巖溶區樁基注漿加固效果的影響因素分析

張文學，劉海陸，謝全懿

(北京工業大學建筑工程學院，北京 100124)

我國鐵路客運專線設計時速高達350 km/h，所以對軌道的平順度要求極高，相關規范要求客運專線鐵路橋梁的單樁沉降量不應＞20 mm，相鄰兩橋墩的沉降差不應＞5 mm。為了避免路基沉降量過大和節約土地，鐵路客運專線多采用以橋代路的設計理念，加之我國地域遼闊，地質構造復雜，使得部分鐵路客運專線橋梁穿過巖溶地區。目前關于巖溶區樁基沉降量計算和注漿加固效果方面的研究還相對較少，很少見到關于巖溶區鐵路客運專線樁基沉降量計算及注漿加固效果研究的相關文獻。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巖溶區樁基沉降的加固效果，分析了不同參數對加固效果的影響規律。

1 工程概況與建模

某鐵路客運專線的設計時速350 km/h，全長361.937 km，線路穿越安徽蕭縣和江蘇徐州兩地巖溶區。據本工點完成的2 685個勘察孔揭露，揭露溶洞的鉆孔1 591個，鉆孔見洞率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。如何控制該地區樁基的豎向沉降量是本橋設計的難點，經過對各方案比選，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號樁基為分析對象，采用ANSYS有限元軟件，Solid45單元建立三維實體彈塑性模型，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10根直徑100.0 cm、長35.5 m的鉆孔灌注樁，樁頂設計最大荷載P=17 797 kN。

2 注漿土體變形模量和樁尖土層厚度對注漿加固效果的影響

2.1 工況與計算結果

為分析注漿土體變形模量Ep和樁尖至巖溶面土層厚度(簡稱樁尖土層厚度)對注漿加固效果的影響，本文對只進行溶洞注漿、只進行樁尖土層注漿、溶洞和樁尖土層同時注漿三種工況進行分析。取注漿水平加固范圍為承臺(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。

具體分析結果如圖1—圖6所示。

圖1 Ep對溶洞注漿沉降控制影響

圖2 Ep對樁尖土層注漿沉降控制影響

圖3 Ep對溶洞和樁尖土層同時注漿沉降控制影響

圖4 樁尖土層厚度對溶洞注漿沉降控制影響

圖5 樁尖土層厚度對樁尖土層注漿沉降控制影響

圖6 樁尖土層厚度對溶洞和樁尖土層均注漿沉降控制影響

2.2 計算結果分析

1)只在溶洞內注漿進行加固對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。當樁尖土層較厚時單純在溶洞內注漿加固，加固后樁基沉降量仍較大，不能滿足鐵路客運專線的設計要求。

2)只在樁尖土層注漿進行加固對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，樁尖土層越厚單純在樁尖土層注漿加固的效果越好。

3)同時對溶洞和樁尖土層進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。當注漿土體變形模量較小時，隨著Ep的增加，樁基沉降量降低明顯;當注漿土體變形模量較大時，隨著Ep的增加，樁基沉降量較低效果開始變緩。在4類分析模型中，當注漿后土體的變形模量＞50 MPa時，同時對溶洞和樁尖土層進行注漿加固后，分析模型樁基沉降量均在20 mm以內，能滿足設計要求。

4)樁尖土層厚度對單純溶洞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，單純溶洞注漿加固控制樁基沉降的效果隨之降低。

5)樁尖土層厚度對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，這種趨勢越明顯。

6)樁尖土層厚度對溶洞和樁尖土層同時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，這種趨勢越明顯。

3 結論

以某鐵路客運專線巖溶區樁基礎為分析對象，建立巖溶區樁基有限元模型，系統分析了不同注漿方案及相關參數對樁基注漿加固效果的影響，得出如下主要結論:

1)對巖溶區樁基進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。經分析對溶洞和樁尖土層同時進行注漿加固，對樁基沉降的控制效果最好。

2)注漿加固控制巖溶區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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