岩溶区客运专线桥梁桩基沉降和注浆加固研究

张文学，陈 壮，刘 龙，许成顺

(北京工业大学 建筑工程学院，北京 100124)

岩溶区客运专线桥梁桩基沉降和注浆加固研究

张文学，陈 壮，刘 龙，许成顺

(北京工业大学 建筑工程学院，北京 100124)

新建铁路客运专线设计时速多为300 km以上，对桥梁桩基沉降量要求极高。全面分析岩溶区溶洞对桩基沉降的影响，准确预测岩溶区桩基的沉降量是铁路客运专线桥梁基础设计的难题。以郑徐铁路客运专线徐州特大桥岩溶区桩基工程为依托，通过建立桩基和溶洞地基有限元模型，系统分析了溶洞参数对桩基沉降的影响规律，并对比了不同注浆加固方案对岩溶区桩基沉降的控制效果。结果表明:溶洞顶板厚度、桩尖至岩溶层间岩土层厚度、溶洞尺寸大小及竖向线溶率均对桩基沉降有影响。其中，桩尖至岩溶层间岩土层厚度和溶洞顶板厚度对注浆加固效果影响较大，应根据具体情况进行分析以确定合理的注浆加固方案。

桩基 沉降 溶洞 线溶率

1 工程背景

本文以设计时速350 km的郑徐铁路客运专线徐州特大桥桩基工程为依托工程展开研究。该工程的覆盖型岩溶地基是该桥址区主要的不良工程地质问题，揭露溶洞的1 591个钻孔中，钻孔见洞率达59.26%，溶洞一般发育在基岩面附近0.5～10 m，呈单个或者串珠状发育，溶洞发育1～9层，洞高0.05～20.7 m，单孔线溶率为0.49% ～85.53%，溶洞一般呈全充填、半充填状，局部为空洞。填充物一般为流塑状黏性土，多夹有溶蚀岩块等，局部岩芯呈半壁岩状。该工程桩基共设10根直径100 cm、长35.5 m的钻孔灌注桩，桩顶设计最大荷载17 797 kN［1-2］。

2 分析模型

为分析溶洞结构和分布参数对桩基沉降量的影响规律并为岩溶地基注浆设计提供依据，取该工程的264#墩基础及地基作为本次研究对象，采用 ANSYS有限元软件建立三维实体模型。桩基和岩土层均采用由8个节点组成Solid45三维实体单元进行建模［3］，并通过Solid45弹塑性特性模拟岩土层的特性［4］(见图1)。用抽空单元模拟溶洞，本工程溶洞多含填充物，模型中溶洞采用布尔运算进行椭球实体抽空后填充单元模拟［5］(填充材料见表1)，并赋予溶洞顶板特性和尺寸。将岩土体设为理想弹塑性体，桩土间的作用采用摩擦接触单元模拟，并屈服Mohr-Coulomb准则［6］。

图1 桩基与岩溶地基分析模型(单位:kN/m2)

表1 钻孔勘测溶洞填充物物理力学性质指标

3 影响桩基沉降的溶洞参数分析

3.1 溶洞顶板厚度和桩尖至岩溶层间岩土层厚度

为分析溶洞顶板厚度Hdd和桩尖至岩溶层间岩土层厚度Hzj对桩基沉降的影响规律［7］，Hdd分别取 0，25，50，100，150，200，250和 300 cm，Hzj分别取 100，200，500，1 000，1 500和2 000 cm，线溶率取30%，溶洞水平方向两个半径(Rx，Ry)均取1 500 cm，竖向半径(Rz)取150 cm。为分析各因素影响下，溶洞顶竖向变形对桩基沉降量的贡献率，除了分析各因素对桩基沉降量的影响，还分析其对溶洞顶沉降量与桩基总沉降量之比(Δb/Δt)的影响［8-10］，结果见图2。

由分析结果可知:

Hzj对桩顶沉降有较大影响，Hdd越薄这种影响就越明显。Hdd恒定时，Hzj较小时桩基沉降量相对较大;随着Hzj的增加，桩基沉降量有所降低;但当Hzj超过一定值后，桩基沉降量反而有所增加，这是因为Hzj不断增大后，桩尖至岩溶层间岩土层压缩变形对桩基沉降的贡献增大。Hdd对桩基沉降量有一定影响，Hzj越小，Hdd影响越明显;Hzj恒定下，Hdd越小，桩基沉降量就越大。

