山區(qū)公路微型樁?加筋土擋墻系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)發(fā)

張智超，劉漢龍，陳育民

山區(qū)公路微型樁?加筋土擋墻系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)發(fā)

張智超1, 2，劉漢龍1, 3，陳育民1

(1. 河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京，210098；2. 國(guó)土資源部丘陵山地地質(zhì)災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(福建省地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，福建福州，350002；3. 重慶大學(xué)山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，400045)

針對(duì)修筑于斜坡地帶的公路加筋土擋墻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工難點(diǎn)和破壞模式，開(kāi)發(fā)一種適合于我國(guó)西部山區(qū)特點(diǎn)的微型樁?加筋土擋墻系統(tǒng)：豎直和傾斜的一對(duì)微型樁從路面穿過(guò)加筋土擋墻的回填土區(qū)域，并錨固進(jìn)地基，同時(shí)，在樁頂處澆筑承臺(tái)和地基梁，使微型樁布置成為縱向框架組合形式，并通過(guò)連接構(gòu)件將護(hù)欄與地基梁及微型樁相連，形成“護(hù)欄—連接構(gòu)件—地基梁—微型樁—加筋土—地基”這一自上而下的整體加固體系。介紹該加固系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、技術(shù)特點(diǎn)、施工方法和質(zhì)量控制等，對(duì)采取不同加固措施的斜坡加筋土擋墻的變形特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，初步驗(yàn)證所提出的加固方法的優(yōu)越性。研究結(jié)果表明：該系統(tǒng)施工方便，不需要大量挖填方，收坡效果好，僅增加適當(dāng)?shù)牟牧嫌昧浚纯蓪?shí)現(xiàn)加強(qiáng)擋土墻局部穩(wěn)定性、整體穩(wěn)定性和護(hù)欄抗沖擊性能的多重加固目的。

