微型樁群加固路基邊坡的穩定性及效果研究

苗琨明，扈少華

(山東華遠公路勘察設計有限公司，山東 濰坊 261061)

1 微型樁分類及加固邊坡機理

1.1 微型樁類型

微型樁指的是直徑較小(70～300 mm)的鉆孔灌注樁。微型樁技術起初是用于加固建筑物基礎，但隨著鉆探工藝的進步，微型樁技術也開始在在公路或是鐵路路基邊坡加固中應用。微型樁的布設方式豐富，可與路基邊坡滑動面垂直、正斜、反斜、交叉等，排數一般是2～5排，呈梅花型布置，還可以根據路基邊坡實際情況，在樁孔鉆探完成后布置鋼管、型鋼等，以改善灌漿粘結力。微型樁分類可參考表1。

表1 微型樁劃分條件及類型

1.2 微型樁加固機理

微型樁加固路基邊坡后，樁體會產生位移或變形來抵抗巖土體滑動，此時樁后土壓力計算十分復雜，需要考慮微型樁和巖土體間的相互作用。路基邊坡失穩階段，潛在滑動面附近的滑坡推力是最大的，滑坡推力作用在微型樁后，樁體嵌固段發生撓曲變形，樁前滑體抗力呈中間大兩側小分布。

微型樁加固路基邊坡的機理主要體現在兩個方面：(1)微型樁與土體形成樁-土復合結構，共同承擔外荷載，使得原土體的抗剪強度、剛度等大幅提高，有效地限制了邊坡的變形，提高了邊坡安全系數；(2)微型樁自身具有良好的抗彎作用，且大多都是成群布置，與懸臂抗滑樁加固機理類似，能有效抵抗邊坡下滑。

2 微型樁加固邊坡穩定性分析方法

微型樁加固邊坡穩定性分析方法主要有定性分析和定量分析兩大類，前者包括圖解法、自然歷史分析法、SMR法等，后者包括簡化Bishop法、強度折減法、有限元分析法等。

2.1 邊坡穩定性定性分析

(1)圖解法

圖解法分析路基邊坡穩定性是基于赤平投影圖、摩擦圓等，并結合相關邊坡的設計及施工經驗，得到邊坡主要結構面和次要結構面，從而推測出邊坡滑體范圍、可能滑動方向等。

(2)自然歷史分析方法

該方法要求工程人員先對路基邊坡所在區域的地質情況進行詳細勘探，初步判斷可能影響邊坡安全性的因素，并對邊坡在未來一段時間的發展趨勢展開分析。

(3)SMR法

SMR法主要用于巖質路基邊坡的穩定性計算，該方法是利用邊坡滑體的質量參數來分析其穩定性，不考慮地應力、坡高等對邊坡安全性的干擾，精確度有待提升。

2.2 邊坡穩定性定量分析

(1)簡化畢肖普法原理

簡化Bishop法是《公路路基設計規范》(JTG D30-2015)中推薦的邊坡穩定性分析方法，屬于剛體極限平衡法的范疇。簡化Bishop法將滑坡體劃分成n個寬度相同的垂直條塊，并假設各條塊間只存在水平條間力、豎向條間力等于0，且滑體力矩平衡，如圖1所示。計算時以滑動圓弧的圓心為力矩中心點，得到抗滑力矩與下滑力矩的比值即為邊坡安全系數，公式如下

圖1 簡化畢肖普法條塊劃分

式中：Wi為第i條條塊的重力，kPa；bi為第i條條塊的寬度，m；ci為滑面粘聚力，kPa；φi為滑面內摩擦角，°；αi為圓弧底面傾角，°；ui為孔隙水壓力，kPa。

(2)強度折減法

應用強度折減法來計算路基邊坡穩定性時，需事先假定一個折減系數F，用邊坡巖土體的抗剪強度參數來除以折減系數F，得到新的粘聚力和抗剪強度指標，作為新的邊坡材料參數參與穩定性計算，直到邊坡計算不收斂。此時的折減系數F就是邊坡的安全系數。

