK341+963.74段内隐伏岩溶主要以溶洞、溶槽为主，钻孔揭示有溶洞，见洞率44%,岩溶强烈发育。部分桥墩串珠状溶洞发育，该桥覆盖层巨厚，局部达60~80m，土洞发育。

15号墩为渡线连续梁的边墩，原设计墩高16m，桥墩采用圆端型桥墩，桩基采用钻孔柱桩设计，桩径1.5m，桩长采用等桩长73.5m，承台厚3.0m，桩基布置为纵桥×横桥向为4.7m×3.1m，承台平面尺寸7.2m×11.8m如图1.1所示，在施工过程中，6#桩施工在钻至66m，标高为223.098m附近时,发生塌孔卡钻，埋钻，经多次打捞均不成功，此时只剩5#、6#桩基未施工，进行了第一次补桩设计，桩基布置图如图1.2所示。补桩之后6#桩施工在钻至72.4m，标高为216.698m附近时,又发生塌孔卡钻，桩位再次无条件成孔，此时只剩6#桩基未施工，需再次进行补桩，桩基布置图如图1.3所示。

图1.1 原设计承台桩基布置图

图1.2第一次补桩桩基布置图

图1.3.第二次补桩桩基布置图

2补桩设计

  2.1局部模型建立

永安多线特大桥15号墩补桩设计局部模型采用Midas-FEA NX建立，采用实体单元建立承台及桩基局部模型，桩基底采用固定约束，网格划分采用六面体。局部模型如图2.1～2.3

图2.1原设计模型

图2.2第一次补桩模型

图2.3第二次补桩模型

  2.2承载力分析

  本桥桩基设计原则是桩基穿过溶洞后嵌入岩层1.0～1.5m设计，根据铁路桩基规范中的桩基容许承载力公式可计算处15号墩的单桩容许承载力为28154kN；铁路桩基规范中对桩顶承载力计算没有明确规定，参考建筑地基基础设计规范[5]桩基承载力计算公式：该公式中部分是建立各桩基均匀受力的假设上，而实际中桩基距离受力点（桥墩受力中心）越近承担的力越大。通过实体模型计算得出的主力+附加力桩基承载力也是如此，如表2.1所示

表2.1局部模型分析单桩承载力（kN）

	1#	2#	3#	4#	5#	6#	7#	8#
原设计	6512.1	7447.6	7447	6511.7	6749.6	7805.6	7805.6	6750.1
第一次补桩	7303.8	7892.2	7566.8	6402.4	6704.1	7150.6	8024.4	6802.8
第二次补桩	6140.4	7024.3	7125.9	6262.9	6981.8	7993.9	8560.3	7252

由表中数据可得出，原设计桩基布置均匀，桩基承载力也基本沿着纵向中心线对称，而补桩后，由于桩基补桩不对成，其他各桩基受力也有影响。受力最大的都为6#、7#桩基，第一次补桩承载力增大3%，第二次补桩承载力增大10%。所以补桩设计中第一次的桩基布置优于第二次。

  2.2局部分析

局部模型最大的von-mises应力都发生在桩顶下约0.5m处，这规范在桩顶处箍筋间距加密的原则是一致的。von-mises应力如图2.4～2.6

图2.4原设计应力云图

图2.5第一次补桩应力云图

图2.6第二次补桩应力云图

提取局部模型位移及应力如表2.2所示

表2.2局部模型变形及应力表

	变形（mm）		σ1（MPa）		σ2（MPa）		σ3（MPa）		von-mise（MPa）
	max	min	max	min	max	min	max	min	max	min
原设计	0.31	0	-1.15	0.66	-3.16	0.03	-1.24	0.33	3.28	0.003
第一次补桩	0.32	0	-1.27	0.86	-3.43	0.03	-1.4	0.57	3.52	0.004
第二次补桩	0.32	0	-1.39	0.68	-3.68	0.03	-1.51	0.6	3.56	0.004

变形由于墩高不变，上部结构传来的荷载不变，所以基本没变化，第二主应力（相当于桩基压应力）随着桩位的调整有所增大，第一次补桩增大8%，第二次补桩增大16%，第一次补桩由于第二次，但都在容许范围内。

3 局部模型考虑土弹簧影响

   上部结构施工完后对15号墩进行半年沉降观测，观测点布置在承台上1m位置，桥墩横桥向边缘对称布置各一个。桥墩沉降变化如图所示。

图3.1桥墩沉降变化图（mm）

  半年工后沉降基本趋于稳定，稳定值为2.73mm，利用稳定沉降数值估算土弹簧刚度对结构影响，土弹簧刚度K=uP/s，式中u为通过试算法得出沉降观测稳定位移与计算位移相近的系数，s为观测稳定沉降值，P为单桩承载力。局部模型采用土弹簧约束后位移及应力图如表3.1所示：

表3.1局部模型考虑土弹簧后变形及应力表

	变形（mm）		σ1（MPa）		σ2（MPa）		σ3（MPa）		von-mise（MPa）
	max	min	max	min	max	min	max	min	max	min
原设计	2.82	2.26	-0.88	0.61	-3.49	0.03	-1	0.35	3.27	0.004
第一次补桩	2.76	2.29	-0.96	0.91	-3.59	0.03	-1.04	0.64	3.75	0.004
第二次补桩	3.21	1.92	-0.95	0.77	-3.91	0.03	-1.19	0.66	4.94	0.004

考虑土弹簧影响时，第一、三主应力有所减小，第而主应力及von-mise应力有所增大，增大约%4～10%，第一次补桩的应力水平优于第二次。

4 结语

本文通过对贵南高铁永安多线特大桥15#墩原设计及两次补桩设计研究可知，两次补桩设计承载力及应力满足要求。同时也对以后出现类似工程设计提出以下建议：

(1)满足规范刚性角及桩间距要求；

(2)补桩桩位与原桩位净距大于0.5m；

(3)原桩位用混凝土回填至原地面，避免形成人为土洞；

(4)补桩位相对原桩位宜往外布置。

参考文献

[1]齐林.岩溶地区桥梁桩基设计及不等长桩基受力分析[J]. 城市道桥与防洪:2019(6):126-128

[2] 郑朝林.岩溶地区桥梁嵌岩桩设计研究[J].绿色交通：2018（7）：254-255

[3]TB 10093—2017，铁路桥涵地基和基础设计规范[S]

[4]郭阔.岩溶地区某桥梁基桩设计与计算实例分析

[J].城市道桥与防洪:2016(10):82-83

[5] GB50007-2011建筑地基基础设计规范[S]

作者简介：杨万鹏 男 汉族 硕士研究生学历 中铁二院南宁勘察设计研究院工作 工程师 从事桥梁设计工作 通讯地址：广西南宁市青秀区民族大道88-1号