加筋土擋墻；微型樁；邊坡；外部穩(wěn)定性

隨著國(guó)家主干道計(jì)劃(“五縱七橫”規(guī)劃及國(guó)家高速公路網(wǎng)“71118網(wǎng)”)的逐步實(shí)施和西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的深入開(kāi)展，我國(guó)的公路建設(shè)重點(diǎn)也逐步向地勢(shì)起伏大、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、斜坡地段多的西部山區(qū)轉(zhuǎn)移，平均造價(jià)也大幅度提高，給經(jīng)濟(jì)原本就欠發(fā)達(dá)的西部山區(qū)帶來(lái)了更大的壓力。造成公路建設(shè)造價(jià)陡升的一個(gè)重要原因就是山區(qū)斜坡地段長(zhǎng)大隧道或高跨、長(zhǎng)跨橋梁所占的比例增大，而在相同的條件下，同一里程的橋隧造價(jià)往往達(dá)到常規(guī)填方路基的5倍以上。另一方面，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展和交通運(yùn)輸量的迅猛增加，使得原有的低等級(jí)的公路面臨拓建和改造等問(wèn)題，而西部山區(qū)受地形地貌和地質(zhì)條件的限制，放坡空間不足，常常難以進(jìn)行常規(guī)的路堤放坡填筑或路面加寬。因此，有必要因地制宜，開(kāi)發(fā)出適合于斜坡地帶的公路修筑或既有道路在路基邊坡側(cè)的拓寬方案，為日益增長(zhǎng)的山區(qū)公路工程建設(shè)提供一個(gè)經(jīng)濟(jì)、安全和便利的途徑。山區(qū)一般地勢(shì)較為險(xiǎn)峻，往往呈現(xiàn)一側(cè)為河谷、另一側(cè)為峭壁的地形，在道路新建或拓寬時(shí)，由于放坡空間不足，大多需順山谷河道，進(jìn)行隧道開(kāi)鑿或大量挖填方。然而，斜坡地帶大規(guī)模的挖填方作業(yè)不僅會(huì)造成良田耕地的侵占，提高材料使用量和施工成本，還會(huì)給邊坡穩(wěn)定性造成額外的影響，且廢棄渣處理不便也易造成生態(tài)環(huán)境破壞。針對(duì)這些情況，學(xué)者們提出了各類適用于斜坡地段的新型支擋結(jié)構(gòu)，如樁承扶壁式擋土墻[1]、板椅式支擋結(jié)構(gòu)[2]、半橋?邊坡復(fù)合路基結(jié)構(gòu)[3?4]和特殊的斜坡加筋土擋墻組合結(jié)構(gòu)[5]等。然而，這些結(jié)構(gòu)或者在實(shí)際高速公路工程實(shí)踐中的應(yīng)用相對(duì)較少，目前受力機(jī)理及變形特性等尚不明確，或者往往只能考慮路基填筑本身存在的問(wèn)題，而當(dāng)需要采取額外的措施對(duì)其加以改造，如對(duì)公路護(hù)欄系統(tǒng)的加固等，其適應(yīng)性尚待商榷。相比之下，采用預(yù)制輕薄面板與加筋土共同作用搭建而成的加筋土擋墻已經(jīng)廣泛地為各類工程所使用，其具有造價(jià)低廉、施工簡(jiǎn)便，可直立砌筑，無(wú)需放坡，挖填量靈活等優(yōu)點(diǎn)，并且還可方便地在加筋土中設(shè)置樁基礎(chǔ)，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的水平承載性能[6?7]，因此，加筋土擋墻成為了山區(qū)斜坡地帶路基填筑較為可行的一個(gè)方案[8]。然而，對(duì)于這類修筑于斜坡上的加筋土擋墻，即使對(duì)邊坡進(jìn)行臺(tái)階開(kāi)挖，其加筋回填土區(qū)域勢(shì)必也會(huì)存在沿著邊坡的下滑趨勢(shì)，回填土與天然邊坡的交界面往往會(huì)成為擋土墻變形、失效的薄弱面，容易使得加筋土擋墻發(fā)生整體(外部)穩(wěn)定性破壞。此外，在正常工作條件下，高等級(jí)公路對(duì)變形控制的要求較高。加筋土擋墻作為一種柔性支擋結(jié)構(gòu)，本身就會(huì)產(chǎn)生較大的位移[9]，而其作為高速公路路基時(shí)，在車(chē)輛荷載的反復(fù)作用下更容易產(chǎn)生過(guò)大的永久變形，引起路面不均勻沉降，造成線路不平順，影響車(chē)輛的運(yùn)行。并且對(duì)于這種依山而建的擋土墻，其加筋回填土沿著邊坡的下滑趨勢(shì)僅靠布置筋材也是無(wú)法阻止的，因而，還需采取更為有效的加固措施，以減小柔性加筋土的變形，增強(qiáng)加筋土擋墻的內(nèi)部穩(wěn)定性，保證公路的正常使用。此外，隨著我國(guó)公路交通里程的不斷增加，交通事故的絕對(duì)數(shù)量也呈顯著上升的趨勢(shì)，因而，在交通事故中，護(hù)欄的抗沖擊性能在減少車(chē)輛與高速公路護(hù)欄的碰撞造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失方面也就有著舉足輕重的地位。尤其是對(duì)于在山區(qū)修建的公路擋土墻，護(hù)欄外側(cè)往往就是是萬(wàn)丈深淵，在發(fā)生車(chē)禍、碰撞時(shí)，一旦護(hù)欄失效破壞，極易造成車(chē)輛墜落懸崖、車(chē)毀人亡的嚴(yán)重后果。因此，如果能夠巧妙地借用公路擋土墻的設(shè)計(jì)形式，將護(hù)欄的加固措施也納入考慮，將會(huì)給人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)巨大保障，同時(shí)也從經(jīng)濟(jì)性的角度為道路安全設(shè)施的研究及改進(jìn)提供參考。因此，針對(duì)修筑于斜坡上的公路加筋土擋墻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工難點(diǎn)和可能遭受破壞的幾種形式，如外部穩(wěn)定性破壞、加筋土區(qū)域的局部變形以及車(chē)輛碰撞導(dǎo)致的護(hù)欄損毀等，在吸收柔性加固工藝—土工格柵和剛性加固工藝—微型樁的優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，綜合考慮山區(qū)陡峭地段施工不便，大型機(jī)具不能進(jìn)場(chǎng)，擋土結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、受力多樣化等問(wèn)題，本文作者開(kāi)發(fā)一種山區(qū)公路“微型樁?加筋土擋墻”系統(tǒng)，以期能夠系統(tǒng)地解決上述問(wèn)題。首先對(duì)該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、技術(shù)特點(diǎn)和施工方法等進(jìn)行介紹，而后利用數(shù)值計(jì)算手段，對(duì)不同加固形式下的斜坡加筋土擋墻進(jìn)行對(duì)比分析，以初步檢驗(yàn)所提出的微型樁?加筋土擋墻系統(tǒng)的優(yōu)越性，以期能夠?yàn)槲覈?guó)西部山區(qū)的公路建設(shè)提供一條可行的方案。

1 加固系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

山區(qū)公路“微型樁?加筋土擋墻”系統(tǒng)的側(cè)視圖、正視圖和三維視圖分別見(jiàn)圖1~3。該加固系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)在于：