(3)有限元分析法

隨著計算機技術的飛速發展，數值計算法在巖土計算領域地應用日益普遍，一般包括有限元法、有限差分法、離散元法、邊界元法、流形元法等，其中有限元法的應用范圍最廣。有限元法用于分析路基邊坡穩定性時，可以將邊坡安全系數與滑動面位移、應力、塑性區等參數聯系起來，能更好地分析路基邊坡失穩變形機制。有限元法計算邊坡穩定性的關鍵是確定其臨界破壞狀態，主要判據有三種：邊坡模型節點最大水平位移達到某值、迭代計算不收斂、出現貫通的塑性區。

3 微型樁加固邊坡效果評價

3.1 工程概況

以某公路項目為研究對象，采用Midas/GTS建立有限元模型來分析路基邊坡在微型樁加固前后的穩定性。該公路全長24.5 km，起訖樁號為K8+260～K32+760，地質條件較復雜，沿線出現了大量邊坡。路基邊坡安全系數計算選擇K22+138斷面，該邊坡最大高度33.8 m，分四級進行開挖，每級邊坡控制坡高為10 m，各平臺寬均2 m。

根據區域地質資料，場區處于相對較穩定的地質環境，地層分布較連續，無地震作用下的可液化地層，場地土屬中硬土。根據設計資料及相關巖土試驗可知，該高邊坡巖土體分為兩層，從上至下分別為強風化板巖和中風化板巖。

3.2 微型樁加固邊坡模型建立

Midas/GTS計算邊坡安全系數步驟如下：cad建立模型→導入dxf文件至midas→分割模型→定義材料→材料屬性賦值→網格劃分→施加模型約束→初始地應力平衡→計算邊坡穩定性→輸出結果，其中關鍵步驟就是模型建立和網格劃分。

網格尺寸、網格數量對模型計算結果和計算效率影響較大。在綜合考慮邊坡安全系數計算精度和計算機運算速度的基礎上，利用軟件中內置的二維實體單位對邊坡巖土體進行網格劃分，其中邊坡坡面2 m范圍內網格進行加密處理，網格控制尺寸取0.5 m，其它部位網格尺寸取1 m；微型樁采用桿單元來模擬，網格尺寸取0.5 m；模型共劃分出3 258個單元，4 452節點。

3.3 微型樁加固邊坡安全系數計算結果

采用Midas/GTS軟件對微型樁加固前邊坡的安全系數計算時考慮了兩種工況。正常工況Ⅰ：邊坡處于天然狀態；非正常工況Ⅱ：邊坡處于暴雨或連續降雨狀態，降雨強度取20 mm/h，安全系數計算結果見表2。

表2 微型樁加固前后邊坡安全系數

由表2可知：路基邊坡加固之前，Midas/GTS計算出的安全系數為1.24。但是，隨著降雨歷時的增加，邊坡安全系數不斷減小，安全系數迅速從1.09降低至0.98，降低幅度為10.1%。此時邊坡安全系數<1，失穩可能性較大。這是因為隨著降雨時間的增加，滲入邊坡內部的雨水量越多，邊坡巖土體抗剪強度參數減小，從而導致邊坡安全系數降低。

微型樁加固邊坡之后，無論是正常工況Ⅰ或非正常工況Ⅱ，其安全系數均有明顯提高，提高幅度分別為17.4%、24.4%，邊坡處于穩定狀態。這說明，微型樁在路基邊坡中的加固效果良好。

4 結 語

分析了微型樁類型、加固機理及邊坡安全性計算方法，并利用有限元法對微型樁加固效果進行評價，主要得到以下結論：(1)微型樁種類多樣，可按配筋材料、樁頂連接形式、注漿工藝等分類，其加固邊坡的機理主要是依靠微型樁與土體形成樁-土復合結構及其自身良好的抗彎作用。(2)微型樁加固邊坡穩定性分析方法主要有圖解法、自然歷史分析法、SMR法、簡化Bishop法、強度折減法、有限元分析法等。(3)微型樁能明顯提升路基邊坡在天然狀態和降雨狀態下的安全系數，建議工程中推廣應用。