Hzj对溶洞顶沉降量与桩基总沉降量之比(Δb/Δt)有较大影响。当Hdd恒定时，随着 Hzj增加，Δb/Δt随之降低，桩间至岩溶层间岩土层的变形对桩基沉降起主控作用;反之，Δb/Δt随之增大，溶洞顶变形起主控作用。当Hzj＜5 m时，溶洞顶沉降量占桩基总沉降量的60%以上。Hdd对Δb/Δt有一定影响，Hzj恒定时，随着Hdd增加，Δb/Δt随之有所降低。

3.2 线溶率和溶洞尺寸

为分析线溶率对桩基沉降的影响，通过增加竖向溶洞数量(方法1)和改变溶洞竖向尺寸(方法2)两种方法来改变岩溶地基的线溶率，线溶率分别取10%，20%，30%，40%，50%，Hdd取50 cm，溶洞水平半径(Rx，Ry)取1 000 cm，竖向半径(Rz)取100 cm，Hzj取1 200 cm，结果见图3。

由图3可知:采用方法1时，改变岩溶层的线溶率后，随着溶洞数量增加，桩基沉降随之增大。采用方法2时，线溶率超过30%后，随着线溶率增大，桩基沉降反而有所降低。这是由于方法1采用单溶洞，增加竖向半径后，溶洞起拱效应使拱的自承能力增大所致。因此，岩溶地基无论线溶率多大都应该引起重视，线溶率的影响不能单从改变溶洞竖向半径来分析，应根据实际工程地勘结果确定合理分析方法。

为分析溶洞水平分布范围对桩基沉降的影响，改变溶洞的Rx和Ry，取Hzj=4，8，12 m;Hdd取0.5 m，结果见图4。

图2 Hdd和Hzj对桩基沉降的影响

分析图4可知:溶洞水平尺寸越大，溶洞顶岩溶层的跨度就越大，在相同附加荷载作用下溶洞顶的变形随之有所增大，使桩基的竖向沉降也随之增加。溶洞水平尺寸对桩基沉降的影响程度与Hzj的大小有关。Hzj越小，溶洞水平尺寸对桩基沉降的影响就越明显。

图3 溶洞线溶率与桩基沉降关系曲线

图4 溶洞水平尺寸对桩基沉降的影响

4 注浆加固分析

4.1 仅对桩尖土层竖向注浆

取溶洞Rx=Ry=10 m，Rz=1 m，Hdd=1.5 m，分别取 Hzj=5，10，15 m。水平注浆范围为承台尺寸(680 cm×1 020 cm)向外各加宽4 m，即 Dx=Dz=4 m。依次分析从上往下(TB)注浆1/3Hzj，2/3Hzj和从下往上(BT)注浆1/3Hzj，2/3Hzj，以及 Hzj全范围(TT)注浆时的注浆效果。取注浆后土体的弹性模量 Ep=30 MPa［11-13］，结果见图5。

图5 桩尖土层竖向注浆范围对桩基沉降的影响

分析图5可知:

1)只对桩尖土层进行注浆情况下，控制桩基沉降的效果受 Hzj的影响比较明显，特别是自上而下注浆时，随着Hzj的增加注浆控制桩基沉降的效果就越好。

2)单纯对桩尖土层进行注浆加固，对岩溶区桩基沉降的控制效果有限。在注浆厚度相同的情况下，自上而下注浆的加固效果比自下而上相对好些。

4.2 仅对桩尖土层水平注浆

分别取溶洞Rx=Ry=5，10，15 m，Rz=0.1Rx，Hzj=5，10，15 m，Hdd=50 cm。桩尖土层全注浆，加固外延范围分别取Dx=Dz=0，2，4，6，8 m，注浆体弹性模量Ep=30 MPa，结果见图6。

图6 桩尖土层水平注浆范围对桩基沉降的影响

分析图6可知:

1)水平注浆范围对桩基的沉降有所影响，随着水平注浆外延范围的增加，加固效果随之更明显，且这种趋势受Hzj的不同而不同。Hzj越小，扩大桩尖土层水平注浆范围对控制桩基沉降的效果越不明显。

2)当桩尖土层水平注浆范围超过溶洞水平范围后，再扩大水平加固范围，则桩基沉降量减少率趋于稳定。因此，仅通过扩大桩尖土层水平加固范围来控制岩溶区桩基沉降的效果有限。

4.3 仅对溶洞注浆

取溶洞Rx=Ry=15.0 m和 Rz=1.5 m，分别取Hdd=0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m，Hzj=2.5，5，10，15，20 m，分析结果见图7。

