微型鋼管樁在復雜地質條件下的機理分析及應用

張云鵬

摘 要：本文結合宜賓市翠屏區鹽李路臨江側人工堆棄土邊坡地質結構特征，以及宜賓市長江生態綜合治理項目設計文件及工程建設情況對樁基方案進行了比選;微型鋼管樁在復雜地質條件下的應用進行了機理分析，采用進行了微型鋼管樁加固地基穩定性分析[1]，結果表明微型鋼管樁在復雜土質地基處理中具有優良的表現。

關鍵詞：樁基礎比選;微型鋼管樁;抗滑機理;穩定性分析

引言：本文依托于宜賓市長江生態綜合治理項目工程實例介紹微型鋼管樁的施工應用情況，本工程中微型鋼管樁作為一種抗滑樁，注漿后與土石結合體共同承擔受力。抗滑樁通過錨入巖體，注漿后憑借本身的剛性，用以支撐邊坡滑體的下滑力。其作為一種“小徑高強”樁在一些特定場合以其獨特的優勢開始逐漸受到設計人員的重視。對微型鋼管樁的研究，對復雜地質條件下地基處置及邊坡治理有重大指導意義。

1 工程概況

宜賓市長江生態綜合治理工程項目位于宜賓市翠屏區，沿既有鹽李路臨長江側新建道路，作為觀光騎游道路，全長約3.1km（AK4+924.5-AK8+026），道路最小寬度4m，實施內容包括橋梁工程、綠道路基路面工程、邊坡防護工程、微型鋼管樁路基加固工程、景觀亭（休息區）、停車場、照明工程及綠化工程等。

其中，微型鋼管樁加固工程（AK4+924.5-AK5+670）共745.5m，為原旋挖樁變更而來。

2 地質條件

本工程線路通過段位于長江右岸（凹岸），地貌上屬長江河流侵蝕性——基座階地地貌，工程區跨河谷漫灘、Ⅰ級、Ⅱ級階地。

場地兩岸屬于蝕堆積地貌。覆蓋層為原鹽李路修筑時棄置的不均土石，厚2m至22m;沿線出露基巖為羅系中統上沙溪廟組泥巖及砂巖。裂較發育，整體性較好。擋土墻所在區域地層主要為：據地面工程地質調查及鉆探揭露，場區內主要地層為新生界第四系全新統人工堆積層（Q4m）、沖積層（+2中生界羅系中統上沙溪廟組成。

3 樁基礎方案的選擇

本工程其AK4+924.5至AK5+670，擬采用樁基礎與擋土墻相結合的形式作為路基防護支擋。基礎方案有鉆孔灌注樁和微型鋼管樁兩種，各種方案有其優點和局限性。因此，選擇合理的方案是保證下部基礎工程質量和施工安全的關鍵。

在深入掌握和研究已有工程地質、水文地質資料和周邊環境條件的基礎上，進行多種方案的分析，論證與優化，并著重考慮了以下因素：

AK4+924.5至AK5+670根據地勘資料及現場實地查看，發現該段線路通過的陡坡地帶，地形條件較差，巖體裂隙發育，完整性較差，覆蓋層堆積體分布廣泛。上覆為松散堆積層，主要為人工填土和崩坡堆積塊石土，下伏為強風化砂巖、中風化砂巖，中風化砂巖承載力較高，壓縮變形較小，是較好的樁基持力層;

本段原地表邊坡陡峭，施工段落與上部既有道路高差在35米至50米，不利于大開挖修筑施工便道。旋挖樁機進場施工最小寬度為6.5m，現場陡坡不宜大面積擾動，否則落土落石會對長江江床造成堵塞和污染。故大口徑樁基礎施工在現有條件下施工非常困難。

微型鋼管樁作為一種抗滑樁，近年來在邊坡滑坡治理中得到了應用，且與傳統抗滑樁相比具有很大的優勢。在本工程中采用微型鋼管樁既作為抗滑樁支擋邊坡土體，又與土石結合體形成復合地基共同承擔上部荷載。且具有如下優良特點：①能夠利用復雜地質條件，解決大口徑樁基礎施工碰到的難點。②直徑小、施工速度快且較安全。③鋼管本身有較大的鋼度和抗剪強度，受力情況良好且易于加工，可焊接，長度易于調節。④造價低，經濟性好。

綜合比較分析后，選用能在狹窄工作面施工的微型鋼管樁注漿后與土石的結合體作為路基基礎。

4 微型鋼管樁機理分析

4.1通過微型鋼管樁灌注的水泥砂漿滲入到鉆孔周圍土石結合體中，與巖土體充分混合，固結土石體，提高堆砌土體的完整性和強度，同時提高了有下滑趨勢的滑體與滑床的粘聚力和摩擦角。

4.2采用微型鋼管樁加固時，采用多排群樁布置，樁與樁之間的間隔較窄，且將樁頂用型鋼或角鋼相互連接起來，荷載由樁-土復合結構共同承擔，管樁與周圍土石結合體形成一個復合型擋土墻，起抗滑擋墻的作用。

