柔性鋼花管注漿結構加固松散堆積體路基的機理與設計方法研究

黃蛟 黃吉國

摘? 要：為弄清柔性鋼花管注漿結構加固松散堆積體路基機理與承載變形特征，文章基于具體工程實踐開展研究，發現注漿大幅度提高了堆積體顆粒間內摩擦角φ和粘結力C，與樁構成的復合地基由于樁間土拱效應增強和樁土耦合作用，更進一步提高了堆積體路基的承載與抗變形能力。通過假設與構建計算模型，提出了最大樁應力、樁間距、樁排距及樁周加固體沉降計算方法，為該新型結構的設計提供了理論依據與遵循。

關鍵詞：樁土復合地基;加固機理;土拱效應;耦合作用;設計計算

中圖分類號：U418.5 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）05-0094-04

1 概述

鋼花管注漿是將微型鋼管與注漿技術結合而成的一種新型結構，近來大量應用于堆積體路基病害處治、滑坡治理和危巖體加固等工程[1]，但對這種新結構的理論研究遠落后于工程實踐，特別是對其加固機理、樁土耦合作用、受力變形特征與設計計算方法等方面更是研究甚少，目前大都停留在經驗階段，已嚴重制約了該結構的推廣應用。本文基于具體工程實踐，開展了鋼花管注漿結構加固松散堆積體路基的機理與設計方法研究[2]。

通過現場對實體工程的觀察與實驗分析，結合其它類似研究成果，發現鋼花管注漿提高了松散堆積體密實度，內摩擦角φ增大，同時漿液與松散顆粒凝結成整體，粘結力C得到大幅度提升，另一方面還由于鋼花管與樁周加固體的相互耦合作用，進一步增強了樁土復合地基的承載和抗變形的能力。

本文還將具有半剛性特征的柔性鋼花管樁間加固體視為線彈性體，利用樁土復合地基理論計算樁承載力與樁周加固體沉降變形[3]，并基于樁土耦合作用最大時樁布置成等邊三角形模型計算樁間距與樁排距，同時還結合具體工程實踐，提出了設計應遵循的基本原則與一般優化方法。

2 樁土復合地基的形成與加固機理

2.1 鋼花管注漿加固堆積體方法

松散堆積體路基病害通常以滑動失穩、沉陷變形、開裂崩塌等主要形式呈現，一般由內因和外因引起[1]。鋼花管注漿處治技術就是通過微型鋼管（D<100mm）壁上螺旋布置的小孔（d=6mm）將水泥漿液注入大孔隙、松散的堆積體內，并把松散顆粒凝結成整體，與鋼管混凝土樁一同構成豎向承載力和橫向抗彎拉（剪）剛（強）度很大的復合地基方法，主要目的是解決松散堆積體承載力不足、滑動失穩和沉陷變形等工程建設中的不良地質問題。通常用于結構物地基加固、滑坡崩塌治理、深基坑開挖支護，甚至可用于隧道等地下工程危巖體加固。加固方法一般先按設計資料進行孔位放樣，然后用潛孔鉆機成孔，制作并安裝鋼花管，采用二次注漿法灌注水泥漿液，最后進行質量檢驗與效果評估，滿足設計要求后即可清理現場并為后續施工作準備。

