巖溶區(qū)樁基注漿加固效果的影響因素分析

張文學(xué)，劉海陸，謝全懿

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

我國(guó)鐵路客運(yùn)專線設(shè)計(jì)時(shí)速高達(dá)350 km/h，所以對(duì)軌道的平順度要求極高，相關(guān)規(guī)范要求客運(yùn)專線鐵路橋梁的單樁沉降量不應(yīng)＞20 mm，相鄰兩橋墩的沉降差不應(yīng)＞5 mm。為了避免路基沉降量過(guò)大和節(jié)約土地，鐵路客運(yùn)專線多采用以橋代路的設(shè)計(jì)理念，加之我國(guó)地域遼闊，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，使得部分鐵路客運(yùn)專線橋梁穿過(guò)巖溶地區(qū)。目前關(guān)于巖溶區(qū)樁基沉降量計(jì)算和注漿加固效果方面的研究還相對(duì)較少，很少見(jiàn)到關(guān)于巖溶區(qū)鐵路客運(yùn)專線樁基沉降量計(jì)算及注漿加固效果研究的相關(guān)文獻(xiàn)。本文以某高鐵為依托工程，建立有限元分析模型，研究了不同注漿方案對(duì)巖溶區(qū)樁基沉降的加固效果，分析了不同參數(shù)對(duì)加固效果的影響規(guī)律。

1 工程概況與建模

某鐵路客運(yùn)專線的設(shè)計(jì)時(shí)速350 km/h，全長(zhǎng)361.937 km，線路穿越安徽蕭縣和江蘇徐州兩地巖溶區(qū)。據(jù)本工點(diǎn)完成的2 685個(gè)勘察孔揭露，揭露溶洞的鉆孔1 591個(gè)，鉆孔見(jiàn)洞率59.26%，單孔線巖溶率為0.49% ～85.53%，洞高為0.05～20.7 m，溶洞一般呈半填充或全填充狀，局部為空洞。如何控制該地區(qū)樁基的豎向沉降量是本橋設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，經(jīng)過(guò)對(duì)各方案比選，決定采取注漿加固地基方案以控制樁基沉降量。

本文以該橋271號(hào)樁基為分析對(duì)象，采用ANSYS有限元軟件，Solid45單元建立三維實(shí)體彈塑性模型，用橢球體模擬溶洞(溶洞的水平半徑R=10 m，豎向半徑r=1 m)，溶洞頂板巖溶層厚度0.5 m，該樁基共設(shè)10根直徑100.0 cm、長(zhǎng)35.5 m的鉆孔灌注樁，樁頂設(shè)計(jì)最大荷載P=17 797 kN。

2 注漿土體變形模量和樁尖土層厚度對(duì)注漿加固效果的影響

2.1 工況與計(jì)算結(jié)果

為分析注漿土體變形模量Ep和樁尖至巖溶面土層厚度(簡(jiǎn)稱樁尖土層厚度)對(duì)注漿加固效果的影響，本文對(duì)只進(jìn)行溶洞注漿、只進(jìn)行樁尖土層注漿、溶洞和樁尖土層同時(shí)注漿三種工況進(jìn)行分析。取注漿水平加固范圍為承臺(tái)(680 cm×1 020 cm)邊緣向外加寬400 cm，亦即水平加固范圍為1 480 cm×1 820 cm，分別取樁尖土層厚度H=5，10，15，20 m;注漿后水泥土的變形模量Ep=25，50，75，100 MPa。

具體分析結(jié)果如圖1—圖6所示。

圖1 Ep對(duì)溶洞注漿沉降控制影響

圖2 Ep對(duì)樁尖土層注漿沉降控制影響

圖3 Ep對(duì)溶洞和樁尖土層同時(shí)注漿沉降控制影響

圖4 樁尖土層厚度對(duì)溶洞注漿沉降控制影響

圖5 樁尖土層厚度對(duì)樁尖土層注漿沉降控制影響

圖6 樁尖土層厚度對(duì)溶洞和樁尖土層均注漿沉降控制影響

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

1)只在溶洞內(nèi)注漿進(jìn)行加固對(duì)降低樁基沉降量有一定效果，但加固效果受注漿后水泥土的變形模量影響較小，而受樁尖土層厚度的影響比較敏感，樁尖土層厚度越大加固效果越差。當(dāng)樁尖土層較厚時(shí)單純?cè)谌芏磧?nèi)注漿加固，加固后樁基沉降量仍較大，不能滿足鐵路客運(yùn)專線的設(shè)計(jì)要求。

2)只在樁尖土層注漿進(jìn)行加固對(duì)樁基沉降量有所改善，但加固效果不僅受樁尖土層厚度影響較大，而且受注漿后土體變形模量影響也比較明顯。在樁尖土層厚度一定情況下，注漿后土體的變形模量越大，也即注漿后土體強(qiáng)度越高，樁基沉降量越小，加固效果越好;在注漿后土體變形模量一定的情況下，樁尖土層越厚單純?cè)跇都馔翆幼{加固的效果越好。

3)同時(shí)對(duì)溶洞和樁尖土層進(jìn)行注漿加固效果最好，但注漿加固效果也受注漿后土體的變形模量和樁尖土層厚度影響。當(dāng)注漿土體變形模量較小時(shí)，隨著Ep的增加，樁基沉降量降低明顯;當(dāng)注漿土體變形模量較大時(shí)，隨著Ep的增加，樁基沉降量較低效果開(kāi)始變緩。在4類分析模型中，當(dāng)注漿后土體的變形模量＞50 MPa時(shí)，同時(shí)對(duì)溶洞和樁尖土層進(jìn)行注漿加固后，分析模型樁基沉降量均在20 mm以內(nèi)，能滿足設(shè)計(jì)要求。

4)樁尖土層厚度對(duì)單純?nèi)芏醋{加固控制樁基沉降效果有較大影響，隨著樁尖土層厚度的增大，單純?nèi)芏醋{加固控制樁基沉降的效果隨之降低。

5)樁尖土層厚度對(duì)單純樁尖土層注漿加固控制樁基沉降效果有較大影響，隨著樁尖土層厚度的增大，單純樁尖土層注漿加固控制樁基沉降的效果隨之增加;而且注漿土體變形模量越大，這種趨勢(shì)越明顯。

6)樁尖土層厚度對(duì)溶洞和樁尖土層同時(shí)注漿加固控制樁基沉降效果也有較大影響，隨著樁尖土層厚度的增大，溶洞和樁尖土層同時(shí)注漿加固控制樁基沉降的效果隨之降低;而且注漿土體變形模量越小，這種趨勢(shì)越明顯。

3 結(jié)論

以某鐵路客運(yùn)專線巖溶區(qū)樁基礎(chǔ)為分析對(duì)象，建立巖溶區(qū)樁基有限元模型，系統(tǒng)分析了不同注漿方案及相關(guān)參數(shù)對(duì)樁基注漿加固效果的影響，得出如下主要結(jié)論:

1)對(duì)巖溶區(qū)樁基進(jìn)行注漿加固可以起到控制樁基沉降的效果，但不同注漿方案之間的加固效果相差較大。經(jīng)分析對(duì)溶洞和樁尖土層同時(shí)進(jìn)行注漿加固，對(duì)樁基沉降的控制效果最好。

2)注漿加固控制巖溶區(qū)樁基沉降的效果不僅受注漿土體變形模量的影響，而且受樁尖至巖溶層之間土層厚度的影響也比較明顯。

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