岩溶地区桥梁地基稳定性评价方法_郝大为.pdf

由于岩溶地区存在岩溶裂隙、溶洞等不良地质现象，所以建在岩溶地区的桥梁地基将会在桥梁自重、施工荷载等作用下出现不均匀沉降、地面变形和下伏溶洞顶板塌陷等不稳定问题。由于地质条件的复杂性和勘察手段的局限性1，难以对桥梁地基影响范围内存在的溶洞做出准确、详细的判断，而一旦发生地基失稳将影响桥梁安全并造成严重危害2-4。因此，需要对岩溶地区桥梁地基稳定性进行评价。1地基失稳对桥梁的影响桥梁地基下存在溶洞对桥梁的危害主要表现在地基承载力不足，顶板厚度、岩石强度不够而引起的地基失稳破坏。只有在桥梁规划、建设时对岩溶地基稳定性进行定量的评价，并采取有针对性的处理措施，做到有的放矢，才能避免或消除地基失稳对桥梁的影响。2岩溶地区桥梁地基稳定性评价方法的构建层次分析法是将评价模型分为目标层、准则层、指标层等不同层次，通过相同层次两两因素之间的对比，逐层比较多种关联因素之间的重要性，最后确定其整体影响特征的方法5。笔者采用多项式数学表达式来评价岩溶地区桥梁地基稳定性，运用层收稿日期：2023-01-08作者简介：郝大为，男，高级工程师，硕士，主要研究方向为隧道和地下工程。引文格式：郝大为，吴亚超，刘华江，等.岩溶地区桥梁地基稳定性评价方法 J.市政技术，2023，41（5）：96-101.（HAO D W，WU Y C，LIU H J，et al.Evaluation method of bridge foundation stability in karst areas J.Journal of municipal technology，2023，41（5）：96-101.）文章编号：1009-7767（2023）05-0096-06第41卷第5期2023年5月Vol.41，No.5May 2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.05.096Journal of Municipal Technology岩溶地区桥梁地基稳定性评价方法郝大为*，吴亚超，刘华江，崔瀛，唐建明（中交第三公路工程局工程设计研究院，北京 101304）摘要：岩溶塌陷是岩溶地基失稳的主要表现形式，其发生的时间和空间很难预测。如果由于岩溶塌陷发生导致桥梁地基失稳，将影响桥梁安全并造成严重危害。因此，通过对岩溶地区桥梁地基失稳因素进行分析，筛选出 12 个评价因子进行分级、赋值，运用层级分析法建立了岩溶地区桥梁地基稳定性的评价数学表达式，并经过工程实例检验得到了评价结果。该研究方法可为岩溶地区桥梁的规划、建设提供参考。关键词：岩溶塌陷；桥梁地基；稳定性；层次分析法中图分类号：U 445.4；P642.25文献标志码：AEvaluation Method of Bridge Foundation Stability in Karst AreasHao Dawei*，Wu Yachao，Liu Huajiang，Cui Ying，Tang Jianming（Engineering Design and Research Institute of CCCC Third Highway Engineering Co.，Ltd.，Beijing 101304，China）Abstract：Karst collapse is the main form of karst foundation instability and is difficult to predict its occurrence timeand space.The karst collapse will cause the bridge foundation instable which will affect the safety of the bridge andcause serious harm.In this paper，through the analysis of the factors of bridge foundation instability，12 evaluationfactors were selected to classify and assign.The evaluation mathematical expression was established by analyticalhierarchy process（AHP）.The evaluation results were obtained by engineering examples.The research method canprovide reference for the planning and construction of bridges in karst areas.Keywords：karst collapse；bridge foundation；stability；analytical hierarchy process（AHP）第5期次分析法确定各评价因子的指标权重，即：H=n1C1+n2C2+niCi。