巖溶區(qū)客運專線橋梁樁基沉降和注漿加固研究

張文學(xué)，陳 壯，劉 龍，許成順

(北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，北京 100124)

巖溶區(qū)客運專線橋梁樁基沉降和注漿加固研究

張文學(xué)，陳 壯，劉 龍，許成順

(北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，北京 100124)

新建鐵路客運專線設(shè)計時速多為300 km以上，對橋梁樁基沉降量要求極高。全面分析巖溶區(qū)溶洞對樁基沉降的影響，準確預(yù)測巖溶區(qū)樁基的沉降量是鐵路客運專線橋梁基礎(chǔ)設(shè)計的難題。以鄭徐鐵路客運專線徐州特大橋巖溶區(qū)樁基工程為依托，通過建立樁基和溶洞地基有限元模型，系統(tǒng)分析了溶洞參數(shù)對樁基沉降的影響規(guī)律，并對比了不同注漿加固方案對巖溶區(qū)樁基沉降的控制效果。結(jié)果表明:溶洞頂板厚度、樁尖至巖溶層間巖土層厚度、溶洞尺寸大小及豎向線溶率均對樁基沉降有影響。其中，樁尖至巖溶層間巖土層厚度和溶洞頂板厚度對注漿加固效果影響較大，應(yīng)根據(jù)具體情況進行分析以確定合理的注漿加固方案。

樁基 沉降 溶洞 線溶率

1 工程背景

本文以設(shè)計時速350 km的鄭徐鐵路客運專線徐州特大橋樁基工程為依托工程展開研究。該工程的覆蓋型巖溶地基是該橋址區(qū)主要的不良工程地質(zhì)問題，揭露溶洞的1 591個鉆孔中，鉆孔見洞率達59.26%，溶洞一般發(fā)育在基巖面附近0.5～10 m，呈單個或者串珠狀發(fā)育，溶洞發(fā)育1～9層，洞高0.05～20.7 m，單孔線溶率為0.49% ～85.53%，溶洞一般呈全充填、半充填狀，局部為空洞。填充物一般為流塑狀黏性土，多夾有溶蝕巖塊等，局部巖芯呈半壁巖狀。該工程樁基共設(shè)10根直徑100 cm、長35.5 m的鉆孔灌注樁，樁頂設(shè)計最大荷載17 797 kN［1-2］。

2 分析模型

為分析溶洞結(jié)構(gòu)和分布參數(shù)對樁基沉降量的影響規(guī)律并為巖溶地基注漿設(shè)計提供依據(jù)，取該工程的264#墩基礎(chǔ)及地基作為本次研究對象，采用 ANSYS有限元軟件建立三維實體模型。樁基和巖土層均采用由8個節(jié)點組成Solid45三維實體單元進行建模［3］，并通過Solid45彈塑性特性模擬巖土層的特性［4］(見圖1)。用抽空單元模擬溶洞，本工程溶洞多含填充物，模型中溶洞采用布爾運算進行橢球?qū)嶓w抽空后填充單元模擬［5］(填充材料見表1)，并賦予溶洞頂板特性和尺寸。將巖土體設(shè)為理想彈塑性體，樁土間的作用采用摩擦接觸單元模擬，并屈服Mohr-Coulomb準則［6］。

圖1 樁基與巖溶地基分析模型(單位:kN/m2)

表1 鉆孔勘測溶洞填充物物理力學(xué)性質(zhì)指標

3 影響樁基沉降的溶洞參數(shù)分析

3.1 溶洞頂板厚度和樁尖至巖溶層間巖土層厚度

為分析溶洞頂板厚度Hdd和樁尖至巖溶層間巖土層厚度Hzj對樁基沉降的影響規(guī)律［7］，Hdd分別取 0，25，50，100，150，200，250和 300 cm，Hzj分別取 100，200，500，1 000，1 500和2 000 cm，線溶率取30%，溶洞水平方向兩個半徑(Rx，Ry)均取1 500 cm，豎向半徑(Rz)取150 cm。為分析各因素影響下，溶洞頂豎向變形對樁基沉降量的貢獻率，除了分析各因素對樁基沉降量的影響，還分析其對溶洞頂沉降量與樁基總沉降量之比(Δb/Δt)的影響［8-10］，結(jié)果見圖2。

由分析結(jié)果可知:

Hzj對樁頂沉降有較大影響，Hdd越薄這種影響就越明顯。Hdd恒定時，Hzj較小時樁基沉降量相對較大;隨著Hzj的增加，樁基沉降量有所降低;但當Hzj超過一定值后，樁基沉降量反而有所增加，這是因為Hzj不斷增大后，樁尖至巖溶層間巖土層壓縮變形對樁基沉降的貢獻增大。Hdd對樁基沉降量有一定影響，Hzj越小，Hdd影響越明顯;Hzj恒定下，Hdd越小，樁基沉降量就越大。