1) 豎直和傾斜的一對(duì)微型樁貫穿加筋回填土區(qū)域(見(jiàn)圖1(a))，形成一個(gè)穩(wěn)固的三角形加固體系，以控制柔性加筋土的變形，提高加筋土擋墻的內(nèi)部穩(wěn)定性。

2) 微型樁錨固進(jìn)地基，加大滑動(dòng)路徑，增加抗滑力，提高加筋土擋墻的外部穩(wěn)定性。

3) 通過(guò)連接構(gòu)件將公路護(hù)欄與地基梁及其下的微型樁結(jié)合(見(jiàn)圖1(b)和圖2(b))，增強(qiáng)護(hù)欄的抗沖擊 能力。

4) 沿公路長(zhǎng)度方向澆筑的地基梁將公路擋土墻各個(gè)段面上的微型樁結(jié)合，構(gòu)成縱向框架組合形式，增強(qiáng)加固體系的整體性(見(jiàn)圖3)。

該體系在各種工況下都能夠充分發(fā)揮微型樁的功能，不會(huì)造成材料的閑置和浪費(fèi)，僅增加適當(dāng)?shù)牟牧嫌昧浚纯蓪?shí)現(xiàn)對(duì)擋土墻的多種加固目的。通過(guò)與常規(guī)的放坡填方手段相比可以明顯地發(fā)現(xiàn)(見(jiàn)圖4)，本文提出的微型樁?加筋土擋墻系統(tǒng)可以大大減小回填量，節(jié)約施工空間，避免對(duì)土地的大量侵占，且微型樁的加固，能夠保持斜坡上加筋回填土區(qū)域的穩(wěn)定。

(a) 全局圖；(b) 局部放大圖

(a) 全局圖；(b) 局部放大圖

(a) 全局圖；(b) 局部放大圖

與以往錨桿抗滑樁[10?11]不同的是：微型樁?加筋土擋墻中的傾斜加固構(gòu)件采用的微型樁是一種小口徑的鉆孔灌注樁，直徑較小(100~300 mm)，由壓力注漿和加勁材料所組成，不但具有常規(guī)錨桿的抗拉性能，而且具有較高的抗壓和抗彎剪強(qiáng)度，因此，傾斜微型樁不但能夠協(xié)調(diào)豎直樁受到的荷載，還可以更直接地對(duì)加筋土區(qū)域沿著邊坡的下滑提供抗滑力矩，更好地適應(yīng)斜坡加筋土擋墻這種結(jié)構(gòu)形式和受力條件都較復(fù)雜的支擋結(jié)構(gòu)。此外，從施工便利性的角度來(lái)說(shuō)，微型樁具有布置形式多樣、施工方便快捷、施工器械簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，而傾斜和豎直加固構(gòu)件均為微型樁，與錨桿抗滑樁相比，可以不用更換施工設(shè)備，一次性完成施工，因而更為方便。此外，值得指出的是，傾斜樁作為微型樁常用的布樁形式，其施工方法和承載特性已得到廣泛研究[12?15]。因此，本文通過(guò)擋土墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和加固方案，將豎直和傾斜布置的1對(duì)微型樁應(yīng)用于增強(qiáng)擋土墻局部穩(wěn)定性、整體穩(wěn)定性和護(hù)欄抗沖擊性能。

圖4 加筋土擋墻與常規(guī)放坡填筑路堤對(duì)比

2 施工方法與質(zhì)量控制

山區(qū)公路“微型樁?加筋土擋墻”系統(tǒng)中的加土筋擋墻與微型樁分別都已經(jīng)有較為成熟的施工工法。而針對(duì)在加筋土中設(shè)置樁基礎(chǔ)的施工，ROLLINS 等[7, 16?17]通過(guò)試驗(yàn)手段驗(yàn)證了樁基礎(chǔ)在加筋土中的施工可行性。而微型樁的樁徑僅為100~300 mm，與普通樁基礎(chǔ)相比，施工更為簡(jiǎn)便，樁身對(duì)筋材的損傷更小，因而，在加筋回填土中設(shè)置微型樁具有更高的可操作性。

因此，本文在加筋土擋墻填筑完成之后，采用微型樁常用的鉆孔灌注方式，在加筋回填土中形成微型樁體。具體施工步驟和質(zhì)量控制如下。

1) 場(chǎng)地清理。施工前對(duì)基底進(jìn)行整平，在原狀坡體上根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙的要求清理出需要鋪設(shè)土工格柵的平面。