（1）式中：H为评价结果；Ci为各评价因子的赋值；ni为指标权重。2.1构建递阶层次模型影响岩溶地区桥梁地基稳定性的因素众多，不同的空间位置、不同的地质环境背景条件和影响因素所起的作用各不相同6。笔者根据各级风险因素建立递阶层次模型：第1层次为目标层，第2层次为准则层，第3层次为指标层，其中指标层选择了12个风险因素作为评价因子。岩溶地区桥梁地基稳定性递阶层次模型见图1。2.2评价因子等级划分2.2.1岩溶发育程度岩溶发育程度是产生岩溶塌陷的前提条件。可溶性岩石中的节理、裂隙是地下水和塌陷物质的转移通道，可通过其中的岩溶水将塌陷物质迁移至它处，使岩石逐渐形成溶洞并最终失稳7。笔者将岩溶发育程度按强发育、中等发育和弱发育划分为3个等级。2.2.2溶洞跨度溶洞顶板所受弯矩与溶洞跨度的平方成正相关性，且溶洞的大小，尤其是溶洞的跨度是决定岩溶地基稳定的关键因素。根据文献8将溶洞跨度按2m、24m、48m、812m、12m划分为5个等级。2.2.3溶洞填充情况溶洞填充情况从全填充到无填充其稳定性呈大大降低的趋势。将溶洞填充情况按全填充、半填充和无填充划分为3个等级。2.2.4溶洞顶板厚度溶洞顶板厚度对岩溶地基的稳定性起着决定性的作用。根据文献8将溶洞顶板厚度按1.5 m、1.53m、34.5m、4.56 m、6 m划分为5个等级。2.2.5岩石质量指标岩石质量指标能够定量地反映岩体的完整程度，是评价岩溶地基稳定性的一个重要参数。将岩石质量指标按RQD90%、RQD=75%90%、RQD=50%75%、RQD=25%50%、RQD25%划分为5个等级。2.2.6岩石抗压强度岩石抗压强度直接与地基的承载力和变形性质相关，同样对岩溶地基的稳定性起着决定性的作用。将岩石抗压强度按坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩和极软岩划分为5个等级。2.2.7上覆土层厚度上覆土层是岩溶塌陷的物质来源，上覆土层厚度越薄岩溶地基越容易产生岩溶塌陷。根据文献9将上覆土层厚度按010 m、1030 m、30 m划分为3个等级。2.2.8上覆土层结构上覆土层结构越多，土层稳定性就越差，越易发生岩溶塌陷。根据文献6将上覆土层结构按多层、双层和单层划分为3个等级。图1岩溶地区桥梁地基稳定性递阶层次模型Fig.1 Hierarchical model of bridge foundation stability in karst areas郝大为等：岩溶地区桥梁地基稳定性评价方法97Journal of Municipal Technology第41卷2.2.9地下水水位地下水在土、岩交界面附近的上下波动是岩溶塌陷的动力条件，地下水水位频繁、长期地变动会诱发岩溶塌陷。根据文献6将地下水水位按到土、岩交界面的距离10 m、510 m、5 m划分为3个等级。2.2.10地下水径流通道地下水径流通道是岩溶塌陷的内在因素。径流通道多由溶洞、溶隙和断裂附近的破碎岩石构成，水借助径流通道不断地将上覆土层中的土颗粒带走从而形成了岩溶塌陷。根据文献10将地下水径流通道按低水位裂隙流、低水位裂隙管道流和低水位管道流划分为3个等级。2.2.11桥梁荷重及重要性岩溶地基直接承受着桥梁荷重，而桥梁荷重及重要性直接关系到岩溶地基的稳定性。将桥梁荷重及重要性按特大桥、大桥、中桥、小桥和涵洞划分为5个等级。2.2.12人类工程活动人类工程活动主要包括地下水开采、地面堆载、施工设备与车辆、钻孔扰动和爆破等。其中桥梁建设经常伴有桩基施工而发生振动，会对岩溶地基产生不利影响。根据文献11将人类工程活动按强度大、强度较大、强度中等、强度弱和强度很弱划分为5个等级。2.3评价因子分级、赋值根据文献12将岩溶地区桥梁地基稳定性划分为稳定、基本不塌、难塌、易塌和极易塌5个等级，再通过对评价因子数据统计分析并进行分级、赋值，见表1。准则层指标层稳定5基本不塌4级别难塌赋值3易塌2极易塌1岩溶条件B1岩溶顶板B2覆盖层条件B3地下水条件B4人类活动B5岩溶发育程度C11溶洞跨度C12溶洞填充情况C13溶洞顶板厚度C21岩石质量指标C22岩石抗压强度C23上覆土层厚度C31上覆土层结构C32地下水水位C41地下水径流通道C42桥梁荷重及重要性C51人类工程活动C52弱发育2 m全填充6 mRQD90%坚硬岩30 m单层10 m低水位裂隙流涵洞强度很弱24 m4.56 mRQD=75%90%较硬岩小桥强度弱中等发育48 m半填充34.5 mRQD=50%75%较软岩1030 m双层510 m低水位裂隙管道流中桥强度中等812 m1.53 mRQD=25%50%软岩大桥强度较大强发育12 m无填充1.5 mRQD25%极软岩010 m多层5 m低水位管道流特大桥强度大表1岩溶地区桥梁地基稳定性评价因子分级、赋值表Tab.1 Evaluation factors grading&assignment table of bridge foundation stability in karst areas2.4评价因子权重计算2.4.1构造判断矩阵利用层次分析法中19标度表示各因素之间影响的强弱。