2.2 樁土復合地基的形成機理

松散堆積體大孔隙和滲透性強的特點，可以最大限度發揮柔性鋼花管注漿效果。一方面高壓漿液會通過鋼管壁上的小孔高速射向周圍松散體，在高速流動漿液的作用下，松散顆粒會被劈裂移動到外圍低壓空間，由于周圍其它顆粒的阻礙約束就只能發生擠密效應，從而實現了增大顆粒間內摩擦角φ，提高地基承載能力的目的。同時流動漿液還會在加固范圍內充填松散顆粒大部分孔隙，使其密實度增加，承載力和抗變形能力進一步得到提升。另一方面，由于注漿材料的粘結作用，使原本松散的巖土體顆粒（C=0）凝結成了整體（C>0），從而大大增強了松散堆積體的抗壓與抗剪強度，抵抗變形的能力自然得到很大提升。文獻[4]通過實驗建模用ANSYS軟件進行有限元分析，得出的微型鋼管組合樁水平位移隨加固體粘結力C、摩擦角φ、彈性模量Es增大成下降趨勢，并且粘結力C對微型鋼管樁影響最大，摩擦角φ影響最小的結論就充分說明了注漿加固的顯著效果。與此同時，鋼花管混凝土樁本身具有很高的抗壓和抗彎剪強度，隨著梅花型布置的鋼花管樁排數的增加，其結構整體剛度得到大大加強，與注漿體共同構成了整體復合地基，從而大幅度提高了松散堆積體的地基承載力和抗變形能力。

2.3 復合地基中樁土的耦合效應

工程實踐中的鋼花管樁通常按梅花型布置成群樁，這樣的框架結構體系，除與注漿加固體共同提供很高的豎向承載力外，結構本身的抗剪強度和抗彎剛度還能夠阻止整個堆積體的滑動，并能使樁間土形成土拱效應，從而限制樁間注漿體的側向位移和變形。另一方面，樁間加固體則為鋼花管提供有力支撐，限制其側向位移和變形，降低了鋼管樁的失穩風險，從而大大提高了鋼管樁的抗壓和其抗彎（剪）能力。因此，在車輛等外荷載作用下樁土間的相互耦合作用提高了松散堆積體路基的整體承載能力和抗變形能力。

3 鋼花管注漿結構設計分析

理論和實踐均表明，鋼花管樁用于加固堆積體路基（主要解決蠕變變形與承載力不足）與治理滑坡時，其受力狀態完全不同，因此設計計算方法也不一樣。加固堆積體路基時，除了承受樁上填土與汽車等豎向荷載外，有時還要承受水平向的滑坡推力（存在滑動時），因此豎向承載力和變形是設計的控制指標，其抗滑穩定性只通過驗算滿足要求即可。當用于邊坡滑動、崩塌或深基坑支護時，鋼花管樁主要承受滑體的水平推力，其抗彎（剪）能力是設計研究的重點[3，4]。

本文以貴州G210線桐梓崇溪河至蒙渡橋公路改擴建工程K2023+500～K2023+560段松散堆積體路堤滑坡治理（以下簡稱示范工程）為例，提出了鋼花管注漿結構的設計分析方法。

示范工程鋼管樁用于路基擋土墻下堆積體加固，主要解決地基承載力不足問題，其豎直方向主要承受來自樁承臺、擋土墻、路基填土和汽車荷載等方面的力，因此，其地基承載力和變形是控制設計的關鍵指標。

由于鋼花管屬于微型樁系列，長徑比（L/D）較大，受力時具有一定柔性，因此可按半剛性樁設計計算，同時樁間顆粒與注入的漿液凝固成具有一定剛度的整體，當樁間土應力未超過極限強度以前，應力應變幾乎成線性增長，因而可看成線彈性體，這樣就可以利用文獻[3]的研究結果計算樁應力與樁土復合地基的沉降。

4 示范工程設計

4.1 設計原則

鋼花管注漿結構通常用于交通工程地基加固、滑坡治理和危巖體加固等工程實踐中，一般應遵循有效性原則、經濟性原則和快速施工原則。

有效性原則是指針對不同的處治對象采取個性化的技術措施和方案，確保病害治理靶向準確，治理效果科學有效。一般根據加固體的結構組成、受力特點、變形特征結合環境現狀和目標要求有針對性地進行設計研究與預測，從而找出一套科學可行的治理方案與策略。

