客运专线岩溶区地基注浆加固研究

1、客运专线岩溶区地基注浆加固研究张文学陈 壮刘海陆( 北京工业大学， 北京 100124)摘要: 研究目的: 随着客运专线规划与建设在全国展开，客专桥梁穿越岩溶区现象比较常见，如何分析岩溶区注浆加固对桩基沉降的控制效果，并确定合理的注浆加固方案是岩溶区铁路客运专线桥梁桩基设计面临的 问题。以某岩溶区铁路客运专线桩基为依托工程，利用基于规范的理正软件，分析不同注浆方案对桩基沉降 的控制效果，在此基础上确定合理的岩溶区地基注浆加固方案。研究结论: 通过研究得出: ( 1) 只对溶洞注浆可以较好地控制桩基倾斜，但不能有效控制桩基竖向沉降 量; ( 2) 只对桩尖土层注浆可以有效控制桩基竖向沉降，但不能

2、有效控制桩基倾斜; ( 3 ) 同时对溶洞和桩尖土 层注浆既可以控制竖向沉降，又可以控制倾斜，是为较合理的加固方案; ( 4) 以上结论可为岩溶区桩基注浆加 固提供参考。关键词: 客运专线; 桩基; 沉降量; 岩溶; 溶洞; 注浆中图分类号: U448 35; U442 51文献标识码: Aesearch on the Foundation Grouting einforcement Scheme in Karst Area ofPassenger Dedicated LineZHANG Wen xue，CHEN Zhuang，LIU Hai lu( Beijing University of

3、 Technology，Beijing 100124，China)Abstract: esearch purposes: With the development of planning and construction of railway passenger dedicated line in our nationwide，it is more common for railway bridges to pass through karst areas As a result，how to analyze the effect of grouting reinforcement on th

4、e settlement of pile foundation and determine a reasonable grouting reinforcement scheme has become the problem of designing a pile foundation of railway bridge in karst areas Based on pile foundation engineering of a railway passenger dediciated line in karst area，genuine Lizheng Software that base

5、d on code was used to analyze the effect of different grouting reinforcement scheme on the settlement of pile foundation，at the same time reasonable grouting reinforcement scheme was selectedesearch conclusions: ( 1) Only grouting karst cave can control the tilt of pill foundation well，but it can no

6、t control the settlement of pile foundation effectively ( 2 ) Only grouting the soil layer at pile tip can control the settlement of pile foundation effectively，but it can not control the tilt of pill foundation well ( 3 ) Grouting both karst cave and the soil layer at pile tip not only can control

7、the tilt of pill foundation well，but also can control the settlement of pile foundation effectively，as the result it is a better grouting reinforcement scheme ( 4) The above conclusions can provide reference for the engineering of pile foundation grouting reinforcement in karst areaKey words: passen

8、ger dedicated line; pile foundation; settlement; karst; karst cave; grouting收稿日期: 2013 11 22基金项目: 国家自然科学基金( 51278015) 作者简介: 张文学，1975 年出生，男，副教授。29张文学 陈 壮 刘海陆: 客运专线岩溶区地基注浆加固研究第 7 期左右; 不均匀层的每层溶洞不等厚度布置，且溶洞长宽由 4 m 至 10 m 的大小不等变化。溶洞竖向高度据本 桩位地勘给定，模拟线溶率变化以溶洞厚度变化来模 拟，如图 1 所示。溶洞内的全填充淤泥质粉质黏土状 态设定为流塑，并使其具有一定压缩模

9、量和承载力，比 较接近实际工程地质情况，如表 1 所示。引言我国铁路客运专线多采取以桥代路的设计理念， 随着客运专线的规划与建设向各地区推进，桥梁线下 穿越岩溶区的现象已比较普遍。因此，较合理地通过 分析来确定注浆效果较好的地基注浆加固方案，为岩 溶地基注浆加固初期方案评估和注浆施工提供参考非 常必要。2工程概况与建模12 1工程概况某铁路客运专线的设计时速 350 km / h，作为“四纵四横”客运专线网的组成部分，正线长度 361 937 km。覆盖型岩溶是桥址区主要的不良工程地质问题，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

