鋼管微型樁在斜坡高擋墻地基加固中的應(yīng)用

何龍江

摘要 某二級(jí)公路改擴(kuò)建經(jīng)過斜坡路段，須采用高擋墻進(jìn)行收坡，松散覆蓋層較厚，地基承載較低，采用注漿微型鋼管樁復(fù)合地基對(duì)土層進(jìn)行加固。利用有限元強(qiáng)度折減法和簡(jiǎn)化畢肖普極限平衡法對(duì)未地基處理和地基花管注漿加固兩種方案進(jìn)行穩(wěn)定性對(duì)比分析，驗(yàn)證了微型鋼花管注漿對(duì)提高地基承載力和斜坡的整體穩(wěn)定性的良好效果，并對(duì)鋼管樁注漿施工關(guān)鍵工序、工藝和檢測(cè)指標(biāo)等進(jìn)行了說明。

關(guān)鍵詞 注漿鋼管樁;斜坡路基;高擋墻;有限元分析;斜坡穩(wěn)定

中圖分類號(hào) TU472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）13-0065-03

0 引言

山區(qū)斜坡地貌廣布，路線走向受走廊帶的控制往往無法繞避，形成高斜坡路基，自然穩(wěn)定放坡會(huì)出現(xiàn)放坡線較遠(yuǎn)。當(dāng)采用擋土墻進(jìn)行收坡時(shí)，經(jīng)常形成高大的擋土墻，殘坡積層覆蓋土層往往厚度較大，土層空隙大，土質(zhì)疏松，地基承載力不足。同時(shí)由于高擋墻重力大，修建后改變了斜坡影響范圍的地層應(yīng)力分布，導(dǎo)致斜坡整體穩(wěn)定性的降低。注漿微型鋼管樁是近年來興起的一種非開挖地基加固工藝，其在斜坡?lián)鯄Φ鼗幚碇袘?yīng)用越來越廣。

1 工程概況

某公路改擴(kuò)建工程，路基寬度采用8.5 m。路線經(jīng)過某斜坡地段，該段微地貌屬山麓斜坡殘坡積松散堆積體，相對(duì)高差35.0 m，地面起伏很大。地表覆蓋第四系砂質(zhì)粉質(zhì)黏土層2.7～11 m。下伏地層為志留系蘭多利亞統(tǒng)秀山組灰綠色紅粉砂質(zhì)黏土巖。沿線地下水主要為第四系砂質(zhì)粉質(zhì)黏土層中的孔隙水及下伏黏土巖中的基巖裂隙水，自然斜坡較陡，斜坡自然填筑高度較高，放坡距離過遠(yuǎn)，收坡后產(chǎn)生高擋墻，擋墻最大高度達(dá)到15 m，高擋墻對(duì)地基承載力的要求較高，且存在高大構(gòu)造物會(huì)對(duì)現(xiàn)狀穩(wěn)定地層應(yīng)力重分布產(chǎn)生較不利的影響，有引起邊坡整體失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，須進(jìn)行處理。

2 處治方案

2.1 方案的擬定

該段擋墻采用仰斜式擋土墻，墻高為15 m，墻身寬度3.0 m，面坡及背坡同坡采用1∶0.25，基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)寬度4.8 m，墻趾寬0.8 m，厚度1.2 m，基底采用1∶5的內(nèi)傾斜坡，計(jì)算分析該段擋墻在墻背采用可靠的填料及填料壓實(shí)情況下，擋墻自身抗滑移穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定均滿足要求，墻趾處最大壓應(yīng)力為283.409 kPa，墻底平均壓應(yīng)力263.285 kPa，下覆土層地基承載力不足。

《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）附錄H.0.2款第7條要求“設(shè)置于不良土質(zhì)地基、覆蓋土層下為傾斜基巖地基及斜坡上的擋土墻，應(yīng)對(duì)擋土墻地基及填土的整體穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，其穩(wěn)定性系數(shù)不應(yīng)低于1.25”。考慮斜坡修建高擋墻后邊坡應(yīng)力變化會(huì)導(dǎo)致邊坡整體穩(wěn)定性安全系數(shù)降低，需要對(duì)高擋墻修建后的斜坡整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算，保證斜坡的整體穩(wěn)定，避免高擋墻修建導(dǎo)致邊坡整體失穩(wěn)[1]。

