巖溶地區(qū)高速鐵路橋梁樁基后注漿承載特性研究

張 凱，馬建林，羅朝洋，白丁偉

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

根據(jù)我國中長期鐵路規(guī)劃，到2020年我國高速鐵路里程將達(dá)到3萬km，形成“八縱八橫”的高速鐵路主通道。高速鐵路的高速度、高安全性和高平順性對線路工程質(zhì)量提出了極高的要求，普通路基難以應(yīng)用于高速鐵路線路工程上，因而大量采用橋梁、隧道等結(jié)構(gòu)性工程。我國已建成的高速鐵路中橋隧所占比例較高，一般達(dá)到50%～60%，有的甚至達(dá)到80%～90%，例如京滬高速鐵路橋梁總長約占線路總長的82%。高速鐵路橋梁的基礎(chǔ)形式一般采用泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，其持力層一般選取較完整的巖石層或較硬的土層。由于我國對高速鐵路沉降控制的標(biāo)準(zhǔn)非常嚴(yán)格，工后沉降不得超過15 mm，為滿足要求，鉆孔灌注樁樁長和樁徑往往很大，有時樁長甚至達(dá)到70～80 m，很大程度上提升了工程造價和施工難度。

樁基后注漿技術(shù)將注漿與樁基技術(shù)結(jié)合，利用水泥漿加固樁端和樁側(cè)一定范圍內(nèi)的土體，達(dá)到提高單樁承載力，減小沉降的目的。文獻(xiàn)[1]將后注漿技術(shù)應(yīng)用于蘇通大橋樁基礎(chǔ)，注漿后其極限承載力是注漿前的1.48～2.00倍，為我國公路橋梁建設(shè)的樁基技術(shù)提供了參考；文獻(xiàn)[2]基于臺州灣大橋大直徑鉆孔灌注樁現(xiàn)場靜載試驗(yàn)提出后壓漿樁荷載沉降曲線計算方法；文獻(xiàn)[3-4]利用后注漿技術(shù)加固京滬高速鐵路軟土地區(qū)橋梁樁基，從而達(dá)到提高高速鐵路橋梁樁基承載力，減小樁基沉降，加強(qiáng)橋梁整體穩(wěn)定性的目的。

為掌握巖溶地區(qū)高速鐵路橋梁樁基礎(chǔ)后注漿鉆孔灌注樁的承載特性，推廣后注漿技術(shù)在京沈客運(yùn)專線建設(shè)中的應(yīng)用。本文基于京沈客運(yùn)專線順義特大橋190＃墩鉆孔灌注樁注漿前后靜載試驗(yàn)結(jié)果，利用巖土工程有限元軟件PLAXIS進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證實(shí)測值與計算值的一致性，并分析部分未加載至極限狀態(tài)的試樁承載特性[5-10]。

1 工程概況

順義特大橋是京沈客運(yùn)專線控制性工程。其190＃墩處于為深覆蓋型巖溶發(fā)育區(qū)，在地面以下60～85 m不規(guī)則分布著較多溶洞，發(fā)育程度為中等～強(qiáng)烈。

原設(shè)計樁長79.5 m，樁徑2 m，需穿越大量巖溶地層?，F(xiàn)通過樁基后注漿、溶洞注漿，實(shí)現(xiàn)縮短樁長、避開巖溶地層、降低施工難度的目的。

順義特大橋地處沖洪積平原區(qū)，橋址區(qū)勘探深度范圍內(nèi)的地層依次為:第四系人工堆積素填土層，厚0.8 m；粉質(zhì)黏土1，厚9.1 m；粉砂1，厚3.8 m；粉土，厚3.9 m；粉砂 2，厚 1.3 m；粉質(zhì)黏土 1，厚2.2 m；中砂，厚3.6 m；粉質(zhì)黏土2，厚 6.2 m；中砂，厚1.2 m；粉質(zhì)黏土 2，厚 1.4 m；中砂，厚 4.3 m；粉質(zhì)黏土 3，厚8.8 m；粉砂2，厚1.2 m；粉質(zhì)黏土3，厚11.7 m。

2 鉆孔灌注樁靜載試驗(yàn)

2.1 現(xiàn)場靜載試驗(yàn)

現(xiàn)場靜載試驗(yàn)場地位于190＃墩大里程側(cè)，選取4根鉆孔灌注樁作為試樁，設(shè)計樁長均為30 m，樁徑1.25 m。靜載試驗(yàn)中試樁1、試樁2加載至極限破壞狀態(tài)，試樁3、試樁4分別加載至2倍、4倍設(shè)計工作荷載，設(shè)計工作荷載為3 600 kN。在試樁周圍布置7根錨樁。在試樁頂部2個正交方向?qū)ΨQ安置4個位移計用于量測各級荷載下樁頂?shù)奈灰啤Ｔ跇渡碇鹘钌厦扛? m安放2根鋼筋計，共計16個斷面、32根鋼筋計。試樁與錨樁布置如圖1所示。

圖1 試樁與錨樁布置示意(單位:mm)

2.2 后注漿設(shè)計

試樁1作為對比樁，不進(jìn)行后注漿處理。對試樁2～4進(jìn)行樁端、樁側(cè)注漿，樁側(cè)注漿口位于標(biāo)高13.7，24.7 m處并各預(yù)埋2根注漿管。樁端注漿口預(yù)埋3根注漿管。錨樁1～7樁側(cè)預(yù)埋3根注漿管。試樁注漿情況見表1。

表1 試樁注漿情況

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)中試樁3，4并未加載至樁體極限荷載，在此只分析試樁1，2的極限承載特性。