10、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 为 0 05 20 7 m，单 孔 线 岩 溶 率 为0 49% 85 53% ，溶洞一般呈全充填、半充填状，局部 为空洞，钻进时掉钻; 充填物一般为可塑 硬塑状黏性 土，多夹有溶蚀岩块等，局部岩芯呈半壁岩状。该桩基 共设 11 根直径 100 cm、长 37 5 m 的钻孔灌注桩，承台 顶面设计最大中心荷载 P = 17 797 kN。2 2分析模型本次分析以该工程主要岩溶区地基为综合参考并选取具有代 表 性 的 264 号桩位岩溶地基进行注浆分 析，并依此表征其他桩位地基注浆分

11、析。本次建模软 件是以基于最新桩基规范的理正 FCAD I4 0 作为分 析应用软件。根据本工程地质勘察报告，通过软件将264 号桩位地基中溶洞模拟为全填充淤泥质粉质黏土 型溶洞，所有工况溶洞为两层分布。实际注浆过程为 粉质黏土与水泥浆及掺合料混合形成水泥土。因此， 模拟注浆后沉降分析是将注浆前分析中需注浆范围内 的粉质黏土参数进行修改成水泥土的参数，而影响注 浆效果的变量主要有溶洞结构特征、注浆区域和注浆 范围。264 号桩位原位地基存在两层溶洞层，承台底部布 置 11 根钻孔灌注桩，桩长 37 5 m。后处理中承台范围 内的地基选择自动三角形网格分化，网格单元最长取0 65 m。荷载为作用

12、在墩顶的集中荷载，荷载组合为准 永久组合，承受上部作用为承台和桩基协同作用。由该 桩位土层信息，计算出沉降经验计算系数为 ms = 0 418。2 2 1溶洞模拟 溶洞主要以全填充淤泥质粉质黏土的方式对溶洞进行模拟，溶洞层分为均匀层和不均匀层两种情况计 算，均匀层的每层溶洞等厚度布置，溶洞长宽为 14 m图 1 地基分析模型30铁 道 工程学报2014 年 7 月表 1 溶洞内填充物物理参数指标2 2 2注浆模拟由于理正软件中已有土层缺省水泥土概念和参数 设定，软件中溶洞注浆层仍以淤泥命名; 某土层中注浆 形成水泥土层板结构，软件中水泥土层板结构以角砾 命名，但所有参数已更改为水泥土参数。水泥

13、土的掺 合土料为粉质黏土以及碎石等，并以土、水泥掺入比为3 1 和龄期为 90 d 的水泥土参数作为注浆层计算参 数，如表 2 所示。表 2 水泥土部分物理参数指标3注浆加固分析为分析岩溶 区 桩基不同注浆加固方案对桩基沉 降的控制效果，本文在参考相关文献的桩基上，结合具体工程情况分别提出: 溶洞注浆、桩尖土层注浆、溶洞 和桩尖土层同时注浆 3 种注浆加固方案。系统分析了 各相关参数对不同注浆加固方案加固效果的影响，为 依托工程岩溶区地基加固设计提供参考。本次计算主 要针对该专线跨既有线大桥，其岩溶地基主要特点为 线溶率 0 49% 50% 左 右。实际注浆施工存在复杂 不确定因素，为了给实际

14、注浆施工提供一个可靠的安 全值，分析桩基沉降值应小于规范值 20 mm 的 0 8，安 全系数为 1 25。因此，以桩基沉降小于16 mm和桩基 两侧沉降差小于 4 mm 作为合理方案标准。3 1 溶洞注浆加固分析本方案只对岩溶层溶洞进行注浆，不对桩尖土层 注浆，分析注浆效果影响参数有: 线溶率 XL、桩尖至 岩面间土层厚 ZJH、溶洞顶板厚 DBH、溶洞洞 宽 DK， 影响分析中，溶洞层模拟为均匀层和不均匀层两种分 布，其中 DK 只做溶洞不均匀层分析。其中主要分析 指标为注浆前桩基沉降量 CJL zjq、注浆后桩基沉降 量 CJL zjh、注浆前桩基两侧沉降差 CJC zjq、注浆后 桩基