比選考慮了樁基承臺(tái)擋土墻方案和微型樁樁基承臺(tái)方案，但考慮樁基施工造價(jià)、微型樁與基礎(chǔ)相連形成樁基模型，上部荷載完全由小樁承擔(dān)導(dǎo)致鋼管樁加長，造價(jià)增加，擋墻樁基傳力路徑較為復(fù)雜，地基注漿加固后土體的承載能力不能充分發(fā)揮，最終采用3排微型鋼管樁+1.0 m厚內(nèi)設(shè)2層土工格柵的碎石墊層復(fù)合地基方案，鋼管樁樁身入下覆穩(wěn)定基巖不小于1 m。樁與加固后的土體形成復(fù)合地基，共同提高地基承載力和地基的整體穩(wěn)定性[2]。

2.2 地基承載力計(jì)算

鋼管樁采用146 mm，壁厚6.5 mm，鉆孔孔徑采用200 mm，樁長12 m， 擋墻基礎(chǔ)寬度4.8 m，靠墻趾側(cè)橫向布置3排，縱向排距1 m。《建筑樁基規(guī)范技術(shù)》（JTG 94—2008）5.8.4條規(guī)定，非高承臺(tái)樁、非軟弱非液化土中樁穩(wěn)定系數(shù)一般取1.0，《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 138—2016）第八章考慮鋼管對(duì)混凝土的套箍作用，樁身結(jié)構(gòu)自身承載力遠(yuǎn)大于地層對(duì)樁的作用，單樁承載力受地層控制。

單樁承載力采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法計(jì)算Quk，考慮注漿對(duì)地層加固提高和《建筑樁基規(guī)范技術(shù)》（JTG 94—2008）第五章干作業(yè)鉆孔樁，取Qpk=1 200 kPa，Qsik=80 kPa，則單樁容許承載力Quk/2=276.32 kN。

Quk=u∑QsikL+QpkAp （1）

復(fù)合地基承載力fspk每延米面積置換率m=（3×3.14/4

×0.22）/（4.8×1）=0.019 6，保守計(jì)算不考慮注漿對(duì)地層承載力的提高作用，擋墻底部現(xiàn)狀地基土承載力取fsk=

120 kPa，取單樁承載力發(fā)揮系數(shù)λ=1.0，樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)β=1.0，則fspk=1×0.019 6×276.32/（3.14/4×0.22）+1×（1?0.019 6）×120=290.34 kPa。大于理論計(jì)算的需求值263.285 kPa，滿足要求。

fspk=λmRa/Ap+β（1?m）fsk （2）

2.3 邊坡整體穩(wěn)定性計(jì)算分析及主要參數(shù)敏感性分析

由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性及計(jì)算參數(shù)的不確定性，邊坡穩(wěn)定分析很難通過一種方法得出，實(shí)際中應(yīng)將有限元分析結(jié)論（見圖1）與采用極限平衡法（見圖2與圖3）進(jìn)行對(duì)比分析后綜合確定，加強(qiáng)對(duì)控制參數(shù)的敏感性分析（見圖4），保證計(jì)算的精確性和包羅性。邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算采用slide軟件中的簡(jiǎn)化畢肖普極限平衡法和 midas gts中的有限元強(qiáng)度折減法，有限元強(qiáng)度折減法基本原理：選取初始折減系數(shù)，將巖土體強(qiáng)度參數(shù)（見表1）進(jìn)行折減，將折減后的參數(shù)輸入，進(jìn)行有限元計(jì)算，若程序收斂，則巖土體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，再增加折減系數(shù)，直到程序恰好不收斂，該折減系數(shù)即為穩(wěn)定安全系數(shù)[3]（見表2）。

有限元分析結(jié)構(gòu)與極限平衡法分析結(jié)果接近，潛在滑動(dòng)面剪出口位置與后緣拉裂位置一致，未設(shè)置注漿鋼管樁時(shí)，穩(wěn)定性不滿足規(guī)范對(duì)斜坡整體穩(wěn)定系數(shù)最小1.25的要求，當(dāng)設(shè)置注漿鋼花管對(duì)地層進(jìn)行加固后，穩(wěn)定性系數(shù)提高到1.317，滿足規(guī)范要求。由敏感性分析結(jié)果可知，黏聚力參數(shù)的比值斜率比內(nèi)摩擦角比值斜率更陡，對(duì)安全系數(shù)的影響更為敏感，考慮到砂質(zhì)粉質(zhì)黏土空隙較大，注漿能大幅提升土體的粘結(jié)力，當(dāng)土層注漿效果達(dá)到一定水平后，砂質(zhì)粉質(zhì)黏土的黏聚力提高，對(duì)安全系數(shù)的提升效果顯著，說明注漿方案是可行的。