鋼花管注漿結構經濟性主要由樁的結構、數量、布置型式、樁長、注漿量與施工方式等決定，因此，科學合理確定這些尺寸與參數是設計要重點研究完成的任務與內容。

快速施工原則就是設計方案要能夠實現方便施工、對交通影響小、非開挖處治和安全保障要求，一般與樁的布置、占用場地大小和施工方式等有關。

4.2 鋼花管樁結構設計

注漿鋼花管采用Φ89mm，壁厚4mm無縫鋼管沿管軸線每隔4cm按45°螺旋方向在管壁上鉆出Φ6mm注漿孔，并沿管壁每2m焊接3根Φ8mm定位鋼筋（保證鋼管外包混凝土保護層厚度不小于2cm），底部用鉆有小孔的5mm厚鋼板封閉，小孔中的注漿管（管壁鉆孔）端頭用U型鋼筋焊住（防止底部注漿管被堵塞），管口設計成帶閥門可方便拆卸密封的注漿口（保證管內注漿壓力），鋼管連接采用對口焊接外加3Φ20鋼筋綁焊，搭接長度每端不少于20cm。鋼花管構造見示意圖2。

4.3 示范工程設計

示范工程設計時，首先根據地勘資料和堆積體性質、范圍、厚度、穩定狀態和發展趨勢，初步擬定鋼花管樁樁徑、長度和錨固深度等參數，然后按式（3）和（4）計算最大樁間距與樁排距，再按式（1）和式（2）分別計算樁應力和沉降量，通過不斷調整優化樁的各種結構尺寸與組合參數，直到滿足式（1）和式（2）為止。圖3即是按此方法計算的示范工程鋼花管樁基礎擋墻設計結果。

示范工程實施后路基承載力和穩定性得到顯著提高，通過持續觀察，沒有出現新的變形和滑移，處治效果非常滿意，說明處治和設計方案是有效和可行的，對類似災害工程處治提供了借鑒和示范作用。

5 結論

（1）鋼花管注漿通過擠密樁周土和填充顆粒間大部分空隙，使其密度增加，內摩擦角φ增大，同時與被注漿顆粒凝結成整體，大大提高了顆粒間粘結力C，從而形成承載力和抗變形能力以及抗彎剪剛度都很高的樁土復合地基。

（2）布置成梅花型框架結構的群樁，能使樁間土增強土拱效應，限制樁間土側向位移與變形，同時樁間土也為鋼花管提供有力支撐與約束，在車輛等外荷載作用下樁土間的相互耦合作用提高了松散堆積體路基的整體承載能力和抗變形能力。

（3）柔性鋼花管可以視為半剛性樁，樁間加固體被看作線彈性體，樁的承載力與樁周加固體的沉降變形可用樁土復合地基理論計算。

（4）鋼花管一般布置成梅花形，當相鄰樁間距相等，且樁周加固圓兩兩相切時，樁土耦合作用最大，加固效果最好，這時樁間距與樁排距按等邊三角形加固模型計算。

（5）鋼花管樁設計應遵循有效性原則、經濟性原則和快速施工原則。設計方法一般根據地勘報告初步擬定鋼花管結構尺寸，計算最大樁間距與樁排距，并分別驗算樁應力和地基土沉降量，當不滿足要求時，要通過調整優化樁的各種結構尺寸與組合參數，直至滿足要求為止。

參考文獻：

[1]黃吉國，黃蛟.基于交通保障需要的松散堆積體路基主要病害處治方法研究與實踐[J].科技創新與應用，2018（35）：122-124.

[2]貴州省遵義公路管理局，招商局重慶交通科研設計院有限公司.普通國省干線公路堆積體路基邊坡病害非開挖處治技術研究報告[R].2017.

[3]折學森.軟土地基沉降計算[M].人民交通出版社，1998：182-199.

[4]任遠.基于ANSYS平臺微型鋼管樁加固滑坡體的有限元分析

[D].成都理工大學，2013.

[5]張澤鵬，謝富貴.注漿鋼花管技術處治山區公路滑坡施工工藝研究[J].高速公路運營技術與管理，2006（4）：54-57.