15、两侧沉降差 CJC zjh，溶洞均匀层和不均匀层两 种情况分 别 加 JY 和 BJY ( 下 同 ) ，主 要 分 析 如 下4 个工况，具体分析结果如图 2 所示。图 2 溶洞注浆效果分析工况 1: 定量: ZJH = 10 m，DBH = 1 m，DK = 6 m，变量: XL = 10% 、20% 、30% 、40% 、50%指标 填充天然重度/ ( kN/ m3 )饱和重度/ ( kN/ m3 )压缩模量/ MPa承载力特 征值 / kPa内摩擦角/ ( ° )水泥土20 7823 2250 00500 0015 60指标 填充天然重度/ ( kN/ m3 )饱和重度/ (

16、 kN/ m3 )压缩模量/ MPa承载力特 征值 / kPa内摩擦角/ ( ° )淤泥质 粉质黏土17 8417 852 2150 006 0731张文学 陈 壮 刘海陆: 客运专线岩溶区地基注浆加固研究第 7 期工况 2: 定量: XL = 20% ，DBH = 1 m，DK = 6 m，变量: ZJH = 8 m、10 m、12 m工况 3: 定量: XL = 20% ，ZJH = 10 m，DK = 6 m， 变量: DBH = 0 5 m、1 m、2 m、3 m表 3桩尖土层注浆分析工况土层注浆厚 8 m工况 4: 定 量: XL = 20% ，ZJH = 101 m，变量

17、: DK = 4 m、6 m、8 m、10 m由图 2 分析可知:m，DBH =在桩尖至岩 面 间 土 层 厚 ZJH、溶 洞 顶 板 厚 DBH、溶洞洞宽 DK 一定的情况下，注浆前桩基竖向沉降量 和两侧沉降差均随溶洞线溶率的增大而增大。只对溶 洞进行注浆后，桩基两侧的沉降差得到很好的控制; 桩 基竖向沉降有所降低，且线溶率越大时桩基竖向沉降 降低效果越明显，溶洞注浆加固后桩基沉竖向降量受 线溶率 XL 的 影 响 很 小，但仍存在超过规范限值 20 mm 的情况。在线溶率 XL、溶洞顶板厚 DBH、溶洞洞宽 DK 一 定的情况下，溶洞注浆前桩基竖向沉降量随 ZJH 的增 大而有所增大，两侧

18、沉降差有所降低。只对溶洞注浆 后，桩基两侧沉降差得到控制，但桩基竖向沉降量没有 得到有效控制，当桩尖土层 ZJH 较大时桩基竖向沉降 量仍存在超规范限值 20 mm 的情况。随着溶洞顶板厚度 DBH 的增加，不论是溶洞注浆 前还是溶洞注浆后，桩基的竖向沉降量和两侧沉降差 均有所降低，但降低幅度非常有限。也即仅对溶洞进 行注浆加固效果受溶洞顶板厚度影响很小，可以忽略。溶洞水平分布宽度 DK 对注浆加固前桩基的竖向 沉降有较大影响，溶洞水平宽度越大，桩基的竖向沉降 和两侧沉降差都随之增加; 溶洞注浆后桩基的竖向沉 降受溶洞水平分布宽度的影响较小，但桩基竖向沉降 仍不能得到有效控制，仍存在超规范限值

19、 20 mm 的情 况。综合以上分析，仅对溶洞注浆不能确保注浆后桩 基沉降量满足规范要求，考虑到地下结构的复杂性及 注浆施工的不确定性，为确保工程安全应考虑其他注 浆方案进行岩溶区桩基加固处理。3 2 桩尖土层注浆加固分析由以上分析可知，仅对溶洞注浆，在个别情况下桩 基的竖向沉降量仍有超过规范限值 20 mm 的可能性， 造成只对溶洞注浆加固效果不理想的原因是桩尖土层 的压缩变形贡献较大。为确定合理的注浆加固方案， 分析仅对桩尖土层进行注浆的加固效果，水平注浆范 围为为承台外延 4 m，具体分析工况如表 3 所示，分析 结果如图 3 和图 4 所示。图 3 DBH 对桩尖土层注浆影响分析图 4