2) 條形基礎(chǔ)施工。開(kāi)挖基坑并予以夯實(shí)，由地勘單位對(duì)基底承載力進(jìn)行驗(yàn)槽合格后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求澆筑條形基礎(chǔ)或采用分層填筑碎石、灰土加固等方式處理，應(yīng)嚴(yán)格控制基礎(chǔ)頂面高程和分段長(zhǎng)度。

3) 預(yù)制面板的安裝。清理基礎(chǔ)頂面，準(zhǔn)確劃出面板邊緣線。面板在安裝前須仔細(xì)檢查，第一層面板是控制全墻的基線，用經(jīng)緯儀水準(zhǔn)儀定位后，采用吊裝設(shè)備安裝，并可使用斜撐固定，完畢后方可進(jìn)行下一層面板的搭接，然后插入鋼筋插銷，將上、下層面板拴連。在安置過(guò)程中須隨時(shí)調(diào)整，保證面板平順。

4) 回填土的攤鋪和碾壓。填料的各項(xiàng)性能技術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，可采用機(jī)械、人工相結(jié)合的方式進(jìn)行攤鋪，填土碾壓工序與一般路基施工工序相似，平整壓實(shí)的填土層表面應(yīng)與下一步將要鋪設(shè)的筋材底面平齊。

5) 筋材的攤鋪。在鋪設(shè)筋材前，應(yīng)對(duì)面板預(yù)留拉環(huán)的邊緣進(jìn)行整修，使之光順、圓滑，避免留下棱角或砂漿突出物，以免損壞筋材。待填土達(dá)到面板預(yù)留拉環(huán)的高度時(shí)，即可安裝筋材。按照設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，并將綁扎長(zhǎng)度也考慮在內(nèi)，將筋材從面板的預(yù)留拉環(huán)中穿過(guò)，折回后與另一端對(duì)齊，并通過(guò)連接構(gòu)件扎緊以防止抽動(dòng)，再用少量填料壓住筋材，固定保持正確位置。

重復(fù)步驟4)~5)，直至填筑高度達(dá)到公路擋土墻的設(shè)計(jì)標(biāo)高，至此完成加筋土擋墻階段的施工，進(jìn)而進(jìn)行微型樁的施工。

6) 鉆機(jī)就位，鉆孔與清孔。根據(jù)豎直和傾斜微型樁的設(shè)計(jì)角度，采用地質(zhì)鉆機(jī)，由加筋回填土頂部分別鉆孔至地基內(nèi)的設(shè)計(jì)錨固深度，斜樁成孔時(shí)，應(yīng)將鉆機(jī)腳板墊高，以便達(dá)到鉆桿所需的傾斜度，并用羅盤(pán)檢查角度。可采用泥漿護(hù)壁或清水護(hù)壁，下套管成孔。鉆孔到設(shè)計(jì)深度后清孔，直至孔口基本上泛清水為止。

7) 微型樁的灌注。可在微型樁中加入鋼筋、鋼棒、鋼管或型鋼等加勁材料[18]，或安放鋼筋籠，采用壓力注漿的方式灌注水泥砂漿，壓力控制在0.3 MPa左右，注漿時(shí)保證漿液均勻上冒，直到孔口冒出濃漿為止；每次拔出2 m注漿管的同時(shí)要及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)注，同時(shí)確保整個(gè)注漿過(guò)程的連續(xù)性。為確保成樁質(zhì)量，可在漿液初凝后進(jìn)行二次注漿。

8) 樁頂澆筑承臺(tái)和地基梁。在豎直與傾斜微型樁頂澆筑承臺(tái)，將豎直與傾斜微型樁相連，并沿公路長(zhǎng)度方向澆筑地基梁，將公路擋土墻各個(gè)微型樁段面結(jié)合，構(gòu)成縱向框架組合形式，增強(qiáng)加固體系的整體性。

9) 路面附屬工程和公路護(hù)欄安裝。宜使用可拆卸式護(hù)欄，通過(guò)連接構(gòu)件與地基梁和微型樁相連。同時(shí)，在拆除護(hù)欄后，高出路面的鋼筋等連接構(gòu)件也可切割后回收利用。

山區(qū)公路“微型樁?加筋土擋墻”系統(tǒng)的施工工藝流程如圖5所示。

圖5 山區(qū)公路微型樁?加筋土擋墻加固系統(tǒng)施工流程

3 技術(shù)特點(diǎn)

山區(qū)公路“微型樁?加筋土擋墻”系統(tǒng)主要具有以下技術(shù)特點(diǎn)。

1) 整體(外部)穩(wěn)定性高。微型樁在地基內(nèi)具有一定錨固深度，能夠針對(duì)斜坡加筋土擋墻的主要破壞模式，即加筋土區(qū)域沿著邊坡的下滑進(jìn)行有的放矢地加固，保證上覆荷載得以傳遞到地基更深處，增加抗滑力，提高擋土墻整體穩(wěn)定性。