判断矩阵的标度和含义见表2。通过对岩溶地基稳定性因素的分析，逐项就各层中的评价因子对上一层目标的相对重要性进行两两比较，确定它们的相对重要性并赋以相应的分值，构造出准则层Bi相对于目标层A的判断矩阵，见表3。2.4.2层次单排序及其一致性检验设判断矩阵A=（aij）nn，计算该判断矩阵特征向量方根法的计算步骤如下13：1）计算判断矩阵每一行元素的乘积，即标度含义135792，4，6，8倒数表示2个因素相比，具有相同重要性表示2个因素相比，前者比后者稍重要表示2个因素相比，前者比后者明显重要表示2个因素相比，前者比后者强烈重要表示2个因素相比，前者比后者极端重要表示上述相邻判断的中间值若因素i与因素j相比的重要性为aij，那么因素j与因素i相比的重要性为aji=1/aij表2判断矩阵的标度和含义Tab.2 The scale and meaning of the judgment matrix98第5期mi=nj=1仪aij，i=1，2，n。（2）2）计算mi的n次方根，即w 軍i=min姨，i=1，2，n。（3）3）将向量w 軍i=w 軍，w 軍2，w 軍nT进行归一化处理，即%wi=w 軍i/ni=1移w 軍i，i=1，2，n。（4）则w=w，w2，wnT即为所求的特征向量。式中：wi为因素类权重；w 軍i为判断矩阵元素；n为判断矩阵阶数。4）计算最大特征根，即%max=ni=1移（Aw）i/（nwi）。（5）式中：max为判断矩阵最大特征值；（Aw）i为向量Aw的第i个分量。5）计算一致性指标，即CI=max-nn-1。（6）式中：CI为一致性指标。6）计算平均随机一致性比率，即%CR=CIRI0.1。（7）式中：CR为一致性比率；RI为随机一致性指标，见表4。根据上述过程判断矩阵计算结果见表59。2.4.3层次总排序及其一致性检验1）计算层次总排序权值，即CW（i）=mj=1移ajbij，i=1，2，n。（8）2）计算层次总排序随机一致性比率，即CR=mj=1移ajCIjmj=1移ajRIj0.1。（9）根据上述过程计算最终权重结果见表10。阶数123456789101112RI0.00 0.00 0.58 0.89 1.12 1.24 1.32 1.41 1.45 1.49 1.52 1.54表4随机一致性指标RI值Tab.4 Random consistency index RI valueB1C11C12C13WC1iC11C12C13131/31/311/53510.2580.6370.105表5指标层C1j相对于准则层B1的判断矩阵Tab.5 Judgment matrix of indicator layer C1jrelative tocriterion layer B1注：CR=0.033 30.1，满足一致性检验。B2C21C22C23WC2iC21C22C2311/31/231221/210.5390.1640.297表6指标层C2j相对于准则层B2的判断矩阵Tab.6 Judgment matrix of indicator layer C2jrelative tocriterion layer B2注：CR=0.007 90.1，满足一致性检验。B3C31C32WC3iC31C3211/2210.6670.333表7指标层C3j相对于准则层B3的判断矩阵Tab.7 Judgment matrix of indicator layer C3jrelative tocriterion layer B3注：CR=0.000 00.1，满足一致性检验。B4C41C42WC4iC41C4211/3310.7490.251表8指标层C4j相对于准则层B4的判断矩阵Tab.8 Judgment matrix of indicator layer C4jrelative tocriterion layer B4注：CR=0.000 00.1，满足一致性检验。B5C51C52WC5iC51C5211/3310.7490.251表9指标层C5j相对于准则层B5的判断矩阵Tab.9 Judgment matrix of indicator layer C5jrelative tocriterion layer B5注：CR=0.000 00.1，满足一致性检验。AB1B2B3B4B5WBiB1B2B3B4B5111/51/31/2111/51/31/255122331/212221/21/210.3290.3290.0670.1080.167表3准则层Bi相对于目标层A的判断矩阵Tab.3 Judgment matrix of criterion layer Birelative totarget layer A注：CR=0.007 30.1，满足一致性检验。