分析图7可知:溶洞注浆可以控制岩溶区桩基的沉降，注浆效果受Hdd和Hzj的影响。尤其是受Hzj的影响非常敏感，Hzj越小加固效果越明显，当 Hzj较大时加固效果开始降低。Hdd越薄，溶洞注浆后对控制桩基沉降效果越明显。溶洞注浆后溶洞顶的沉降明显减小，桩尖土层的压缩沉降变形对整个桩基沉降的贡献明显增加。因此，在Hzj较大的情况下，仅对溶洞进行注浆加固效果不理想。4.4溶洞和桩尖土层同时注浆

图7 溶洞注浆控制桩基沉降的效果

分别取溶洞Rx=Ry=10 m和 Rz=1 m，取Dx=Dz=4 m，即水平注浆范围为1 480 cm×1 820 cm，Hdd= 1.5 m，Hzj=5，10，15，20 m。将对溶洞和桩尖土层同时注浆的分析结果与仅对溶洞注浆、仅对桩尖土层注浆进行对比［14-16］，结果见图8。

图8 不同注浆加固方案加固效果对比

分析图8可知:对溶洞和桩尖土层同时注浆加固后，对控制岩溶区桩基的沉降效果非常明显，可以有效降低桩基沉降达37%以上。由于溶洞和桩尖土层沉降均得到有效控制，随着Hzj增加，注浆加固对控制岩溶区桩基的沉降减少率随之逐渐降低。在相同条件下，对溶洞和桩尖土层同时注浆加固方案优于仅对溶洞注浆或仅对桩尖土层注浆方案。

5 结论

通过对郑徐铁路客运专线岩溶区桩基沉降和注浆加固的研究，得出如下主要结论:

1)溶洞顶板厚度Hdd和桩尖至岩溶层间岩土层厚度Hzj对桩基沉降有较大影响，应根据工程具体情况进行系统分析，明确桩基沉降是由溶洞顶板岩层变形控制，还是由桩尖土层压缩变形控制，以便准确采取控制措施。当Hzj较大时，可考虑主要对桩尖岩土层注浆加固;当Hzj和Hdd均较小时，可考虑对桩尖岩土层和溶洞同时注浆加固。

2)溶洞的水平尺寸对桩基沉降有较大影响，溶洞水平尺寸越大，桩基沉降量就越大;当水平注浆范围大于溶洞水平尺寸时，注浆控制桩基沉降的效果较好。

3)采取注浆加固控制岩溶区桩基沉降的方案是可行的，但岩溶区桩基沉降受溶洞顶板厚度、溶洞尺寸大小、桩尖至岩溶层间岩土层厚度及线溶率影响。注浆加固方案的设计和分析应从降低线溶率、改变溶洞结构强度和改善桩尖土层承载能力的角度出发，在明确控制桩基沉降主因的基础上，制定合理的注浆加固方案。

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Study on subsidence of bridge pile foundation and its jet-grouting reinforcing on passenger-dedicated railway in karst area

ZHANG Wenxue，CHEN Zhuang，LIU Long，XU Chengshun
(College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

As most of the newly constructed passenger-dedicated railway lines operate at 300 km/h or above，foundation subsidence of bridge piles stands as a critical challenge．T herefore，how to thoroughly analyze the influence of karst cave to pile subsidence，and how to predict pile subsidence in an accurate manner stand as two difficult tasks to the foundation design for passenger-dedicated railway bridge．T he paper takes the pile foundation of Xuzhou super-long bridge on Zhengzhou-Xuzhou passenger-dedicated railway line as the study object，and builds finite-element model for the analysis of pile foundation and karst-cave foundation accordingly．It looks into the karst parameters and its influence on foundation subsidence，and gives the comparative results of different grouting schemes．T he results indicate that relevant factors include thickness of head lining，thickness of rock-soil layer(from pile tip to karst layer)，cave dimension and linear karst ratio in vertical direction．It needs to be noted that comparatively，the first two exert the greatest influence on grouting results，therefore the grouting scheme applied shall be based on concrete conditions．

Pile foundation;Subsidence;Karst cave;Linear karst ratio

U443．15

:ADOI:10．3969/j．issn．1003-1995．2015．08．08

(责任审编 葛全红)

2015-04-20;

:2015-06-10

国家自然科学基金项目(51278015)

张文学(1975— )，男，吉林伊通人，副教授，博士。

1003-1995(2015)08-0027-05