改進組合型微型鋼管樁在高速公路災害處治設計中的應用

張 瑢，張耀庭，陳艷瑋

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州730030）

0 引言

微型鋼管樁因具有施工方便、快速，在邊坡支護、基坑支撐等領域已大量推廣使用，但因其容易因腐蝕失效，很少用于永久性支護工程。十堰至天水國家高速公路甘肅段徽縣（大石碑）至天水公路2017年5月項目通車后，K643+440～485段出現(xiàn)路基滑塌病害，為快速搶修保暢，設計了改進組合型微型鋼管樁基礎擋土墻設計，利用微型鋼管樁的快速高效，并通過注漿在樁管內外形成保護層，使其具有足夠的耐久性，與樁頂承臺梁結合作為擋土墻樁基礎，提供足夠的豎向和橫向承載力，達到永臨結合、快速高效的搶險救災。

1 概況

十堰至天水國家高速公路甘肅段徽縣（大石碑）至天水公路是“國家高速公路網(wǎng)”福州至銀川國家高速公路的橫向聯(lián)絡線的重要組成路段，項目位于陜、甘交界處，是甘肅與陜西、四川經(jīng)濟交流與合作的主要紐帶和橋梁，也是甘肅省一條重要的東南出口公路，在天水與連霍國家高速公路相連，在隴南通過平?jīng)鲋廖涠几咚俟放c蘭州至海口國家高速公路相接，組成區(qū)域網(wǎng)格狀高速公路網(wǎng)，具有重要政治、經(jīng)濟和國防意義。項目穿過橫嶺山路段，由于地下水位高，地基土體強度低等原因，在2016年項目通車后，多處出現(xiàn)路基滑塌、沉降、裂縫等病害現(xiàn)象（見圖1）。

圖1 路基病害現(xiàn)場照片

2017年8月，十天高速公路K643+440～485段路基左側路面在連續(xù)強降雨后發(fā)生滑塌，形成高差1.4 m的錯臺，坡腳擋土墻完全破損，坡腳排水溝因擠壓出現(xiàn)斷裂、扭曲等變形。

2 地質情況及病害原因分析

2.1 原設計情況

十天高速公路徽縣（大石碑）至天水段路基設計寬度為24.5 m，設計時速為80 km/h。K643+440～485段路基左側邊坡高10～13 m，右側邊坡填方高度為0～1 m，路基填土為含礫粉質黏土。路基邊坡坡率為路肩向下8 m范圍內為1∶1.5，8 m以下到13處為1∶1.75，坡面采用預制塊鋪砌孔窗式護坡防護。

2.2 地質情況

十天高速公路K643+440～485段布設于隴南市西和縣縣城向南約10 km的橫嶺山西側山坡上，經(jīng)查閱項目原設計地勘資料，地基0～8 m為上更新統(tǒng)沖洪積粉質粘土，黃褐色，硬塑—可塑狀，土質松散不均，含砂及礫石顆粒；8～15 m為黃土狀粉質粘土，黃褐色，軟塑，土質不均勻。15～18 m為礫砂層與角礫層。地質斷面見圖2。

圖2 地質橫斷面

2.3 滑塌原因分析

原地基地形較陡，地表橫坡接近1∶2.5，路基填土加載于原地表后，地表土體受到一定的剪應力，在土體干燥狀態(tài)下，剪應力并未達到土體的抗剪強度，隨著持續(xù)降雨，地下水位上升致使地基土體飽和，土體抗剪強度下降，受力逐漸達到或超過土體極限強度。路基填土因持續(xù)降雨飽和導致重度增大，兩因素導致路基出現(xiàn)滑裂，雨水灌入裂隙帶促使土體進一步飽和、軟化，最終導致路基滑塌破壞。

3 處治方案設計

3.1 方案研究

由于路基滑塌致使路面整體下沉，坡面防護構造物變形、開裂至完全破壞，路堤土體完全剪切破壞，為重塑土體強度，須挖除滑塌土體重新回填夯實，并完善地下截排水設施。

可行的支擋處治的方法主要有樁板墻、錨桿擋墻、樁基擋墻等，樁板墻造價高且施工周期較長，錨桿擋墻需要將錨桿錨固在巖石、堅硬土等巖土層中，以滿足穩(wěn)定需要，因此本項目采用樁基擋土墻進行支擋防護，考慮到搶險救災項目永臨結合、施工快速便捷的需要，擋土墻基礎采用了微型鋼管樁設計[1-4]。擋土墻采用漿砌片石砌筑。