郝大为等：岩溶地区桥梁地基稳定性评价方法99Journal of Municipal Technology第41卷2.5评价数学表达式根据式（1）和各评价因子的最终权重结果，岩溶地区桥梁地基稳定性的评价数学表达式为：H=0.085岩溶发育程度赋值+0.209溶洞跨度赋值+0.035溶洞填充情况赋值+0.177溶洞顶板厚度赋值+0.054岩石质量指标赋值+0.098岩石抗压强度赋值+0.045上覆土层厚度赋值+0.022上覆土层结构赋值+0.081地下水水位赋值+0.027地下水径流通道赋值+0.125桥梁荷重及重要性赋值+0.042人类工程活动赋值。3工程实例某项目含1座景观中桥，桥全长92 m，桥梁桩基采用钻孔灌注桩，桩基设计为摩擦型端承桩。3.1岩溶发育特征场区揭露基岩为可溶性石灰岩，基岩面起伏变化大，在石灰岩的桥梁钻孔中揭露到溶洞的数量较多，溶洞跨度最大达7.2 m。场区岩溶中等发育，尤其是浅部基岩面向深层基岩面倾伏过渡。3.2岩溶承压水场区的基岩为石灰岩，含丰富的岩溶承压水，岩溶水主要靠孔隙含水层的直接补给或越流补给。场地稳定地下水水位埋深1.002.00 m，钻探揭露时有大量漏水，说明其地下水已形成地下岩溶管道流。3.3桥梁地基稳定性评价根据上述地勘资料并结合桥梁设计得到桥梁地基稳定性评价赋值见表11。该项目桥梁地基稳定性评价结果为：H=0.0853+0.2093+0.0351+0.1773+0.0543+0.0984+0.0453+0.0221+0.0815+0.0271+0.1253+0.0421=3.008。根据表1可判断该桥梁地基稳定性为难塌。3.4桥梁地基处理措施该项目桥梁地基稳定性的定性判断为难塌，因此场地岩溶塌陷地质灾害风险为中等，仅需对该桥梁进行地基处理即可。岩溶发育区桥梁地基处理方法主要有：填充法、跨越法、注浆法、褥垫层法和桩基钢护筒跟进法等。该项目基于定性判断选用高压旋喷注浆法进行地基处理。注浆完成后对注浆质量采用钻孔抽芯法检测；桥梁桩基施工完成后对桩基进行静载试验，其桩基承载力满足设计要求，所有检测、试验项目结果均验证了桥梁地基稳定性的定性判断准确。4结论1）根据评价因子对岩溶地区桥梁地基稳定性的贡献权重从大到小依次为：溶洞跨度、溶洞顶板厚度、桥梁荷重及重要性、岩石抗压强度、岩溶发育程度、地下水水位、岩石质量指标、上覆土层厚度、人类工程活动、溶洞填充情况、地下水径路通道、上覆土层结构。2）从上述排序亦可以得出：溶洞跨度、溶洞顶板厚度、桥梁荷重及重要性、岩石抗压强度、岩溶发注：CR=0.002 40.1，满足一致性检验。指标层指标层最终权重C11C12C13C21C22C23C31C32C41C42C51C520.2580.6370.1050.5390.1640.2970.6670.3330.7490.2510.7490.2510.0850.2090.0350.1770.0540.0980.0450.0220.0810.0270.1250.042准则层权重B10.329B20.329B30.067B40.108B50.167表10指标层最终权重表Tab.10 Final weight table of indicator layer准则层指标层指标水平赋值岩溶条件岩溶顶板覆盖层条件地下水条件人类活动岩溶发育程度溶洞跨度/m溶洞填充情况溶洞顶板厚度/m岩石质量指标/%岩石抗压强度上覆土层厚度/m上覆土层结构地下水水位/m地下水径流通道桥梁荷重及重要性人类工程活动中等发育7.2无填充455较硬岩20.2518.2存在低水位管道流中桥强度大331334315131表11桥梁地基稳定性评价赋值表Tab.11 Evaluation and assignment table of bridgefoundation stability100第5期本桓高速公路项目牛毛生河大桥首个桥台浇筑完成近日，由中铁（辽宁）本桓高速公路有限公司投资建设，中铁广州局承建的本桓高速牛毛生河大桥8号桥台基本成型，标志着牛毛生河大桥下部结构施工正式拉开序幕，为后续桥梁施工奠定了坚实的基础。牛毛生河大桥全长247 m，下部结构桥墩采用柱式桥墩、桩基础，桥台采用肋板式桥台、桩基础。为顺利完成牛毛生河大桥桥台建设，项目部坚持高标准、严要求，合理安排每道工序，严格按照专项方案及作业指导书进行施工。下一步，项目部将继续在确保安全和质量的前提下，稳步推进整体施工进度，凝心聚力推进本桓项目高质量发展。（转载自中国桥梁网）郝大为等：岩溶地区桥梁地基稳定性评价方法育程度等是岩溶地区桥梁地基稳定性的主要控制因素。在桥梁规划、建设前必须要掌握勘察资料中关于溶洞的空间位置、岩溶顶板的性质、场地岩溶发育程度等基本情况。3）运用层次分析法建立了岩溶地区桥梁地基稳定性的评价方法，得到了桥梁地基稳定性的定性判断，从而选择出经济、适用的地基处理方式。该方法简单、便捷，值得推广和应用。参考文献1郑伟国.岩溶地区基础选型的思路和建议J.建筑结构，2012，42（7）：115-118.（ZHENG W G.Recommendations and ideas onthe selection of foundation in karst areasJ.Building structure，2012，42（7）：115-118.）2吴东升.