巖溶地區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

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

根據我國中長期鐵路規劃，到2020年我國高速鐵路里程將達到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量提出了極高的要求，普通路基難以應用于高速鐵路線路工程上，因而大量采用橋梁、隧道等結構性工程。我國已建成的高速鐵路中橋隧所占比例較高，一般達到50%～60%，有的甚至達到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形式一般采用泥漿護壁鉆孔灌注樁基礎，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準非常嚴格，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。

樁基后注漿技術將注漿與樁基技術結合，利用水泥漿加固樁端和樁側一定范圍內的土體，達到提高單樁承載力，減小沉降的目的。文獻[1]將后注漿技術應用于蘇通大橋樁基礎，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的樁基技術提供了參考；文獻[2]基于臺州灣大橋大直徑鉆孔灌注樁現場靜載試驗提出后壓漿樁荷載沉降曲線計算方法；文獻[3-4]利用后注漿技術加固京滬高速鐵路軟土地區橋梁樁基，從而達到提高高速鐵路橋梁樁基承載力，減小樁基沉降，加強橋梁整體穩定性的目的。

為掌握巖溶地區高速鐵路橋梁樁基礎后注漿鉆孔灌注樁的承載特性，推廣后注漿技術在京沈客運專線建設中的應用。本文基于京沈客運專線順義特大橋190＃墩鉆孔灌注樁注漿前后靜載試驗結果，利用巖土工程有限元軟件PLAXIS進行數值模擬，驗證實測值與計算值的一致性，并分析部分未加載至極限狀態的試樁承載特性[5-10]。

1 工程概況

順義特大橋是京沈客運專線控制性工程。其190＃墩處于為深覆蓋型巖溶發育區，在地面以下60～85 m不規則分布著較多溶洞，發育程度為中等～強烈。

原設計樁長79.5 m，樁徑2 m，需穿越大量巖溶地層。現通過樁基后注漿、溶洞注漿，實現縮短樁長、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，橋址區勘探深度范圍內的地層依次為:第四系人工堆積素填土層，厚0.8 m；粉質黏土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；粉質黏土 1，厚2.2 m；中砂，厚3.6 m；粉質黏土2，厚 6.2 m；中砂，厚1.2 m；粉質黏土 2，厚 1.4 m；中砂，厚 4.3 m；粉質黏土 3，厚8.8 m；粉砂2，厚1.2 m；粉質黏土3，厚11.7 m。

2 鉆孔灌注樁靜載試驗

2.1 現場靜載試驗

現場靜載試驗場地位于190＃墩大里程側，選取4根鉆孔灌注樁作為試樁，設計樁長均為30 m，樁徑1.25 m。靜載試驗中試樁1、試樁2加載至極限破壞狀態，試樁3、試樁4分別加載至2倍、4倍設計工作荷載，設計工作荷載為3 600 kN。在試樁周圍布置7根錨樁。在試樁頂部2個正交方向對稱安置4個位移計用于量測各級荷載下樁頂的位移。在樁身主筋上每隔2 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 后注漿設計

試樁1作為對比樁，不進行后注漿處理。對試樁2～4進行樁端、樁側注漿，樁側注漿口位于標高13.7，24.7 m處并各預埋2根注漿管。樁端注漿口預埋3根注漿管。錨樁1～7樁側預埋3根注漿管。試樁注漿情況見表1。

表1 試樁注漿情況

2.3 試驗結果分析

試驗中試樁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行數值模擬。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模型，服從摩爾-庫倫屈服準則。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 計算參數的選取

樁體采用線彈性本構模型，具體參數見表2。

表2 樁體參數

根據文獻[11-12]考慮砂土粒徑的影響，以球形擴散理論為基礎，假定樁端加固區域為圓柱形，樁側為圓環形加固區。加固區域尺寸參數見表3，加固區域及土體參數見表4。

表3 加固區域尺寸參數

表4 土體及加固區域土體參數

3.3 數值模擬結果分析

3.3.1 荷載-位移特性分析

根據數值模擬計算值及實測結果繪制試樁樁頂荷載-位移曲線，見圖3。當荷載增量相同的情況下，位移突然出現陡降時的荷載取為極限荷載點。

圖3 試樁樁頂荷載-位移曲線

由圖3可知，采用數值模擬得到的荷載-位移曲線與現場實測曲線走勢基本一致，結果擬合度較高；有限元軟件PLAXIS可以很好地模擬并預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-位移數值模擬曲線見圖4。可知，在樁側、樁端注漿量不同的情況下，當荷載較小時注漿加固區域的土體還未發揮作用使得試樁1～4位移的差異性較小，當荷載增加至某一荷載時注漿加固區域的土體逐漸發揮效用使得曲線趨勢出現明顯的變化。

圖4 試樁樁頂荷載-位移數值模擬曲線

3.3.2 樁側側摩阻特性分析

試樁1～4在極限荷載下樁側摩阻力值見表5，其中試樁1、試樁2取2 m內的樁側摩阻力平均值代表樁側摩阻力，由現場試驗中預先埋設的相鄰鋼筋計計算差值得到；試樁3、試樁4的樁側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樁側摩阻力 kPa

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

不同土層極限側摩阻力增強系數見表6。可知，在不同的土層中樁側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 不同土層極限側摩阻力增強系數

極限荷載下各試樁情況見表7。可知，將后注漿技術應用于高速鐵路橋梁樁基能夠顯著提升樁基性能，其后注漿樁樁側側摩阻力提高約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%，后注漿樁樁側側摩阻力提高約1.6～2.0倍，樁端阻力提高約1.4～1.6倍。

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

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

4)當埋深大于11.5 m時，注漿樁樁側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于黏性土，建議將砂層選為壓漿層。