岩溶区桩基注浆加固效果的影响因素分析

张文学，刘海陆，谢全懿

(北京工业大学建筑工程学院，北京 100124)

我国铁路客运专线设计时速高达350 km/h，所以对轨道的平顺度要求极高，相关规范要求客运专线铁路桥梁的单桩沉降量不应＞20 mm，相邻两桥墩的沉降差不应＞5 mm。为了避免路基沉降量过大和节约土地，铁路客运专线多采用以桥代路的设计理念，加之我国地域辽阔，地质构造复杂，使得部分铁路客运专线桥梁穿过岩溶地区。目前关于岩溶区桩基沉降量计算和注浆加固效果方面的研究还相对较少，很少见到关于岩溶区铁路客运专线桩基沉降量计算及注浆加固效果研究的相关文献。本文以某高铁为依托工程，建立有限元分析模型，研究了不同注浆方案对岩溶区桩基沉降的加固效果，分析了不同参数对加固效果的影响规律。

1 工程概况与建模

某铁路客运专线的设计时速350 km/h，全长361.937 km，线路穿越安徽萧县和江苏徐州两地岩溶区。据本工点完成的2 685个勘察孔揭露，揭露溶洞的钻孔1 591个，钻孔见洞率59.26%，单孔线岩溶率为0.49% ～85.53%，洞高为0.05～20.7 m，溶洞一般呈半填充或全填充状，局部为空洞。如何控制该地区桩基的竖向沉降量是本桥设计的难点，经过对各方案比选，决定采取注浆加固地基方案以控制桩基沉降量。

本文以该桥271号桩基为分析对象，采用ANSYS有限元软件，Solid45单元建立三维实体弹塑性模型，用椭球体模拟溶洞(溶洞的水平半径R=10 m，竖向半径r=1 m)，溶洞顶板岩溶层厚度0.5 m，该桩基共设10根直径100.0 cm、长35.5 m的钻孔灌注桩，桩顶设计最大荷载P=17 797 kN。

2 注浆土体变形模量和桩尖土层厚度对注浆加固效果的影响

2.1 工况与计算结果

为分析注浆土体变形模量Ep和桩尖至岩溶面土层厚度(简称桩尖土层厚度)对注浆加固效果的影响，本文对只进行溶洞注浆、只进行桩尖土层注浆、溶洞和桩尖土层同时注浆三种工况进行分析。取注浆水平加固范围为承台(680 cm×1 020 cm)边缘向外加宽400 cm，亦即水平加固范围为1 480 cm×1 820 cm，分别取桩尖土层厚度H=5，10，15，20 m;注浆后水泥土的变形模量Ep=25，50，75，100 MPa。

具体分析结果如图1—图6所示。

图1 Ep对溶洞注浆沉降控制影响

图2 Ep对桩尖土层注浆沉降控制影响

图3 Ep对溶洞和桩尖土层同时注浆沉降控制影响

图4 桩尖土层厚度对溶洞注浆沉降控制影响

图5 桩尖土层厚度对桩尖土层注浆沉降控制影响

图6 桩尖土层厚度对溶洞和桩尖土层均注浆沉降控制影响

2.2 计算结果分析

1)只在溶洞内注浆进行加固对降低桩基沉降量有一定效果，但加固效果受注浆后水泥土的变形模量影响较小，而受桩尖土层厚度的影响比较敏感，桩尖土层厚度越大加固效果越差。当桩尖土层较厚时单纯在溶洞内注浆加固，加固后桩基沉降量仍较大，不能满足铁路客运专线的设计要求。

2)只在桩尖土层注浆进行加固对桩基沉降量有所改善，但加固效果不仅受桩尖土层厚度影响较大，而且受注浆后土体变形模量影响也比较明显。在桩尖土层厚度一定情况下，注浆后土体的变形模量越大，也即注浆后土体强度越高，桩基沉降量越小，加固效果越好;在注浆后土体变形模量一定的情况下，桩尖土层越厚单纯在桩尖土层注浆加固的效果越好。

3)同时对溶洞和桩尖土层进行注浆加固效果最好，但注浆加固效果也受注浆后土体的变形模量和桩尖土层厚度影响。当注浆土体变形模量较小时，随着Ep的增加，桩基沉降量降低明显;当注浆土体变形模量较大时，随着Ep的增加，桩基沉降量较低效果开始变缓。在4类分析模型中，当注浆后土体的变形模量＞50 MPa时，同时对溶洞和桩尖土层进行注浆加固后，分析模型桩基沉降量均在20 mm以内，能满足设计要求。

4)桩尖土层厚度对单纯溶洞注浆加固控制桩基沉降效果有较大影响，随着桩尖土层厚度的增大，单纯溶洞注浆加固控制桩基沉降的效果随之降低。

5)桩尖土层厚度对单纯桩尖土层注浆加固控制桩基沉降效果有较大影响，随着桩尖土层厚度的增大，单纯桩尖土层注浆加固控制桩基沉降的效果随之增加;而且注浆土体变形模量越大，这种趋势越明显。

6)桩尖土层厚度对溶洞和桩尖土层同时注浆加固控制桩基沉降效果也有较大影响，随着桩尖土层厚度的增大，溶洞和桩尖土层同时注浆加固控制桩基沉降的效果随之降低;而且注浆土体变形模量越小，这种趋势越明显。

3 结论

以某铁路客运专线岩溶区桩基础为分析对象，建立岩溶区桩基有限元模型，系统分析了不同注浆方案及相关参数对桩基注浆加固效果的影响，得出如下主要结论:

1)对岩溶区桩基进行注浆加固可以起到控制桩基沉降的效果，但不同注浆方案之间的加固效果相差较大。经分析对溶洞和桩尖土层同时进行注浆加固，对桩基沉降的控制效果最好。

2)注浆加固控制岩溶区桩基沉降的效果不仅受注浆土体变形模量的影响，而且受桩尖至岩溶层之间土层厚度的影响也比较明显。

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