微型樁加固多級路塹邊坡穩定性分析

黃勇軍， 周利金， 潘世強， 譚 鑫， 馮龍健

(1.湖南建工交通建設有限公司, 湖南 長沙 410005； 2.湖南省交通科學研究院有限公司, 湖南 長沙 410015; 3.湖南大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410082)

0 引言

微型樁是一種采用鉆孔、配筋和壓力注漿施工,樁徑不超過30 cm的灌注樁[1]。早期用于加固地基，近二十年開始用于邊坡治理。在邊坡工程特別是滑坡搶險工程中，微型樁施工速度快、靈活輕便，且與傳統抗滑樁相比對坡體擾動很小，施工后樁體與巖土體共同受力，有利于調動巖土體自身抗滑能力。國外有較多微型樁用于加固滑坡、路堤以及基坑等成功案例[2-14]。丁光文[15]將微型樁復合結構成功用于鷹廈鐵路路塹邊坡病害治理工程。鄒越強、謝曉華、何小宏、高永濤等[16-19]也在不同文獻中分析了微型樁在邊坡加固方面的應用。

用微型樁處理邊坡時，一般以群樁出現，由于微型樁群-土相互作用機理復雜，所以暫未見合理的計算方法。微型樁群加固邊坡設計計算方面的相關研究較少且不成熟[20]。與傳統抗滑樁相比，目前微型樁在滑坡處治工程中尚未大量推廣使用。為此，本文以湖南醴陵路塹邊坡為依托，對不同樁位微型樁群加固滑坡進行穩定性分析，系統研究微型樁群的組合與布置，并對樁體受力及支護效果進行計算分析，可指導類似微型樁分級治理滑坡。

1 工程地質狀況

工程位于湖南醴陵，坡高63.4 m。邊坡設計采用分級放坡開挖，最大挖方高度處共分8級放坡，級高8～12 m，平臺寬度2.4～6.4 m。場地為丘陵地貌，山體主要由石炭系的構造角礫巖、石英砂巖、砂巖、頁巖、炭質頁巖等巖質組成。該段邊坡地層總體特征如下：6～8級坡面分布含砂礫粉質黏土2～3 m，碎石、角礫約2 m；其余各級已無覆蓋層，地表為全風化構造角礫巖，厚9～10 m，其下以中風化頁巖為主，厚4～6 m，再往下為全～強中風化構造角礫巖，厚10～12 m，具體地質情況見圖1。

2018年4月～5月，K1104+700～K1104+800段右側5～6級坡面及平臺出現沉降拉裂裂縫，縫寬5～8 cm，落差4～15 cm。6月～7月,對邊坡深層位移進行了深層測斜。測斜監測結果揭示CX1#位置4.5 m深、CX2#位置8.5 m深、CX3#位置11 m深范圍內坡體產生明顯變形，如圖2所示。

結合邊坡的地質資料及地表裂縫發展情況，推斷滑坡先由高處坡段逐漸向低處坡段發展；根據擠壓剪裂低處坡面的滑動順序，判斷該坡體總體屬于折線推移式滑坡體，滑面位于坡面下5～12 m不同巖性分界面處。目前，滑坡體處于極限平衡狀態，由于該地雨季降雨量豐富，導致滑體處于蠕滑階段，如不進行及時加固處治，極有可能產生顯著滑動造成危害。

圖1 邊坡地質剖面圖(單位： m)

圖2 測斜監測成果

2 微型樁群加固邊坡數值模型

2.1 邊坡數值模型

由于工程地質條件復雜，解析方法無法全面分析邊坡以及樁體的受力機理，因此結合實際地層建立數值模型，如圖3。

綜合邊坡數值模型巖體參數與該工程地質勘察報告及目前邊坡極限平衡狀態反推滑帶參數，參數見表1。

2.2 微型樁數值模型

微型樁采用樁體結構單元進行模擬，樁單元與巖土體實體單元之間建立彈簧約束，模擬兩者之間的切向和法向受力機理。

圖3 坡體數值模型圖(單位： m)

本文擬采用直徑為0.15 m的微型樁，樁土界面剛度的參數參考Cai等[21]提出的計算方法選取，法向和切向的黏聚力與內摩擦角則與表1中全風化構造角礫巖的參數取相同，接觸面的剛度及樁單元的參數見表2。

表1 土層力學參數土層重度γ/(kN·m-3)彈性模量E/MPa泊松比ν黏聚力c/kPa內摩擦角φ/(°)粉質粘土19200.33020碎石201000.3535全風化構造角礫巖22600.351520中風化頁巖253000.32525基巖261 0000.254040滑動帶23500.351316坡體拉裂區19.5100.3515

表2 微型樁計算參數直徑d/mm重度γ/kN·m-3彈模E/GPa泊松比 ν法向剛度kn/GPa切向剛度ks/GPa15020280.210060

3 不同微型樁支護條件下邊坡穩定性

由于邊坡模型滑動帶水平長度近100 m，故需采用多組微型群樁組合方式進行支護，才能達到工程設計要求。本文擬在1#～5#平臺布樁，為對支護方案進行優化研究，采取了5種不同工況進行數值模擬分析。工況一:5個平臺，每個平臺布置2排樁；工況二：5個平臺，每個平臺布置3排樁；工況三：1#～3#平臺，每個平臺布置3排樁；工況四：2#～4#平臺，每個平臺布置3排樁；工況五：3#～5#平臺，每個平臺布置3排樁。微型樁滑面以下樁長按照滑面以上部分的0.5倍控制，所以5個平臺布置的微型樁樁長依次為10、13、17、18、20 m。