試樁1，2樁頂荷載-位移曲線見圖2(圖中S代表試樁)。

圖2 試樁1，2樁頂荷載-位移曲線

由圖2可知，注漿試樁2極限承載力相對于未注漿試樁1提高85.1%；在荷載為13 500 kN時未注漿試樁1樁頂位移約為13.92 mm，注漿試樁2樁頂位移約為5.84 mm，位移減小約58%。

3 數(shù)值模擬

3.1 計算模型

采用有限元軟件PLAXIS對4根試樁的承載特性進(jìn)行數(shù)值模擬。假定樁體為線彈性體；樁周土、注漿加固體采用理想彈塑性本構(gòu)模型，服從摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則。計算模型中土體長寬方向上取10D(D為樁的直徑，1.25 m)，垂直方向上取樁長的2倍。

3.2 計算參數(shù)的選取

樁體采用線彈性本構(gòu)模型，具體參數(shù)見表2。

表2 樁體參數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)[11-12]考慮砂土粒徑的影響，以球形擴(kuò)散理論為基礎(chǔ)，假定樁端加固區(qū)域?yàn)閳A柱形，樁側(cè)為圓環(huán)形加固區(qū)。加固區(qū)域尺寸參數(shù)見表3，加固區(qū)域及土體參數(shù)見表4。

表3 加固區(qū)域尺寸參數(shù)

表4 土體及加固區(qū)域土體參數(shù)

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.3.1 荷載-位移特性分析

根據(jù)數(shù)值模擬計算值及實(shí)測結(jié)果繪制試樁樁頂荷載-位移曲線，見圖3。當(dāng)荷載增量相同的情況下，位移突然出現(xiàn)陡降時的荷載取為極限荷載點(diǎn)。

圖3 試樁樁頂荷載-位移曲線

由圖3可知，采用數(shù)值模擬得到的荷載-位移曲線與現(xiàn)場實(shí)測曲線走勢基本一致，結(jié)果擬合度較高；有限元軟件PLAXIS可以很好地模擬并預(yù)測高速鐵路橋梁樁基承載特性；注漿試樁2～4極限荷載相對于未注漿試樁1提高約73%。在4根試樁樁頂荷載達(dá)到13 500 kN時，注漿試樁2～4樁基位移相對未注漿試樁1減小約57%。

試樁1～4樁頂荷載-位移數(shù)值模擬曲線見圖4?？芍?，在樁側(cè)、樁端注漿量不同的情況下，當(dāng)荷載較小時注漿加固區(qū)域的土體還未發(fā)揮作用使得試樁1～4位移的差異性較小，當(dāng)荷載增加至某一荷載時注漿加固區(qū)域的土體逐漸發(fā)揮效用使得曲線趨勢出現(xiàn)明顯的變化。

圖4 試樁樁頂荷載-位移數(shù)值模擬曲線

3.3.2 樁側(cè)側(cè)摩阻特性分析

試樁1～4在極限荷載下樁側(cè)摩阻力值見表5，其中試樁1、試樁2取2 m內(nèi)的樁側(cè)摩阻力平均值代表樁側(cè)摩阻力，由現(xiàn)場試驗(yàn)中預(yù)先埋設(shè)的相鄰鋼筋計計算差值得到；試樁3、試樁4的樁側(cè)摩阻力通過有限元軟件計算得到。

表5 極限荷載下試樁1～4樁側(cè)摩阻力 kPa

由表5可知，當(dāng)埋深小于11.5 m時，未注漿樁與注漿樁樁側(cè)極限摩阻力差別不大；當(dāng)埋深大于11.5 m時，注漿樁的樁側(cè)極限摩阻力較未注漿樁明顯提高。

不同土層極限側(cè)摩阻力增強(qiáng)系數(shù)見表6?？芍?，在不同的土層中樁側(cè)極限摩阻力均有提高，在黏性土中約提高2.13倍，粉砂中約提高1.72倍，中砂中約提高2.09倍，砂層壓漿效果明顯優(yōu)于黏土層，且中砂的提高比例大于粉砂，故一般選取砂層作為壓漿層。

表6 不同土層極限側(cè)摩阻力增強(qiáng)系數(shù)

極限荷載下各試樁情況見表7?？芍?，將后注漿技術(shù)應(yīng)用于高速鐵路橋梁樁基能夠顯著提升樁基性能，其后注漿樁樁側(cè)側(cè)摩阻力提高約1.6～2.0倍，樁端阻力提高約1.4～1.6倍。

表7 極限荷載下各試樁情況

4 結(jié)論

1)注漿樁極限承載力相對于未注漿樁提高約85.1%，后注漿樁樁側(cè)側(cè)摩阻力提高約1.6～2.0倍，樁端阻力提高約1.4～1.6倍。

2)在現(xiàn)場試驗(yàn)相同樁頂荷載13 500 kN下，注漿樁的沉降量相對未注漿樁減小約58%。

3)運(yùn)用有限元軟件PLAXIS模擬試樁1～4所得結(jié)果與實(shí)測資料是吻合的，說明數(shù)值模擬用于模擬并預(yù)測高速鐵路橋梁樁基承載特性是可行的。

4)當(dāng)埋深大于11.5 m時，注漿樁樁側(cè)極限摩阻力相對于未注漿明顯提高，極限摩阻力在黏性土中約提高2.13倍、粉砂中約提高1.72倍、中砂中約提高2.09倍且砂土的壓漿效果優(yōu)于黏性土，建議將砂層選為壓漿層。