2) 剛?cè)嵯酀?jì)，相互補(bǔ)充。同時(shí)吸收了柔性加固工藝(土工格柵)和剛性加固工藝(微型樁)的優(yōu)點(diǎn)：拉筋和面板將回填土形成柔性的整體結(jié)構(gòu)，使得土體能夠依山填筑，在陡峭的區(qū)域內(nèi)保持直立，保證了回填土的整體性；在此整體性的基礎(chǔ)上，微型樁得以充分利用其剛性特征，發(fā)揮抵抗變形的能力。二者剛?cè)峄パa(bǔ)，相得益彰。

3) 護(hù)欄抗沖擊能力強(qiáng)。通過(guò)連接構(gòu)件將公路護(hù)欄與地基梁和微型樁相連，形成“護(hù)欄—連接構(gòu)件—地基梁—微型樁—加筋土—地基”這一自上而下的加固體系，相當(dāng)于大大增加了護(hù)欄的錨固深度，而沿公路長(zhǎng)度方向澆筑的地基梁則能夠?qū)⒆o(hù)欄受到的碰撞荷載從荷載作用點(diǎn)向兩側(cè)分散傳遞，從而提高護(hù)欄的抗沖擊能力。

4) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、美觀。加筋土擋墻結(jié)構(gòu)輕盈，造型新穎，可以與周?chē)坝^等設(shè)施相配套，一改重力式擋墻單調(diào)呆板的形象，且面板可垂直砌筑，節(jié)約空間，尤其適合陡坡地段作業(yè)空間不足的情況。

5) 施工便利，受力合理。微型樁施工便利，布樁形式多樣，具有一定的抗拉、壓、彎、剪強(qiáng)度，傾斜與豎直微型樁所形成的三角形加固體系改變了僅設(shè)置豎直樁時(shí)，純粹依靠錨固端內(nèi)的地基土體抗力來(lái)平衡滑坡推力的力學(xué)機(jī)制，使得豎直樁由類似懸臂式的受力狀態(tài)變成了上下端均為鉸支的受力結(jié)構(gòu)，因而適合用于加固受力條件和結(jié)構(gòu)形式都較為復(fù)雜的斜坡支擋結(jié)構(gòu)。

該加固體系對(duì)山區(qū)公路工程的設(shè)計(jì)、施工難點(diǎn)和可能遭受破壞的幾種形式都提供了很好的解決方案，如表1所示。

表1 山區(qū)公路“微型樁?加筋土擋墻”系統(tǒng)的優(yōu)越性

4 算例分析

為了初步驗(yàn)證本文提出的豎直與傾斜的1對(duì)微型樁所形成的三角形加固體系，即微型樁?加筋土擋墻的優(yōu)越性及其傾斜微型樁的必要性，對(duì)以下5種不同工況的斜坡加筋土擋墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析：

1) 未經(jīng)加固的普通斜坡加筋土擋墻(圖6(a))；

2) 單根豎直樁加固的加筋土擋墻(圖6(b))；

(a) 工況1，未加固的普通斜坡加筋土擋墻；(b) 工況2，單根豎直微型樁加固；(c) 工況3，豎直樁+傾斜錨桿；(d) 工況4，豎直樁+水平錨桿；(e) 工況5，微型樁?加筋土擋墻

3) 豎直樁與傾斜錨桿形成的“錨桿抗滑樁”結(jié)構(gòu)(圖6(c))；

4) 豎直樁與水平錨桿形成的“錨桿抗滑樁”結(jié)構(gòu)(圖6(d))；

5) 本文提出的微型樁?加筋土擋墻(圖6(e))。

各結(jié)構(gòu)的有限元模型見(jiàn)圖6。錨桿和微型樁都用線彈性模型來(lái)描述。錨桿為Φ32螺紋鋼，采用梁?jiǎn)卧M，密度為7 800 kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，不考慮錨桿與土體之間的錨固失效，采用LS?DYNA的*Constrained_Lagrange_In_Solid技術(shù)，可方便地模擬錨桿與土體以及地基梁之間的固接關(guān)系。微型樁為混凝土樁，彈性模量為25 GPa，泊松比為0.2，樁徑為27 cm，錨固深度為2.5 m，樁間距為3 m，豎直與傾斜微型樁的夾角為30°，在樁頂采用固接的方式連接。微型樁與土體之間為摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.5。計(jì)算采用寬度為3 m的1個(gè)擋土墻段面的三維模型，具體模型尺寸見(jiàn)圖6(e)。