數值模型可采用剪切應變云圖來觀察邊坡的失穩破壞模式，不同微型樁布置工況下邊坡模型的破壞模式如圖4所示。為明確失穩模式，坡體模型中剪切應變較小區域均為不顯示，僅顯示剪切應變劇烈發展的區域。根據地勘及監測分析結果，本工程邊坡在未進行微型群樁加固之前已經逐漸產生了確定的滑裂帶并處于臨界穩定狀態。因此，未支護邊坡產生的破壞形式如圖4a所示，塑性剪切帶貫穿整個坡體，且安全系數為1.0。

由圖4b～圖4f可以看出，通過設置微型群樁使邊坡破壞模式發生了變化，安全系數均得到不同程度提升。在強度按安全系數折減后，各支護工況剪切破壞帶均從中部和上部臺階的坡腳處滑出。未支護邊坡情況下產生的貫通塑性剪切帶，在微型樁支護后某些工況下由于樁體的遮攔作用未貫通整個坡體，上部不穩定坡體重量借由樁體傳遞至基巖，從而減小了來自滑動體上部的下滑推力，使得坡體相對穩定。支護后邊坡的變形模式由整體剪切破壞轉化為中、上部局部剪切破壞，因此邊坡的安全系數得到提高。

a) 未支護

b) 工況一

c) 工況二

d) 工況三

e) 工況四

f) 工況五

工況一每個臺階設置2排微型樁，安全系數為1.23，低于路塹邊坡的安全系數要求。因為微型樁是剛度較小的柔性樁，需要3排以上的樁群組合達到一定剛度才能起到加固穩定效果。工況二每個臺階增加1排微型樁后，安全系數達到1.31，能夠滿足該路塹邊坡安全系數要求，但從其坡體上部失穩而下部穩定的破壞模式來看，下部坡體支護措施略強；可以在滿足安全系數要求下，通過優化微型樁樁位設置來減少一定樁數，降低工程造價。

因為工況三、四和五均采用單臺階3排樁，分別設置于下部、中部和上部臺階處。由圖4d～4f可知微型樁布置在邊坡中部(工況四)安全系數最大，布置在邊坡上部(工況五)安全系數次之，布置在邊坡下部(工況三)安全系數最小，故微型樁布置在邊坡的中上部時加固效果最優。

邊坡經微型樁支護后產生的位移能在一定程度上反映出邊坡穩定性，也就是說支護后邊坡產生的位移量越小，相對應的邊坡安全系數越高。邊坡各支護形式的監測點位移、微型樁的數量以及安全系數見表3。

從經濟與安全方面考慮，工況四布樁形式所需樁的數量少，且支護后坡體位移量居中，能夠滿足規范安全系數要求，故本邊坡加固方案擬推薦工況四的微型樁布置形式。由此根據邊坡的破壞失穩模式制定方案能夠更加經濟有效地支護坡體，對于局部失穩破壞的情況，應在保證其整體穩定性后加強局部支護。

表3 各工況邊坡監測點位移大小支護形式監測點位移量/mm012345微型樁數量安全系數無支護628410913815116201.00工況一131326334040101.23工況二131222293536151.31工況三13124663595591.16工況四22213242525391.25工況五30293138495291.23

圖5為工況四下微型樁的樁身內力圖，其中id編號1～9依次為邊坡從底部往上布置的9排微型樁。由圖5可知，各微型樁剪力最大值均出現在滑帶附近；彎矩沿樁身呈S型分布，滑帶下部彎矩較其上部彎矩稍大，最大值位于滑帶下部2.5 m之內，滑帶上、下位置處最大內力的符號相反；樁身兩端內力較小。圖6為工況四下各樁的水平位移云圖及變形圖，由圖6可知，微型樁在正常工作狀態下的最大位移位于樁頂，約為1 cm，可見微型樁發揮作用時對邊坡位移的約束良好。圖中位于同一平臺的3排樁彎曲變形程度相似，與內力圖的分布形式一致。各排樁的變形程度隨平臺上升而逐漸增加，最大樁身內力值亦隨之增加。可見越是靠近后緣，微型樁內力越大。這是由于4#平臺上樁承受滑帶以內的坡體自重最大，3#平臺次之，由于其它平臺微型樁的抗力作用，2#平臺上的樁所承受的滑坡推力相對最小。

圖5 工況四支護后各微型樁的內力圖

續圖5 工況四支護后各微型樁的內力圖

圖6 工況四下各樁的水平位移云圖及變形圖(變形放大300倍，單位：m)

4 結論

應用強度折減法原理，通過數值模型對工程邊坡采取微型樁加固形式的穩定性進行了研究分析，得出以下結論：

1) 采用微型樁對邊坡工程進行加固處理，能夠有效提高坡體穩定性、限制坡體位移發展，支護后邊坡不會形成貫通的塑性滑移區。

2) 通過分析多種不同微型樁布樁形式的計算結果，可知采用多級組合布置的微型樁在支護邊坡工程中具有一定靈活性。在保障坡體整體穩定性基礎上，可以通過優化設置，有效加強局部危險區域的支護來提高安全系數，降低工程造價。

3) 通過對微型樁群各樁內力分析發現，微型樁群內力與單樁有著顯著不同，不同位置、不同排數的抗滑樁內力，目前無法用統一的解析方法獲得，仍需要進一步研究。