基于不均勻系數法的邊坡加固微型樁設計

董崇澤

(山西能源學院)

基于不均勻系數法的邊坡加固微型樁設計

董崇澤

(山西能源學院)

通過分析某邊坡工程地質條件，提出微型樁+重力式擋土墻的支護加固變更方案。采用不均勻系數法設計微型樁，充分利用微型樁的豎向及水平承載能力加固平臺地基，有效解決邊坡的失穩問題，為類似邊坡加固工程提供了參考。

邊坡加固 不均勻系數法 微型樁 豎向承載力

微型樁是一種小直徑樁，一般直徑或邊長小于300 mm，樁長小于30 m[1]，早期主要用于地基加固，隨著應用的廣泛和技術的成熟，近年來其在邊坡加固和滑坡防治工程中，特別在滑坡搶險應急中應用越來越多。微型樁施工機具小，適用于狹窄的施工作業區；土質邊坡適用性強；施工擾動小；施工速度快，用于搶險工程具有高效、快速的特點；且樁位布置靈活，可以布置在坡面、平臺或坡腳。由于其豎向承載力較高的特點，在邊坡治理工程中還可以起到地基加固的作用。

雖然微型樁在邊坡治理工程中的應用越來越廣泛，但是由于微型樁與其周圍巖土體之間的作用機理較復雜，至今還沒有形成比較統一的設計計算方法，在一定程度上制約了微型樁的推廣應用[2]。早在 1978 年，意大利人F·Lizzi采用網狀結構樹根樁的設計方法治理邊坡，但微型樁的設計計算在相當的程度上仍以經驗與直觀判斷為主，沒有形成完整的體系。此后許多專家學者對微型樁的設計計算進行了研究，并提出了一些設計方法。目前國外的微型樁設計計算方法主要有等效截面法、極限平衡法、“P-y”曲線法及軟件法等，國內應用較多的主要有等效抗彎剛度法、彈性地基梁法及不均勻系數法。其中不均勻系數法是一種基于微型樁大型物理模型試驗的簡化計算方法，即在巖質滑坡中，鋼筋的主要作用是抗剪；而在土質滑坡中，鋼筋在樁身開裂之前主要作用是抗彎剪，各排樁的滑坡推力可以使用不均勻分配系數進行調整，并且根據樁的抗剪或抗彎強度進行設計計算[3]。

某邊坡位于黃土梁狀丘陵區，區內地表多為厚層黃土覆蓋，黃土地貌發育，溝壑縱橫，塬梁連綿，溝谷切割深度大。隨著人類工程活動加劇，居民房屋沿坡頂修建，大量建筑垃圾、生活垃圾沿坡面傾倒，城市生活污水長期沖刷坡體，加劇邊坡失穩，嚴重威脅著周邊區域人民生命財產安全。為此，在加固邊坡過程中采用不均勻系數法設計計算微型樁以保證工程效果。

1 工程概況

該邊坡原設計采用回填反壓+格構護坡的方法進行治理(圖1)，自下而上共設計9級邊坡，設計單級坡高8 m，坡率為1∶1.25，由于施工后期地形地貌發生較大變化，施工到第八級平臺時，已不具備回填條件，嚴重影響工程進度，故建設方提出對第九級邊坡進行變更設計。該邊坡寬約73 m，平均高7.5 m，坡度為65°～70°。

根據巖土工程勘察報告提供的地質資料，邊坡巖性從上至下為填土、粉土，其主要特征如下：

(1)填土分雜填土和素填土，雜填土由早期和近期的建筑垃圾土和不斷堆積的生活垃圾土組成，該層填土厚1～8.5 m，一般為灰黃色或灰褐色，稍濕—中濕，松散—稍密，固結性差，極易發生沉陷變形。素填土一部分為早期城市建設產生的棄土，堆填時間一般超過10 a，呈褐黃色，主要成分為粉土、粉質黏土，偶爾有建筑垃圾或生活垃圾，稍濕，稍密，欠固結，該層填土厚1.7～9.5 m，為壓實填土，密實度較好，較濕；另一部分為前期工程治理壓實回填土，經現場檢測壓實度平均約96.2%，基本達到原設計要求。

(2)粉土為黃褐色，稍濕，稍密，該層未穿透，鉆孔揭露深度內最大厚度為7.6 m。工程地質剖面圖見圖2。

圖1 治理工程平面(單位：mm)

圖2 工程地質剖面

2 變更方案設計

根據勘查結果，采用傳遞系數法對現有填方邊坡進行了整體穩定性驗算，發現邊坡在天然狀態下，其穩定系數為1.323，處于穩定狀態，在飽水狀態下，其穩定系數為1.003，處于欠穩定狀態，需要進行工程治理。從各塊段的穩定系數來看，第九級平臺以上穩定系數在0.340～0.358，塊段以下滑力為主，平臺以下穩定系數在0.752～1.003，塊段以抗滑力為主，因此，在第九級平臺上布設支擋工程是可行的。