暫時(shí)僅針對(duì)各加筋土擋墻結(jié)構(gòu)在自重下的外部穩(wěn)定性展開(kāi)比較分析，因此，回填土采用較高的強(qiáng)度(= 0 kPa，=40°)，而地基土體采用較低的強(qiáng)度(=0 kPa，=28°)，以更為清晰地體現(xiàn)出加固體在不良地基土質(zhì)下的加固作用。回填土和地基土均采用D?P模型來(lái)描述，密度為1 600 kg/m3，彈性模量為30 MPa，泊松比為0.3。

圖7所示為不同斜坡加筋土擋墻結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)變?cè)茍D。由于回填土區(qū)域沿著邊坡的下滑趨勢(shì)所導(dǎo)致的拖曳作用，地基土體在挖填交界面會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)明顯的滑動(dòng)帶，而在地基內(nèi)具有一定錨固深度的加固體則主要負(fù)責(zé)將地基土的滑動(dòng)帶推向更深處，以增加抗滑力。

由圖7可以看出：對(duì)于未經(jīng)加固的普通加筋土擋墻(圖7(a))，地基土體發(fā)生了劇烈的變形，加筋土區(qū)域產(chǎn)生了明顯的整體滑移，因此，亟需采取加固措施以減小擋土墻的變形，使其保持穩(wěn)定。

而僅采用單根豎直微型樁加固(工況2，見(jiàn)圖7 (b))，還不足以有效地控制斜坡加筋土擋墻的變形以及加筋土區(qū)域的下滑趨勢(shì)，地基土體的應(yīng)變(滑弧)也較為劇烈，且分布較廣。

對(duì)于工況3(豎直樁+傾斜錨桿，見(jiàn)圖7 (c))，在斜坡加筋土擋墻這種特定的結(jié)構(gòu)形式下，加筋土區(qū)域沿著邊坡的下滑趨勢(shì)主要使得傾斜錨桿在回填土與邊坡地基之間的交界面上發(fā)生剪切，因而，在傾斜方向(與豎直樁呈30°)增加錨桿這種抗彎剪強(qiáng)度較弱的加固構(gòu)件幾乎毫無(wú)作用。

(a) 工況1，未經(jīng)加固的普通斜坡加筋土擋墻；(b) 工況2，單根豎直樁加固；(c) 工況3，豎直樁+傾斜錨桿；(d) 工況4，豎直樁+水平錨桿；(e) 工況5，本文提出的“微型樁?加筋土擋墻”

對(duì)于工況4(豎直樁+水平錨桿)，錨桿水平地設(shè)置在路面0.75 m以下即距樁頂0.75 m處，使得錨桿能夠發(fā)揮其抗拉強(qiáng)度，通過(guò)與豎直樁的協(xié)同工作來(lái)抵抗加筋土區(qū)域的下滑力矩，因而，對(duì)加筋土擋墻的變形有所改善(見(jiàn)圖7(d))，但仍無(wú)法有效地抑制加筋土區(qū)域的下滑，使得其地基土體變形比本文提出的加固體系(見(jiàn)圖7(e))仍要明顯得多，且其豎直樁身的彎曲也十分劇烈，在實(shí)際工況中會(huì)存在較大的破壞風(fēng)險(xiǎn)。

相比之下，本文所提出微型樁?加筋土擋墻(工況5，見(jiàn)圖7(e))，采用豎直和傾斜的一對(duì)微型樁協(xié)同工作，使得樁身彎曲都明顯減弱，同時(shí)，錨固深度范圍內(nèi)的土體能夠得到更有效地加固，應(yīng)變較小，地基土體逐漸由淺層滑動(dòng)變?yōu)闉樯顚踊瑒?dòng)，通過(guò)等效應(yīng)變所體現(xiàn)出的滑弧也變得更清晰鮮明，滑弧厚度減小，滑弧所處深度增加，加固效果最顯著。這也說(shuō)明了針對(duì)斜坡加筋土擋墻這種特定工況，傾斜加固構(gòu)件也采用具有一定抗彎剪強(qiáng)度的微型樁，不但能夠協(xié)調(diào)豎直樁受到的荷載，而且能夠直接針對(duì)加筋土區(qū)域的下滑趨勢(shì)提供抗滑力矩，因而加固效果最顯著，地基土體變形較小，擋土墻外部穩(wěn)定性較高。

5 結(jié)論

1) 采用本文提出的山區(qū)公路“微型樁?加筋土擋墻”系統(tǒng)能夠最為有效地抑制加筋土區(qū)域沿著邊坡的下滑趨勢(shì)，減小地基土體變形，增加擋土墻的外部穩(wěn)定性，因而值得推廣使用。