20、 ZJH 对桩尖土层注浆影响分析由图 3 和图 4 分析可知:仅对桩尖土层进行注浆加固时可以较为有效地控 制岩溶区桩基的竖向沉降量。对桩尖土层注浆加固后 桩基竖向沉降量随溶洞顶板厚度的增大而降低，且方 案 2 的变化 趋 势 比 方 案 1 明 显 得 多。因 存 在 溶 洞 影 响，桩基两侧沉降差仍较大。采取方案 1 进行注浆加固时，随着桩尖土层厚度 的增加桩基的竖向沉降量随之增加。采取方案 2 进行注浆加固时，随着桩尖土层厚度的增加桩基的竖向沉降量随之增加的趋势得到控制。综上分析，仅对桩尖土层进行注浆加固时，溶洞没 有得到有效加固，该方案不能有效控制桩基两侧沉降差。虽然桩基两侧沉降差受溶

21、洞顶板厚度的影响较 工况定量变量方案描述1ZJH = 12 m， XL = 20% ， DK = 6 mDBH = 1 m、2 m、3 m方 案 1: 岩 面 以 上方 案 2: 岩 面 以 上 土层注浆至桩尖2DBH = 1 m， XL = 20% ， DK = 6 mZJH = 8 m、10 m、12 m方 案 1: 岩 面 以 上 土层注浆厚 8 m方 案 2: 岩 面 以 上 土层注浆至桩尖32铁 道 工程学 报2014 年 7 月小，但受桩尖土层厚度的影响较大，桩尖土层厚度越小桩基两侧沉降差越大。对于不同桩尖土层地基，对溶洞注浆后，在对桩尖土层注 浆 厚 度 8 m 以 上，桩基沉降

22、量都能控制在 16 mm 下，且桩基两侧沉降差都小于 2 mm，桩基沉降 量和倾斜程度都得到有效地控制。对于不同线溶率地基，对溶洞注浆后，在对桩尖土 层注浆厚度 8 m 以上，桩基沉降量都能控制在15 mm 以下，且桩基两侧沉降差都小于 1 mm，桩基沉降量和 倾斜程度都得到有效地控制。因此，对溶洞和桩尖土层同时注浆加固，注浆效果 明显，注浆方案合理。3 4水平注浆范围分析由上述可知，对溶洞和桩尖土层同时注浆加固方 案最合理。在此基础上，为了确定最佳方案的注浆水 平范围，本次以距承台外缘不同范围做变量分析，其中 承台外围值为 CTW = 0 m、2 m、4 m、6 m、8 m; 定量为 ZJH

23、 = 10 m、XL = 20% 、DK = 6 m、DBH = 1 m，且只分 析溶洞层为不均匀分布情况，分 析 结 果 如 图 7 所 示， 图中 CW 表示承台周围注浆范围控制的桩基沉降 情况。由以上分析可知: 无论何种溶洞层，对溶洞和桩尖 土层竖向 8 m 范围内进行注浆条件下，桩尖土层水平 注浆范围大小对控制桩基沉降量有一定影响。随着水 平注浆范围的增大，桩基的沉降量随之降低; 但当水平 注浆范围超过 4 m 后，这种趋势开始变缓。水平注浆 范围为 4 m 以上，桩基沉降量都小于15 mm。因此，合 理注浆方案的水平注浆范围以 4 m 为宜。3 3溶洞和桩尖土层同时注浆加固分析由前述

24、可知，仅对溶洞进行注浆加固虽然桩基两侧沉降差得到了很好的控制，但竖向沉降量仍有超过规范限值的可能; 而仅对桩尖土层进行注浆加固虽然 可以较好地控制桩基的竖向沉降量，但不能有效地控 制桩基两侧沉降差。为确保客运专线的运营安全，提 出对溶洞和桩尖土层同时注浆的加固方案。本次做桩 尖土层和溶洞同时注浆分析，以桩尖土层厚 ZJH 和线 溶率 XL 为变量拟出分析工况，水平注浆范围为为承 台外延 4 m，具 体 分 析 工 况 如 表 4 所 示，分 析 结 果 如 图 5和图 6 所示。表 4 关键量设定拟出各计算工况图 5 ZJH 影响桩尖土层和溶洞注浆分析图 7 CTW 影响注浆效果分析4结论通过