Hzj對溶洞頂沉降量與樁基總沉降量之比(Δb/Δt)有較大影響。當Hdd恒定時，隨著 Hzj增加，Δb/Δt隨之降低，樁間至巖溶層間巖土層的變形對樁基沉降起主控作用;反之，Δb/Δt隨之增大，溶洞頂變形起主控作用。當Hzj＜5 m時，溶洞頂沉降量占樁基總沉降量的60%以上。Hdd對Δb/Δt有一定影響，Hzj恒定時，隨著Hdd增加，Δb/Δt隨之有所降低。

3.2 線溶率和溶洞尺寸

為分析線溶率對樁基沉降的影響，通過增加豎向溶洞數(shù)量(方法1)和改變?nèi)芏簇Q向尺寸(方法2)兩種方法來改變巖溶地基的線溶率，線溶率分別取10%，20%，30%，40%，50%，Hdd取50 cm，溶洞水平半徑(Rx，Ry)取1 000 cm，豎向半徑(Rz)取100 cm，Hzj取1 200 cm，結(jié)果見圖3。

由圖3可知:采用方法1時，改變巖溶層的線溶率后，隨著溶洞數(shù)量增加，樁基沉降隨之增大。采用方法2時，線溶率超過30%后，隨著線溶率增大，樁基沉降反而有所降低。這是由于方法1采用單溶洞，增加豎向半徑后，溶洞起拱效應(yīng)使拱的自承能力增大所致。因此，巖溶地基無論線溶率多大都應(yīng)該引起重視，線溶率的影響不能單從改變?nèi)芏簇Q向半徑來分析，應(yīng)根據(jù)實際工程地勘結(jié)果確定合理分析方法。

為分析溶洞水平分布范圍對樁基沉降的影響，改變?nèi)芏吹腞x和Ry，取Hzj=4，8，12 m;Hdd取0.5 m，結(jié)果見圖4。

圖2 Hdd和Hzj對樁基沉降的影響

分析圖4可知:溶洞水平尺寸越大，溶洞頂巖溶層的跨度就越大，在相同附加荷載作用下溶洞頂?shù)淖冃坞S之有所增大，使樁基的豎向沉降也隨之增加。溶洞水平尺寸對樁基沉降的影響程度與Hzj的大小有關(guān)。Hzj越小，溶洞水平尺寸對樁基沉降的影響就越明顯。

圖3 溶洞線溶率與樁基沉降關(guān)系曲線

圖4 溶洞水平尺寸對樁基沉降的影響

4 注漿加固分析

4.1 僅對樁尖土層豎向注漿

取溶洞Rx=Ry=10 m，Rz=1 m，Hdd=1.5 m，分別取 Hzj=5，10，15 m。水平注漿范圍為承臺尺寸(680 cm×1 020 cm)向外各加寬4 m，即 Dx=Dz=4 m。依次分析從上往下(TB)注漿1/3Hzj，2/3Hzj和從下往上(BT)注漿1/3Hzj，2/3Hzj，以及 Hzj全范圍(TT)注漿時的注漿效果。取注漿后土體的彈性模量 Ep=30 MPa［11-13］，結(jié)果見圖5。

圖5 樁尖土層豎向注漿范圍對樁基沉降的影響

分析圖5可知:

1)只對樁尖土層進行注漿情況下，控制樁基沉降的效果受 Hzj的影響比較明顯，特別是自上而下注漿時，隨著Hzj的增加注漿控制樁基沉降的效果就越好。

2)單純對樁尖土層進行注漿加固，對巖溶區(qū)樁基沉降的控制效果有限。在注漿厚度相同的情況下，自上而下注漿的加固效果比自下而上相對好些。

4.2 僅對樁尖土層水平注漿

分別取溶洞Rx=Ry=5，10，15 m，Rz=0.1Rx，Hzj=5，10，15 m，Hdd=50 cm。樁尖土層全注漿，加固外延范圍分別取Dx=Dz=0，2，4，6，8 m，注漿體彈性模量Ep=30 MPa，結(jié)果見圖6。

圖6 樁尖土層水平注漿范圍對樁基沉降的影響

分析圖6可知:

1)水平注漿范圍對樁基的沉降有所影響，隨著水平注漿外延范圍的增加，加固效果隨之更明顯，且這種趨勢受Hzj的不同而不同。Hzj越小，擴大樁尖土層水平注漿范圍對控制樁基沉降的效果越不明顯。

2)當樁尖土層水平注漿范圍超過溶洞水平范圍后，再擴大水平加固范圍，則樁基沉降量減少率趨于穩(wěn)定。因此，僅通過擴大樁尖土層水平加固范圍來控制巖溶區(qū)樁基沉降的效果有限。