4.3微型鋼管樁以多排群樁布置（見下圖1），受到樁后的橫向滑坡推力作用時，它對樁間和鄰近土石結合體有改造和加固作用，使其更具整體性，土體的強度得到提高。受力分析時可將其看作是一個重力式擋土墻。并且鋼樁在土體中有加筋作用，土體的剛度明顯加強，使其對樁的側向壓力致使樁的側向變形顯著減少。

5 微型鋼管樁工藝參數

5.1樁體采用Q235鋼無縫鋼管，屈服強度不小于235MPa，抗拉強度375MPa至500MPa，直徑為127mm*8mm，單根樁長12～25m（嵌固中風化基巖深度不小于5.0m），接長鋼管采用φ108mm×6mm無縫鋼管，兩頭搭接60cm，總長120cm，并與φ127mm×8mm無縫鋼管焊接，中央采用拉通焊接，兩頭采用120°成孔后焊接。

5.2樁間距橫向0.75、縱向1.0m，采用梅花樁布置。鋼管自頂端1.5米以下在管壁上開孔，開孔直徑為φ15mm，豎向間距20cm，120°螺旋布設。樁頂高出承臺底500mm。

5.3鋼管內外注漿選用砂灰比1：1、水灰比0.5的無收縮水泥漿，砂漿強度達到M30，注漿管需裝設壓力表，注漿壓力不大于0.2Mpa，注漿采用一次性注漿，直至孔口冒出純漿為止。

6 邊坡與路基穩定性分析

6.1樁前邊坡下滑力計算

對主滑動剖面進行分析計算，將滑動面分為10個條塊（圖2），采用傳遞系數法，當土體（滑坡體）處于極限平衡條件下，即最后一條塊土體剩余下滑力為零，可按式5.1計算獲得坡體每一個滑塊的剩余下滑力。

計算參數：素填土重度為17KN/m?，飽和素填土重度為：19.5KN/m?，根據地勘報告顯示邊坡土體粘聚力C=26KPa，內摩擦角? ?=4?，穩定系數φi根據設計規范取：Fst1.25，滑塊傾角如圖2所示，上部設計荷載作用于第三第四滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊。本工程因長江江床較坡體很遠，故不考慮長江水位對坡體的影響，不考慮動水壓力和浮托力以及地震力對坡體的影響。僅考慮“暴雨+設計上部荷載+自重”工況下，計算人工填土處于飽和狀態下的滑坡推力。

將各作用力投影到底滑面上，其平衡方程如下：

按式5.4計算得樁前坡體10個滑塊的剩余下滑力，如圖4所示，受上部設計荷載影響，計算得第4塊滑塊有最大下滑力23.76KN/m，距錨固端2.63m。

根據力的作用力與反作用力，此截面布置的鋼管群樁（取單元體1m寬，等效于3根φ150mm傳統抗滑樁），受到最大彎矩45.683KN.m。

6.2鋼樁抗彎強度校核

Wi根據材料力學計算鋼管樁抗彎截面系數? ? =46048.54mm?，σ=330.6872MPa

7 微型鋼管樁的應用

宜賓市長江生態綜合治理項目，共設計1972根微型鋼管樁，沿路線左側成三排布置，單根樁長根據地質特點10m至25m，嵌入巖層至少5米。總計處治復雜土質路基745.5m（AK4+924.5-AK5+670）。

7.1微型鋼管樁施工工藝流程

平整場地——注漿鋼管制作焊接——測量放線——孔距定位——鉆孔機就位鉆孔（每3m接鉆桿一次）——清孔——安裝下放鋼管——注漿機安裝 ——安裝注漿管——拌制水泥砂漿——注水泥砂漿——加壓注漿直至上口翻漿。

7.2施工要點

（1）平整場地：采用50型鏟車配合挖掘機，根據設計要求放出基坑邊線及定出樁位，安裝鉆機進行成孔作業;待施工完畢后泥漿外運至施工區域外，檢查并保護成樁。

（2）注漿鋼管制作焊接：根據設計圖紙要求的深度進行下料，鋼管連接處進行加強焊接。

（3）測量放線：根據設計要求的間距、排距及設計提供的標高進行測量放線。

（4）孔距定位：根據設計的孔洞直徑、間距、排距使用筷子打入地下進行定位;

（5）微型樁定位：本工藝采用干成孔方式鉆孔，根據微型樁定位，在成孔位置上進行汽車載運螺旋鉆準確定位，汽車支撐腳腿下進行夯實后墊方木，確保其穩定。

（6）就位鉆孔：將汽車載運螺旋鉆機安放在指定位置，安放水平，防止傾斜;將鉆桿抬至鉆機旁，啟動鉆機，慢慢鉆進;每進深2m，需要接一次鉆桿，直至得到設計有效深度。

（7）鉆孔：將鉆機安放在指定位置，安放水平，防止傾斜;將鉆桿抬至鉆機旁，啟動鉆機，慢慢鉆進，每進深3m，需要接一次鉆桿， 直至達到設計有效深度。供風采用不小于1.4Mpa高風壓空壓機，以便于鑿巖土石渣吹出孔內，鉆具采用偏心鉆頭φ150金剛石鉆頭，鋼套管采用φ163×8無縫P110型鋼管，1m一節，鋼套管兩端加工有絲牙，公母扣連接。鉆進時先用低速、低壓鉆進，確保鉆孔精度，當穩桿器帶動管角進入回填區，再正常鉆進，偏心輪張開，鉆孔孔徑大于鋼套管管徑，管靴帶動鋼套管跟進，跟管鉆進過程中實行邊加鉆桿邊加套管，根據鉆孔過程中返出的物質來判斷回填區的實際地質情況和跟管深度，當跟管鉆進超過覆蓋層進入巖層5m后，慢速反鉆鉆機，偏心輪回收，整套鉆具及鉆桿從套管內退出，鋼套管留在孔內作為鋼管樁的鋼管，鉆孔完畢。