2.1 變更設計考慮的主要因素

(1)該邊坡的治理必須是永久性的，采用的方案應具有較高的承載能力和控制變形能力。

(2)邊坡坡頂現有建筑物及道路需要保留，基本不具備放坡條件。

(3)治理坡段以雜填土為主，厚度較大，固結性差，地基承載力低，簡單的換填難以處理。

(4)邊坡目前整體較穩定，若增加支擋工程應確保邊坡整體穩定性。

(5)平臺平均寬約4.5 m，大型機械施工難度大。

2.2 主要設計思路

根據邊坡實際情況及設計考慮因素，提出在平臺處采用微型樁+重力式擋土墻的方案支護該坡段。該方案充分利用了微型樁的豎向承載能力，加固平臺地基；同時利用水平承載能力對第九級邊坡起到抗滑移的作用，確保邊坡的整體穩定性。在加固后的平臺地基上，設置重力式擋土墻，用于抵抗置換回填后的碎石土壓力，采用鋼筋混凝土擴展基礎，并與微型樁連接形成樁基礎，最終形成微型樁和重力式擋土墻一體化支擋結構。工程布置示意見圖3。

圖3 工程布置示意

3 微型樁設計

3.1 鋼筋平均面積計算

采用傳遞系數法計算設樁位置處的推力[4]，當安全系數取1.1時，設樁處的推力為666 kN/m，設樁位置以下剩余抗滑力為0。樁間距取0.8 m，根據平臺寬度設置3排樁，梅花形布置。鋼筋選用HRB400，抗拉強度設計值fs=360 N/mm2。該工程屬永久工程，取安全系數Ks=1.8。

計算每根樁所應配置的鋼筋平均截面面積:

(1)

式中，As為鋼筋平均截面面積，mm2；Ks為安全系數；Tn為推力，kN/m；a為樁間距,m；n為樁的排數；fs為鋼筋抗拉強度設計值，N/mm2。

計算得出應配置的鋼筋平均截面面積為888 mm2。

3.2 調整后的鋼筋面積計算

查取黃土滑坡中群樁推力的不均勻分配系數(表1)，求出調整后的鋼筋面積Asi和配筋量。

表1 黃土滑坡中群樁推力的不均勻系數分配表[5]

每排樁調整后的鋼筋面積為[5]

(2)

式中，Asi為調整后的鋼筋面積，mm2；As為鋼筋平均截面面積，mm2；η為不均勻系數。

經計算各排樁調整后的截面面積分別為第一排樁1 243.2 mm2,配3根φ25 mm鋼筋；第二排樁888 mm2,配3根φ20 mm鋼筋；第三排樁444 mm2,配3根φ14 mm鋼筋。

3.3 計算樁長

微型樁位于滑面以上的部分為受荷段，其長度等于設樁處的滑體厚度；其位于滑面以下部分為嵌固段，嵌固段應有一定的長度，確保微型樁與土體之間的黏結以及鋼筋與混凝土之間的黏結，按下式計算：

(3)

式中，K為安全系數，屬危害較大，取2.0；D為樁徑，200 mm；qt為水泥結石體與巖土孔壁間的黏結強度設計值，取0.15 MPa；其他符號意義同前。

由式(3)計算得出Lq=6.79 m，受荷段為10.18 m，微型樁長17 m，采用3根鋼筋綁扎成鋼筋束通長配筋。為保證每根樁受力更均勻,樁頂采用鋼筋混凝土板進行連接(作用與連系梁相同)，同時連接后的樁與板視為樁基礎，可作為上部擋土墻基礎。

3.4 參數設計

在實際的計算中，樁間距和排數并非一次計算就能確定，因為當微型樁長度過大時，樁身與巖土體的黏結力會隨著滑面距離的增加而急劇衰減，距離滑面較遠的樁身無法充分發揮作用，這時則可通過調整樁間距和排數來達到調整滑體中樁長的目的。樁間距建議可按樁徑的3～10倍進行調整(視巖土條件而定)，樁的排數以3～5排為宜。

4 微型樁施工

微型樁施工步驟：測量放線微型樁定位→鉆機就位干作業鉆孔→清洗鉆孔→鋼筋籠制作→安裝下放鋼筋籠→下放導管→灌注混凝土→拔出導管。

本次微型樁樁孔采用螺旋鉆機干作業成孔，成孔后采用夯錘夯實孔底,清孔處理。成孔完畢，放入鋼筋籠，采用孔底反漿法注漿，要求混凝土必須具備良好的和易性，配合比通過試驗確定，坍落度應為180～220 mm；水泥用量不應小于360 kg/m3；混凝土含砂量宜為40%～50%，并宜選用粗砂；粗骨料的最大粒徑應小于40 mm。注漿完畢，拔出導管。

5 結 論

邊坡治理規模不大、施工作業區狹窄且需要進行支擋工程時，可考慮采用微型樁支擋。在松軟地層治理邊坡，可充分利用微型樁的豎向及水平承載能力，除了抗滑性能外，其地基加固的優點也很顯著。微型樁的設計是一個優化調整過程，應充分考慮樁間距、樁長、排數及樁徑的大小，使用不均勻系數法能夠取得最優設計值。

[1] 劉 續.注漿微型樁加固邊坡計算方法探討[J].工程建設與設計,2015(1):69-71.

[2] 龔國華,覃京音，黃 非.關于抗滑樁與巖土體相互作用研究的機理探討[J].礦產與地質,2012,26(3):260-264.

[3] 門玉明，韓冬冬，楊 覓，等.關于滑坡防治微型樁設計中幾個問題的探討[G]∥范立民.陜西環境地質研究—2014年陜西省地質災防治學術研討會論文集.北京：中國地質出版社，2014：90-93.

[4] 重慶市城鄉建設委員會.GB 50330—2013 建筑邊坡工程技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2013.

[5] 閆金凱，門玉明.基于模型試驗的滑坡防治微型樁設計方法[J].工程地質學報,2012,20(3):355-361.

2016-10-25)

董崇澤(1968—)，男，高級工程師，030600 山西省晉中市榆次區大學街63號。