3.2 設計

微型鋼管樁施工工藝主要有打入法和鉆孔貫入法，考慮到搶險救災工程永臨結合的需要，設計中為避免鋼管樁在豎向壓力和水平向推力作用下快速銹蝕，引發(fā)路基病害的情況出現(xiàn)，須防止鋼管樁打入過程中局部防銹涂料因為摩擦而破損。因此本項目設計了鉆孔貫入式打眼鋼管樁，打入后注漿，使?jié){液完全包裹鋼管內外壁，為確保管壁外混凝土保護層厚度不小于3 cm的要求，微型管樁施工鉆孔孔徑應比貫入鋼管外徑大6～10 cm。

根據(jù)受力分析和項目區(qū)施工經(jīng)驗，設計了鉆孔打入鋼管并注漿形成組合微型鋼管樁，在樁頂澆筑1.0 m厚鋼筋混凝土承臺梁（見圖3），使組合微型鋼管樁形成群樁基礎共同受力的擋墻基礎方案。改進組合型微型鋼管樁鉆孔不小于30 cm，鋼管外徑設計為20 cm，管壁厚度不小于6 mm。同時在鋼管樁內等邊三角形式布設三根鋼筋（見圖4），提高鋼管樁的橫向支撐力和耐久性。群樁頂部擋土墻設計高度為3.5-5.5 m，頂寬1.5～2.0 m。擋土墻采用漿砌片石砌筑。

圖3 微型鋼管樁與承臺梁連接圖（單位：cm）

圖4 微型鋼管樁斷面設計圖

根據(jù)地質特點，組合微型鋼管樁，豎向承載力按摩擦樁設計。為避免擋土墻變形引起路基、路面再次開裂，依據(jù)樁基規(guī)范，組合微型鋼管樁水平向承載力計算時變形按10 mm控制。將鋼管與管內三角形布置鋼筋等代換算為配筋，每根樁綜合配筋率均大于0.65%。

（1）單樁豎向向承載力

式中：Ra為單樁豎向承載力特征值；U為單樁截面周長；qsik為各土層樁側極限側阻力；li為各土層樁長；psk為樁端極限端阻力標準值；Ap為樁端面積。

（2）項目區(qū)抗震烈度為7度，考慮承載效應后，基樁豎向承載力為：

式中：R為考慮承臺效應后復合基樁豎向承載力特征值；ζa為地基抗震承載力調整系數(shù)；ηc為承臺效應系數(shù)；fak為承臺下1/2承臺寬度且不超過5 m深度范圍內各層土的地基承載力特征值加權平均值；AC為計算基樁對應承臺底凈面積。

（3）單樁水平向承載力計算

式中：Rha為單樁水平承載力特征值；α為樁的水平變形系數(shù)；EI為樁身抗彎剛度，EI=0.85EcI0；Ec為混凝土彈性模量，I0為樁身換算截面慣性矩：I0=W0d0/2，W0為樁身換算截面受拉邊緣的截面模量，d0為扣除保護層厚度的樁直徑；X0a為樁頂允許水平位移；vx為樁頂水平位移系數(shù)。

（4）群樁水平向承載力計算

式中：Ra為考慮群樁效應后，基樁水平承載力特征值；ηh為群樁效應綜合系數(shù)。

根據(jù)擋土墻水平向和豎向承載力計算，組合微型鋼管樁設計為5排，排間距為1 m，基樁縱向間距設計為1 m。由于項目區(qū)地下水位高，為防止路基填土底部與擋土墻墻背積水，墻背地表處設置縱向滲溝，路基填土基底鋪筑50 cm砂礫層與橫向滲溝。路基滑塌處治斷面設計見圖5。

圖5 災害處治橫斷面設計圖

3.3 變形觀測

該搶險救災工程施工完成已運營兩年，根據(jù)運營期間觀測，擋土墻與路基沒有出現(xiàn)明顯的變形跡象，路面沒有出現(xiàn)沉降或裂縫痕跡，出露于擋土墻墻面的滲溝管常年有滲水流出，滲水無攜帶泥沙現(xiàn)象。滿足了永臨結合處治路基滑塌災害的目的。

4 結語

微型鋼管樁作為結構物基礎的設計，逐漸得到推廣和應用，但鋼管在打入具有腐蝕性的土層后，須特別重視其耐久性，本項目通過探索在樁管內外注漿，管內增設鋼筋的措施，提高了其耐久性和承載力，滿足了豎向和水平向變形設計，為其上部受復雜作用力的擋土墻提供了足夠的支撐力。根據(jù)設計、觀測和研究，改進組合型微型鋼管樁在公路邊坡?lián)岆U救災方面具有良好的效果。