岩溶地区高速铁路桥梁桩基后注浆承载特性研究

张 凯，马建林，罗朝洋，白丁伟

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

根据我国中长期铁路规划，到2020年我国高速铁路里程将达到3万km，形成“八纵八横”的高速铁路主通道。高速铁路的高速度、高安全性和高平顺性对线路工程质量提出了极高的要求，普通路基难以应用于高速铁路线路工程上，因而大量采用桥梁、隧道等结构性工程。我国已建成的高速铁路中桥隧所占比例较高，一般达到50%～60%，有的甚至达到80%～90%，例如京沪高速铁路桥梁总长约占线路总长的82%。高速铁路桥梁的基础形式一般采用泥浆护壁钻孔灌注桩基础，其持力层一般选取较完整的岩石层或较硬的土层。由于我国对高速铁路沉降控制的标准非常严格，工后沉降不得超过15 mm，为满足要求，钻孔灌注桩桩长和桩径往往很大，有时桩长甚至达到70～80 m，很大程度上提升了工程造价和施工难度。

桩基后注浆技术将注浆与桩基技术结合，利用水泥浆加固桩端和桩侧一定范围内的土体，达到提高单桩承载力，减小沉降的目的。文献[1]将后注浆技术应用于苏通大桥桩基础，注浆后其极限承载力是注浆前的1.48～2.00倍，为我国公路桥梁建设的桩基技术提供了参考；文献[2]基于台州湾大桥大直径钻孔灌注桩现场静载试验提出后压浆桩荷载沉降曲线计算方法；文献[3-4]利用后注浆技术加固京沪高速铁路软土地区桥梁桩基，从而达到提高高速铁路桥梁桩基承载力，减小桩基沉降，加强桥梁整体稳定性的目的。

为掌握岩溶地区高速铁路桥梁桩基础后注浆钻孔灌注桩的承载特性，推广后注浆技术在京沈客运专线建设中的应用。本文基于京沈客运专线顺义特大桥190＃墩钻孔灌注桩注浆前后静载试验结果，利用岩土工程有限元软件PLAXIS进行数值模拟，验证实测值与计算值的一致性，并分析部分未加载至极限状态的试桩承载特性[5-10]。

1 工程概况

顺义特大桥是京沈客运专线控制性工程。其190＃墩处于为深覆盖型岩溶发育区，在地面以下60～85 m不规则分布着较多溶洞，发育程度为中等～强烈。

原设计桩长79.5 m，桩径2 m，需穿越大量岩溶地层。现通过桩基后注浆、溶洞注浆，实现缩短桩长、避开岩溶地层、降低施工难度的目的。

顺义特大桥地处冲洪积平原区，桥址区勘探深度范围内的地层依次为:第四系人工堆积素填土层，厚0.8 m；粉质黏土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；粉质黏土 1，厚2.2 m；中砂，厚3.6 m；粉质黏土2，厚 6.2 m；中砂，厚1.2 m；粉质黏土 2，厚 1.4 m；中砂，厚 4.3 m；粉质黏土 3，厚8.8 m；粉砂2，厚1.2 m；粉质黏土3，厚11.7 m。

2 钻孔灌注桩静载试验

2.1 现场静载试验

现场静载试验场地位于190＃墩大里程侧，选取4根钻孔灌注桩作为试桩，设计桩长均为30 m，桩径1.25 m。静载试验中试桩1、试桩2加载至极限破坏状态，试桩3、试桩4分别加载至2倍、4倍设计工作荷载，设计工作荷载为3 600 kN。在试桩周围布置7根锚桩。在试桩顶部2个正交方向对称安置4个位移计用于量测各级荷载下桩顶的位移。在桩身主筋上每隔2 m安放2根钢筋计，共计16个断面、32根钢筋计。试桩与锚桩布置如图1所示。

图1 试桩与锚桩布置示意(单位:mm)

2.2 后注浆设计

试桩1作为对比桩，不进行后注浆处理。对试桩2～4进行桩端、桩侧注浆，桩侧注浆口位于标高13.7，24.7 m处并各预埋2根注浆管。桩端注浆口预埋3根注浆管。锚桩1～7桩侧预埋3根注浆管。试桩注浆情况见表1。