2) 該加固系統(tǒng)同時(shí)吸收了柔性加固工藝—土工格柵和剛性加固工藝—微型樁在公路路基支擋方面的優(yōu)點(diǎn)：拉筋和面板將回填土形成柔性的整體結(jié)構(gòu)，使得土體能夠因地制宜，依山填筑，在陡峭的區(qū)域內(nèi)保持直立，節(jié)約了施工空間，避免了大量挖填方，保證了回填土區(qū)域的整體性；在此整體性的基礎(chǔ)上，微型樁能夠利用充分其剛性的特征，發(fā)揮其抵抗變形的 能力。

①通過(guò)地基梁及連接構(gòu)件與公路護(hù)欄相連，增強(qiáng)了護(hù)欄的抗沖擊能力。

②貫穿加筋土區(qū)域，增強(qiáng)加筋土局部(內(nèi)部)穩(wěn)定性，防止柔性變形過(guò)大、筋材破壞的局部失穩(wěn)，增強(qiáng)加筋土擋墻的內(nèi)部穩(wěn)定性。

③錨固進(jìn)地基，抑制加筋土區(qū)域的整體下滑趨勢(shì)，增強(qiáng)加筋土擋墻的整體(外部)穩(wěn)定性。

致謝：

本文的主要思路和創(chuàng)意得到了第一作者的合作導(dǎo)師即科羅拉多大學(xué)博爾德分校Ronald PAK教授和科羅拉多公路局科研項(xiàng)目(CDOT)的全力指導(dǎo)，對(duì)此深表感謝。

[1] 廖來(lái)興. 斜坡地帶樁承扶壁式擋土墻的計(jì)算模型與應(yīng)用研究[D]. 長(zhǎng)沙: 中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院, 2013: 2.LIAO Laixing.On calculation model and case study of the pile-supported counterfort retaining wall on slopes[D]. Changsha: Central South University . School of Geosciences and Info-Physics, 2013: 2.

[2] 胡會(huì)星. 斜坡地段板椅式新型支擋結(jié)構(gòu)受力機(jī)理與設(shè)計(jì)計(jì)算[D]. 成都: 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 2013: 10. HU Huixing. Study on mechanical behaviorand design optimization of new board-chair retaining structureon the slope[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University. School of Civil Engineering, 2013: 10.

[3] 周志祥, 鄭文, 游濤. 用半橋?邊坡復(fù)合路基結(jié)構(gòu)拓寬山區(qū)道路研究[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011, 30(4): 743?746. ZHOU Zhixiang, ZHENG Wen, YOU Tao. Widening mountainous highway with half-bridge and slope base composite embankment structures[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University (Natural Science), 2011, 30(4): 743?746.

[4] 崔學(xué)常, 張江濤, 鄭文. 半橋?邊坡復(fù)合道路結(jié)構(gòu)空間力學(xué)行為分析[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2013, 32(6): 1115?1118, 1227. CUI Xuechang, ZHANG Jiangtao, ZHENG Wen. Spatial analysis on mechanical behavior of half-bridge and slope base composite embankment structures[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University(Natural Science), 2013, 32(6): 1115?1118, 1227.

[5] 姚裕春, 袁碧玉. 斜坡加筋土擋墻組合結(jié)構(gòu): CN203320546U[P].2013?12?04. YAO Yuchun, YUAN Biyu. Composite structure of MSE wall constructed on slopes: CN203320546U[P]. 2013?12?04.

[6] PIERSON M. Behavior of laterally loaded shafts constructed behind the face of a mechanically stabilized earth block wall[D]. Kansas City: University of Kansas, 2008: 14.

[7] ROLLINS K M, PRICE J S, NELSON K R. Lateral resistance of piles near vertical mse abutment walls[R]. Salt Lake City: Utah Department of Transportation, 2013: 15.

[8] 王泉清.直立式加筋土擋墻在舊路拓寬工程中的應(yīng)用研究[D]. 湘潭: 湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院, 2014: 1?2. WANG Quanqing. Research on vertical reinforced soilretaining wall using in the old roadwidening engineering[D]. Xiangtan: Xiangtan University. College of Civil Engineering and Mechanics, 2014: 1?2.

[9] 林宇亮, 楊果林, 劉澤. 土工合成材料加筋土結(jié)構(gòu)的蠕變耐久性研究[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2013, 44(6): 2500?2505. LIN Yuliang, YANG Guoling, LIU Ze. Creep durability geosynthetics reinforced soil structure[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2013, 44(6): 2500?2505.