（8）清孔：鉆孔完畢后，連續不斷的用不小于1.4Mpa高壓風徹底沖洗鉆孔，直至孔口返出之風手感無塵屑，延續5min，孔內沉渣不大于50mm。

（9）注漿機安裝：在現場指定位置固定注漿機，電源由指定的配電箱接入，采用6平方三相五線制電纜，把拌制的水泥砂漿放入6mm鋼板焊接制成的1m*1m*1m灰槽內，然后由注漿機注漿。注漿管需裝設壓力表，注漿壓力不大于0.2Mpa，水灰比0.5、砂灰比1比1，注漿后暫不拔管，直至水泥漿從管外流出為止，拔出注漿管，密封鋼管端部，加壓數分鐘，待水泥漿再次從鋼管外流出為止。

（10）安裝下放鋼管：待孔清洗后及時在孔內安裝預先制作好的鋼管，單根鋼管樁長10-20m，接長鋼管采用中108mmX6mm鋼管，兩頭搭60cm，總長120cm，并與φ127X8無鋼管焊，中央采用拉通焊，兩頭采用120°成孔后焊接，確保連接牢靠。焊接時，焊疤不能出管壁，以防止下管困難。鋼管下孔時應根據現場情況采取必要的措施，使其緩慢放置孔底位，防止鋼管接連處破壞和對孔周巖土造成過大的擾動。

為保證鋼管居中，須在鋼管外每4焊接一套定位器，定位器采用中φ8mm鋼筋制作。鋼管下孔前，應先在孔壁上開孔，以便漿時水漿能進入管壁與孔壁的間開孔直徑為15m，豎向間距20cm，120°螺旋布設。

（11）安裝注漿管：下放鋼管完畢后，要及時進行注漿，注漿管由注漿機只接接入到下入孔內的鋼管上，接口要密封連接，注漿管采用橡膠管輸送。

（12）拌制M30無收縮水泥砂漿：水泥砂漿采用專用機械進行拌制，水灰比控制0.5、砂灰比1比1，把拌制的水泥砂漿放入鋼制的1m*1m*1m灰槽內，然后由注漿機注漿。

（13）注水泥砂漿：注漿管需裝設壓力表，注漿壓力為0.2Mpa，注漿采用孔底返漿一次性注漿，注漿后暫不拔管，直至水泥砂漿從管外流出為止。

（14）微型樁施工中，應仔細測量孔深、鋼管長度及注漿管長度，避免出現假樁斷樁現象。

（15）嚴格控制樁頂樁底標高。

（16）兩端處樁位偏差不得大于1/3樁徑（本工程為1/3*150=50mm），中間樁樁位偏差不得大于1/2樁徑（本工程為1/2*150=75mm），垂直度不超過1/1000樁長。

7.3施工質量控制

（1）成孔：

成孔前為保證樁的垂直度，需有水平尺前后、左右調整好鉆機的水平度，為控制樁位偏差，成孔前先用儀器精確定出樁位，每個樁位上插上筷子，開鉆時，鉆頭中心對準 筷子頭上方可開鉆。鉆機每進尺累計達到200米之后要測量鉆頭一次。

（2）M30無收縮水泥砂漿配制要求：

水泥砂漿要嚴格按照水灰比0.5控制、砂灰比1比1的比例配置，水泥砂漿在攪拌桶內至少攪拌4分鐘后才可以開始注漿，從而達到攪拌均勻。如果因設備出故障或其它原因致使漿液攪拌時間超過30分鐘，為不影響樁身質量把漿液廢棄。

8 結束語

8.1宜賓市長江生態綜合治理項目工程地基基礎采用微型鋼管樁經過試驗檢測和沉降監測，安全穩定。在河岸、陡坡等復雜地質條件及施工面狹窄的情況下與鉆孔灌注樁或人工挖孔樁方案相比，無論在技術上還是經濟上都占有明顯的優勢，推廣應用方面有很大的發展空間。

8.2微型鋼管樁樁距小、呈梅花形布置，再加上樁和土體的共同作用，形成的復合結構能夠承受較大的彎矩，可有效防止在外力作用下，邊坡局部失穩滑坡。

8.3微型鋼管樁在工程實際運用中施工方便快捷，成樁快速，施工質量容易控制。

參考文獻：

[1] 微型鋼管樁用于滑坡治理及理論分析，肖春錦，湖北省鄂西地質工程勘察院，湖北宜昌.