25、以上分析得出如下主要结论:( 1) 仅溶洞注浆虽能较好地控制桩基倾斜程度，图 6 XL 影响桩尖土层和溶洞注浆分析但部分桩基沉降仍接近规范限值 20 mm。( 下转第 104 页由图 5 和图 6 分析可知:To P 104)工况变量定量注浆1ZJH = 8 m、10 m、12 mCTW = 4 m，XL =20% ，DK = 6 m，DBH = 1 m溶 洞 注 浆 且 桩 尖 土 层 注 浆 8 m2XL = 10% 、20% 、 30% 、40% 、50%CTW = 4 m，ZJH =12 m，DK = 6 m，DBH = 1 m104铁 道 工程 学 报2014 年 7 月Lian S

26、ongliang，Li Jianbin，Yang Wenzhong Analysisof Track Irregularity Spectrum of Shanghai Kunming and Jinhua Wenzhou ailwaysJ Journal of Tongji University( Nature Science) ，2010( 2) : 257 262李再帏，练松良，李秋玲，等 城市轨道交通轨道不平顺 谱分析J 华东交通大学学报，2011( 5) : 83 87Li Zaiwei， Lian Songlian， Li Qiuling， etcCharacteristic An

27、alysis of Track Irregularity Spectrum7刘秀波，吴卫新 钢轨焊接接头短波不平顺功率谱分析J 中国铁道科学，2000( 2) : 26 34Liu Xiubo， Wu Weixin PSD Analysis of Shortwave Irregularity on Welded Joints J China ailway Science，2000 ( 2) : 26 34李再帏，练松良 武广高速铁路轨道不平顺谱特征分析郑州大学学报( 工学版) ，2013( 5) : 52 55Li Zaiwei and Lian Songlian Characteristic

28、 Analysis of Track Irregularity Spectrum of Wuhan Guangzhou High Speed ailway J Journal of Zhengzhou University ( Engineering Science) ，2013( 5) : 52 55侯卫星，刘刚，康熊 0 号高速综合检测列车M 北京: 中国铁道出版社，2010Hou Weixing，Liu Gang，Kang Xiong No 0 High Speed Comprehensive Inspection TrainM Beijing:China ailway Publishi

29、ng House，201048of Urban ail Transit J JournalJiaotong University，2011( 5) : 83 87陈宪麦，王澜，陶夏新，等 中国干线铁路轨道谱的拟 合方法J 交通运输工程学报，2008( 1) : 19 22Chen Xianmai， Wang Lan， Tao Xiaxin，etc FittingMethod of Track Spectrum for Main Line ailway in China J Journal of Traffic and Transportation Engineering，2008( 1) :

30、19 22陈宪麦，王澜，陶夏新，等 我国干线铁路通用轨道谱 的研究J 中国铁道科学，2008 ( 3) : 73 77Chen Xianmai，Wang Lan，Tao Xiaxin，etc Study onGeneral Track Spectrum for Chinese Main ailwayLinesJ China ailway Science，2008( 3) : 73 77ofEastChina59610 袁亚湘，孙文瑜 最优化理论与方法M 北京: 科学 出版社，1997Yuan Yaxiang，Sun Wenyu Optimization Theory andMethodsM B

31、eijing: Science Press，1997檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨( 上接第 32 页From P 32)( 2 ) 仅桩尖土层注浆，能很大程度上控制了桩基发生过大沉降，但不能有效地控制桩基沉降过程发生 较大倾斜，而桩基两侧的不均匀沉降对铁路客运专线 的运营安全极为不利。( 3) 同时对溶洞和桩尖土 层 注 浆 时，不 仅 有 效 地 控制桩基的沉降量，而且有效地控制桩基沉降过程发生较大的倾斜，综合分析是较为合理的注浆加固方案。考虑到地下 工 程的复杂性及注浆施工的不确定 性，为确保注浆效果的可靠和客运专线的运营

32、安全，建 议注浆方案为采取对溶洞和桩尖土层同时注浆的加固 方案。一般地区简支梁桥墩摩擦桩，注浆范围为岩面 以下 3 m，岩面以上 5 m 土层，特殊情况岩面至桩尖土层均注浆。桩尖土层的水平注浆加固范围取为自承台 边缘向外延伸 4 m 为宜。参考文献:GroutingSGeddes J D Stress in Foundation Soil Due to VerticalSubsurface LoadingJ Geotechnique，1966 ( 3) : 289 295杨德健，王铁成 刚性桩复合地基沉降机理与影响因素 研究J 工程力学，2010( 1) : 150 163Yang Decheng，Wang Tiecheng esearch on