4.3 僅對溶洞注漿

取溶洞Rx=Ry=15.0 m和 Rz=1.5 m，分別取Hdd=0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m，Hzj=2.5，5，10，15，20 m，分析結(jié)果見圖7。

分析圖7可知:溶洞注漿可以控制巖溶區(qū)樁基的沉降，注漿效果受Hdd和Hzj的影響。尤其是受Hzj的影響非常敏感，Hzj越小加固效果越明顯，當 Hzj較大時加固效果開始降低。Hdd越薄，溶洞注漿后對控制樁基沉降效果越明顯。溶洞注漿后溶洞頂?shù)某两得黠@減小，樁尖土層的壓縮沉降變形對整個樁基沉降的貢獻明顯增加。因此，在Hzj較大的情況下，僅對溶洞進行注漿加固效果不理想。4.4溶洞和樁尖土層同時注漿

圖7 溶洞注漿控制樁基沉降的效果

分別取溶洞Rx=Ry=10 m和 Rz=1 m，取Dx=Dz=4 m，即水平注漿范圍為1 480 cm×1 820 cm，Hdd= 1.5 m，Hzj=5，10，15，20 m。將對溶洞和樁尖土層同時注漿的分析結(jié)果與僅對溶洞注漿、僅對樁尖土層注漿進行對比［14-16］，結(jié)果見圖8。

圖8 不同注漿加固方案加固效果對比

分析圖8可知:對溶洞和樁尖土層同時注漿加固后，對控制巖溶區(qū)樁基的沉降效果非常明顯，可以有效降低樁基沉降達37%以上。由于溶洞和樁尖土層沉降均得到有效控制，隨著Hzj增加，注漿加固對控制巖溶區(qū)樁基的沉降減少率隨之逐漸降低。在相同條件下，對溶洞和樁尖土層同時注漿加固方案優(yōu)于僅對溶洞注漿或僅對樁尖土層注漿方案。

5 結(jié)論

通過對鄭徐鐵路客運專線巖溶區(qū)樁基沉降和注漿加固的研究，得出如下主要結(jié)論:

1)溶洞頂板厚度Hdd和樁尖至巖溶層間巖土層厚度Hzj對樁基沉降有較大影響，應(yīng)根據(jù)工程具體情況進行系統(tǒng)分析，明確樁基沉降是由溶洞頂板巖層變形控制，還是由樁尖土層壓縮變形控制，以便準確采取控制措施。當Hzj較大時，可考慮主要對樁尖巖土層注漿加固;當Hzj和Hdd均較小時，可考慮對樁尖巖土層和溶洞同時注漿加固。

2)溶洞的水平尺寸對樁基沉降有較大影響，溶洞水平尺寸越大，樁基沉降量就越大;當水平注漿范圍大于溶洞水平尺寸時，注漿控制樁基沉降的效果較好。

3)采取注漿加固控制巖溶區(qū)樁基沉降的方案是可行的，但巖溶區(qū)樁基沉降受溶洞頂板厚度、溶洞尺寸大小、樁尖至巖溶層間巖土層厚度及線溶率影響。注漿加固方案的設(shè)計和分析應(yīng)從降低線溶率、改變?nèi)芏唇Y(jié)構(gòu)強度和改善樁尖土層承載能力的角度出發(fā)，在明確控制樁基沉降主因的基礎(chǔ)上，制定合理的注漿加固方案。

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Study on subsidence of bridge pile foundation and its jet-grouting reinforcing on passenger-dedicated railway in karst area

ZHANG Wenxue，CHEN Zhuang，LIU Long，XU Chengshun
(College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

As most of the newly constructed passenger-dedicated railway lines operate at 300 km/h or above，foundation subsidence of bridge piles stands as a critical challenge．T herefore，how to thoroughly analyze the influence of karst cave to pile subsidence，and how to predict pile subsidence in an accurate manner stand as two difficult tasks to the foundation design for passenger-dedicated railway bridge．T he paper takes the pile foundation of Xuzhou super-long bridge on Zhengzhou-Xuzhou passenger-dedicated railway line as the study object，and builds finite-element model for the analysis of pile foundation and karst-cave foundation accordingly．It looks into the karst parameters and its influence on foundation subsidence，and gives the comparative results of different grouting schemes．T he results indicate that relevant factors include thickness of head lining，thickness of rock-soil layer(from pile tip to karst layer)，cave dimension and linear karst ratio in vertical direction．It needs to be noted that comparatively，the first two exert the greatest influence on grouting results，therefore the grouting scheme applied shall be based on concrete conditions．

Pile foundation;Subsidence;Karst cave;Linear karst ratio

U443．15

:ADOI:10．3969/j．issn．1003-1995．2015．08．08

(責(zé)任審編 葛全紅)

2015-04-20;

:2015-06-10

國家自然科學(xué)基金項目(51278015)

張文學(xué)(1975— )，男，吉林伊通人，副教授，博士。

1003-1995(2015)08-0027-05