3 微型鋼管樁注漿施工工藝及檢測(cè)要求

3.1 鋼管樁制作

按設(shè)計(jì)要求對(duì)鋼花管樁頂1 m以下樁身按40 cm間距梅花形布置φ10 mm注漿孔眼，鋼管樁的接長采用套管焊接，鋼管樁長度以每個(gè)點(diǎn)位鉆孔入巖情況確定，不能統(tǒng)一長度。

3.2 施工前的試驗(yàn)段實(shí)驗(yàn)

大面積施工前應(yīng)進(jìn)行單樁承載力實(shí)驗(yàn)、多樁復(fù)合地基承載力實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)數(shù)量不少于3處，同時(shí)應(yīng)對(duì)采取不同注漿壓力下的鋼花管附近地層鉆孔取樣查看土層注漿效果，取樣進(jìn)行室內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)確定土層參數(shù)的變化情況。

3.3 注漿鋼管樁施工

按設(shè)計(jì)要求對(duì)孔位進(jìn)行放線，鉆孔下放對(duì)孔眼進(jìn)行多層膠布包裹的鋼花管，然后采用孔底翻漿法對(duì)鉆孔與鋼管外壁間的間隙進(jìn)行填充注漿，注漿使用帶止?jié){塞的注漿管，注漿時(shí)注漿管應(yīng)置于鋼花管底部，注漿材料采用水泥漿，水泥采用42.5普硅水泥，配置時(shí)水泥以每袋50 kg計(jì)算水泥漿，水灰比0.45∶1，此時(shí)采用常規(guī)壓力0.2～0.4 MPa，直到孔口翻漿，結(jié)束后清洗鋼管樁管內(nèi)殘留的水泥漿，間隔一段時(shí)間后利用鋼花管對(duì)土層進(jìn)行二次或多次高壓注漿，注漿壓力控制在1.5～4.2 MPa，將鋼管樁與周圍土層形成整體，最后對(duì)鋼花管內(nèi)填充水泥砂漿進(jìn)行封閉，為安全可在砂漿初凝前在鋼花管內(nèi)設(shè)置豎向的抗剪鋼筋。

3.4 施工期間質(zhì)量控制及施工要求

應(yīng)采用跳孔施工，避免串漿，同時(shí)可先施工一部分先導(dǎo)孔，通過后續(xù)鉆孔檢驗(yàn)先導(dǎo)孔的注漿效果，采取“探灌結(jié)合”的原則。同時(shí)注漿時(shí)堅(jiān)持注漿壓力與注漿量雙控，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際注漿量與設(shè)計(jì)偏差較大應(yīng)結(jié)合鉆孔分析原因，同時(shí)注意觀察注漿壓力表的變化情況。當(dāng)壓力一直沒有提高變化，應(yīng)采用間歇注漿并采用較濃的水灰比或采用摻和水玻璃的雙液注漿。

3.5 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：吸漿量小于5 L/min，穩(wěn)壓維持10 min。

3.6 工后檢測(cè)要求

（1）樁身完整性檢測(cè)：采用低應(yīng)變檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)量不小于總樁數(shù)的10%，且不得少于10根。

（2）注漿效果檢測(cè)：可采用分區(qū)域預(yù)留后期施工鋼管樁，通過鋼管樁鉆孔揭露先期施工注漿鋼管樁注漿效果。

4 結(jié)論

文章對(duì)斜坡高擋墻采用注漿微型鋼管樁地基處理加固的方案，通過復(fù)合地基承載力計(jì)算和極限平衡法、有限元強(qiáng)度折減法和參數(shù)敏感性分析，對(duì)方案的可行性進(jìn)行了分析計(jì)算，保證了公路斜坡高擋墻的安全，同時(shí)對(duì)注漿微型鋼管樁施工前實(shí)驗(yàn)、施工過程中要求、工后檢測(cè)要求進(jìn)行了闡述，對(duì)其他工程開展有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1]公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范： JTG D30—2015[S]. 北京：人民交通出版社， 2015.

[2]建筑地基處理技術(shù)規(guī)范： JTG 79—2012[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2012.

[3]古海東， 楊敏. 基于強(qiáng)度折減法的土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)報(bào)）， 2012（7）： 1003-1007.