[10] 周德培, 王建松. 預(yù)應(yīng)力錨索樁內(nèi)力的一種計(jì)算方法[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2002, 21(2): 247?250. ZHOU Depei, WANG Jiansong. Design method of retaining pile with prestressed cable[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2002, 21(2): 247?250.

[11] 周北. 預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與應(yīng)用研究[D]. 長(zhǎng)沙: 湖南大學(xué)土木工程學(xué)院, 2006: 1. ZHOU Bei. Study on the structure design theory and Application of the anti-slide piles with pre-stressed cables[D]. Changsha: Hunan University. College of Civil Engineering, 2006: 1.

[12] 花鵬. 側(cè)向荷載作用下微型斜樁工作性狀研究[D]. 合肥: 合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院, 2013: 10. HUA Peng. Study on working behavior of inclined micro-piles under lateral load[D]. Hefei: Hefei University of Technology. School of Civil Engineering, 2013: 10.

[13] 高翔. 微型樁設(shè)計(jì)及施工[J]. 工程勘察, 2003(6): 31?33. GAO Xiang. Design and construction of mini piles[J]. Geotechnical Investigation & Surveying, 2003(6): 31?33.

[14] 呂凡任, 陳仁朋, 陳云敏, 等. 軟土地基上微型樁抗壓和抗拔特性試驗(yàn)研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2005, 38(3): 99?105. Lü Fanren, CHEN Renpeng, CHEN Yunmin, et al. Field tests on compression and uplift behavior of micropiles in soft ground[J]. China Civil Engineering Journal, 2005, 38(3): 99?105.

[15] 胡明, 雷用, 趙曉柯. 傾斜微型樁樁身參數(shù)敏感性有限元分析[J]. 后勤工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2014, 30(1): 12?16, 68. HU Ming, LEI Yong, ZHAO Xiaoke. The finite element analysis of inclined micropiles parameter sensitivity[J]. Journal of Logistical Engineering University, 2014, 30(1): 12?16, 68.

[16] PIERSON M, PARSONS R, HAN J. Modeling of laterally loaded drilled shafts behind mechanically stabilized earth block walls[R]. Kansas City: Kansas Department of Transportation, 2011: 1.

[17] BERG R, VULOVA C. Effects of pile driving through a full-height precast concrete panel faced, geogrid-reinforced, mechanically stabilized earth (MSE) wall[C]// Proceeding of Geo-Denver 2007: New Peaks in Geotechnics. Denver: ASCE, 2007: 1?10.

[18] ARMOUR T, GRONECK P, KEELEY J, et al. Micropile design and construction guidelines implementation manual[R]. Washington D C: FHWA, 2000: 1?2.

(編輯 楊幼平)

Development of road micropile?MSE wall system in mountainous areas

ZHANG Zhichao1, 2, LIU Hanlong1, 3, CHEN Yumin1

(1. College of Civil & Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China;2. Key Laboratory of Geohazard Prevention of Hilly Mountains, Ministry of Land and Resources of China (Fujian Key Laboratory of Geohazard Prevention), Fuzhou 350002, China;3. Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area, Chongqing University, Chongqing 400045, China)

In order to deal with the difficulties in the design, construction of roadway retaining walls on steep terrain as well as its failure problems, the scheme of micropile?MSE wall system, which is suitable for the road construction in mountainous areas in western China, was put forward so as to solve the problems mentioned above. In the road micropile?MSE wall system, a pair of vertical and inclined micropiles goes through the MSE region and penetrates into the foundation, and then pile cap and grade beam are placed on the pile top to form the longitudinal framing mode. After that, the road barrier is connected to the grade beam and micropiles by connecting linkages. The structural style, technical features, construction method as well as quantity control were introduced, and contrastive numerical simulations on the deformation property of MSE Wall with different reinforcements were conducted to validate the superiority of the proposed micropile?MSE wall preliminarily. The results show that this system has the merits such as convenient construction, moderate excavation and filling as well as grading. The retaining wall’s local stability, global stability and impact resistance of barrier can be improved simultaneously after adding suitable reinforcing component.

MSE wall; micropile; slope; global stability

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.07.023

TU443

A

1672?7207(2017)07?1849?09

2016?08?21；

2016?10?14

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51609040)；福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016J05112)；福建省科技創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目(2014Y2007) Project(51609040) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2016J05112) supported by the Natural Science Foundation of Fujian Province; Project(2014Y2007) supported by the Science and Technology Innovation Platform of Fujian Province)

張智超，博士，從事邊坡和擋土墻研究；E-mail: zhangzhichao0704@126.com