岩溶强烈发育地区桥梁桩基础的勘察和设计J.公路，2019，64（12）：113-117.（WU D S.Investigation and designofbridgepilefoundationin karst areaJ.Highway，2019，64（12）：113-117.）3陈国亮.岩溶地面塌陷的成因与防治M.北京：中国铁道出版社，1994：3-6.（CHEN G L.Causes and prevention of karst col-lapseM.Beijing：China Railway Press，1994：3-6.）4何伟.贵州盘县机场岩溶发育特征及地基稳定性评价D.成都：成都理工大学，2018.（HE W.Research on karst growth lawand foundation stability of some airport in Panxian，GuizhouProvinceD.Chengdu：Chengdu Universityof Technology，2018.）5曾斌，杨木易，邵长杰，等.基于层次分析法的杭长高速岩溶塌陷易发性评价J.安全与环境工程，2018，25（1）：29-38.（ZENGB，YANG M Y，SHAO C J，et al.Susceptibility assessment ofkarst collapse of Hangchang expressway projects based on analytichierarchyprocessJ.Safetyand environmental engineering，2018，25（1）：29-38.）6吴福，江思义，刘庆超，等.广西桂林市规划中心城区岩溶塌陷易发性评价J.中国地质灾害与防治学报，2019，30（5）：83-91.（WU F，JIANG S Y，LIU Q C，et al.Evaluation of susceptibilityof karst collapse in urban planning area Guilin City of GuangxiZhuang Autonomous RegionJ.The Chinese journal of geolog-ical hazard and control，2019，30（5）：83-91.）7刘自强，韩文喜.云南某机场岩溶发育机理分析及工程影响评价J.路基工程，2014（2）：164-168.（LIU Z Q，HAN W X.Analysis on development mechanism of karst in an airfield ofYunnan and the engineering impact assessmentJ.Subgrade en-gineering，2014（2）：164-168.）8王玉洲，郭纯青，盛连成，等.覆盖型岩溶地区岩溶岩土工程技术研究M.北京：科学出版社，2017：66-72.（WANG Y Z，GUO C Q，SHENG L C，et al.Study on karst geotechnical engi-neeringtechnologyin covered karst areaM.Beijing：China Sci-ence Press，2017：66-72.）9张健，张乾青，崔伟.岩溶区桩基承载机理与稳定性评价M.北京：中国建筑工业出版社，2019：35-45.（ZHANG J，ZHANGQ Q，CUI W.Bearing mechanism and stability evaluation of pilefoundation in karst areaM.Beijing：China Architecture&Build-ing Press，2019：35-45.）10刘玉坤.某高速公路岩溶桥基稳定性分析研究D.桂林：桂林理工大学，2019.（LIU Y K.Analysis and research on stability ofkarst bridge foundation of a expresswayD.Guilin：Guilin Uni-versity of Technology，2019.）11潘健，周森，林培源，等.广州市白云区岩溶塌陷风险初探J.岩土力学，2013，34（9）：2589-2600.（PAN J，ZHOU S，LIN P Y，et al.Preliminary study of risks of karst collapse in GuangzhouBaiyun districtJ.Rock and soil mechanics，2013，34（9）：2589-2600.）12武运泊，王运生，曹文正.基于AHP-模糊综合评判的岩溶塌陷危险性评价J.中国地质灾害与防治学报，2015，26（1）：43-48.（WU Y B，WANG Y S，CAO W Z.Risk 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