表1 试桩注浆情况

2.3 试验结果分析

试验中试桩3，4并未加载至桩体极限荷载，在此只分析试桩1，2的极限承载特性。

试桩1，2桩顶荷载-位移曲线见图2(图中S代表试桩)。

图2 试桩1，2桩顶荷载-位移曲线

由图2可知，注浆试桩2极限承载力相对于未注浆试桩1提高85.1%；在荷载为13 500 kN时未注浆试桩1桩顶位移约为13.92 mm，注浆试桩2桩顶位移约为5.84 mm，位移减小约58%。

3 数值模拟

3.1 计算模型

采用有限元软件PLAXIS对4根试桩的承载特性进行数值模拟。假定桩体为线弹性体；桩周土、注浆加固体采用理想弹塑性本构模型，服从摩尔-库伦屈服准则。计算模型中土体长宽方向上取10D(D为桩的直径，1.25 m)，垂直方向上取桩长的2倍。

3.2 计算参数的选取

桩体采用线弹性本构模型，具体参数见表2。

表2 桩体参数

根据文献[11-12]考虑砂土粒径的影响，以球形扩散理论为基础，假定桩端加固区域为圆柱形，桩侧为圆环形加固区。加固区域尺寸参数见表3，加固区域及土体参数见表4。

表3 加固区域尺寸参数

表4 土体及加固区域土体参数

3.3 数值模拟结果分析

3.3.1 荷载-位移特性分析

根据数值模拟计算值及实测结果绘制试桩桩顶荷载-位移曲线，见图3。当荷载增量相同的情况下，位移突然出现陡降时的荷载取为极限荷载点。

图3 试桩桩顶荷载-位移曲线

由图3可知，采用数值模拟得到的荷载-位移曲线与现场实测曲线走势基本一致，结果拟合度较高；有限元软件PLAXIS可以很好地模拟并预测高速铁路桥梁桩基承载特性；注浆试桩2～4极限荷载相对于未注浆试桩1提高约73%。在4根试桩桩顶荷载达到13 500 kN时，注浆试桩2～4桩基位移相对未注浆试桩1减小约57%。

试桩1～4桩顶荷载-位移数值模拟曲线见图4。可知，在桩侧、桩端注浆量不同的情况下，当荷载较小时注浆加固区域的土体还未发挥作用使得试桩1～4位移的差异性较小，当荷载增加至某一荷载时注浆加固区域的土体逐渐发挥效用使得曲线趋势出现明显的变化。

图4 试桩桩顶荷载-位移数值模拟曲线

3.3.2 桩侧侧摩阻特性分析

试桩1～4在极限荷载下桩侧摩阻力值见表5，其中试桩1、试桩2取2 m内的桩侧摩阻力平均值代表桩侧摩阻力，由现场试验中预先埋设的相邻钢筋计计算差值得到；试桩3、试桩4的桩侧摩阻力通过有限元软件计算得到。

表5 极限荷载下试桩1～4桩侧摩阻力 kPa

由表5可知，当埋深小于11.5 m时，未注浆桩与注浆桩桩侧极限摩阻力差别不大；当埋深大于11.5 m时，注浆桩的桩侧极限摩阻力较未注浆桩明显提高。

不同土层极限侧摩阻力增强系数见表6。可知，在不同的土层中桩侧极限摩阻力均有提高，在黏性土中约提高2.13倍，粉砂中约提高1.72倍，中砂中约提高2.09倍，砂层压浆效果明显优于黏土层，且中砂的提高比例大于粉砂，故一般选取砂层作为压浆层。

表6 不同土层极限侧摩阻力增强系数

极限荷载下各试桩情况见表7。可知，将后注浆技术应用于高速铁路桥梁桩基能够显著提升桩基性能，其后注浆桩桩侧侧摩阻力提高约1.6～2.0倍，桩端阻力提高约1.4～1.6倍。

表7 极限荷载下各试桩情况

4 结论

1)注浆桩极限承载力相对于未注浆桩提高约85.1%，后注浆桩桩侧侧摩阻力提高约1.6～2.0倍，桩端阻力提高约1.4～1.6倍。

2)在现场试验相同桩顶荷载13 500 kN下，注浆桩的沉降量相对未注浆桩减小约58%。

3)运用有限元软件PLAXIS模拟试桩1～4所得结果与实测资料是吻合的，说明数值模拟用于模拟并预测高速铁路桥梁桩基承载特性是可行的。

4)当埋深大于11.5 m时，注浆桩桩侧极限摩阻力相对于未注浆明显提高，极限摩阻力在黏性土中约提高2.13倍、粉砂中约提高1.72倍、中砂中约提高2.09倍且砂土的压浆效果优于黏性土，建议将砂层选为压浆层。