錨桿與鋼管樁聯(lián)合支擋結(jié)構(gòu)在路基高填方加固工程中的應(yīng)用研究*

張思峰，夏 沖，秦海潮，王同福，柴慶剛

(1.山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院，山東 濟南 250101； 2.山東省路橋集團有限公司，山東 濟南 250014；3.山東高速集團有限公司，山東 濟南 250098)

0 引言

隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展和路網(wǎng)建設(shè)布局的需要，山區(qū)高速公路建設(shè)規(guī)模日益增大，工程建設(shè)中常常遇到大量地形復(fù)雜的高陡填方路基工程[1-2]。相對一般路基而言，高填方路基具有填筑高度大、路基累積變形大等特點，這也往往由于設(shè)計、施工及地質(zhì)水文條件的影響成為后期路基側(cè)滑的隱患點[3-4]。而路基側(cè)滑后支護方式選擇的不合理可能會造成路基垮塌，繼而造成巨大的經(jīng)濟損失或人員傷亡。如何考慮工程特點從而選擇經(jīng)濟、合理的高填方路基側(cè)滑失穩(wěn)加固技術(shù)是一項事關(guān)公路安全運營的重大課題[5]。

雖然我國已有70余年滑坡治理的實踐經(jīng)驗，但對于高填方路基的滑坡處治主要是隨著高速公路尤其是山區(qū)高速公路建設(shè)的發(fā)展而產(chǎn)生的[6-7]。當(dāng)削坡、減載、排水、擋土墻等工程措施不足以解決問題時，采用錨桿(索)+抗滑樁或抗滑鋼管樁等類似結(jié)構(gòu)的加固措施，可迅速解決邊坡加固工程問題，但目前關(guān)于其設(shè)計及應(yīng)用研究的成果尚少[8]。本文依托某高填方路基滑坡處治工程實際，在介紹處治方案及施工技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)場監(jiān)測的方式對其加固效果進行評價，研究成果可為類似工程的設(shè)計及施工提供借鑒。

1 工程背景及病害原因

1.1 工程概況

受2019年夏季連續(xù)長時間降雨的影響，董家口至梁山(魯豫界)公路新泰至寧陽段K14+596—K14+640路基在填筑至上路床時，右側(cè)路幅出現(xiàn)縱向及橫向裂縫，橫向裂縫寬0.5～1.0cm。

經(jīng)現(xiàn)場查勘，中央分隔帶右側(cè)路幅縱向裂縫呈圓弧形，弧頂位于右側(cè)路基內(nèi)側(cè)行車道內(nèi)，裂縫兩端延伸至路肩邊緣，即橫向裂縫貫穿整個路基。地形上，道路左側(cè)地面高程明顯高于右側(cè)，從左至右大致呈坡度10%左右的坡面狀，右側(cè)坡體底部有匯水跡象(后期通過在路肩邊緣埋設(shè)的深層測斜管也證實原地形線附近有積水)，由于路基側(cè)滑尚處于孕育期，右側(cè)路堤坡體未見明顯臌脹，坡腳處未見明顯隆起。路基側(cè)滑段典型橫斷面如圖1所示。

圖1 路基側(cè)滑段典型橫斷面

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)路基填筑后的工程地質(zhì)鉆孔資料揭示，場區(qū)在勘探深度范圍內(nèi)自上而下分為4層，巖土特性如下。

1)素填土層 主要填土成分為片麻巖碎屑及碎塊，取芯呈砂礫及碎塊狀，局部見短柱狀，鉆探過程中進尺較均勻，層厚9～10m。

2)粉質(zhì)黏土 黃褐色，切面較粗糙，中等韌性，土質(zhì)不均，局部含少量砂粒，層厚0.5～1.0m。

3)全風(fēng)化片麻巖 淺灰色，原巖風(fēng)化程度極強烈，礦物成分已發(fā)生蝕變，取芯呈砂土狀，風(fēng)化不均，局部見少量強風(fēng)化碎塊，層厚1.0～2.0m。

4)強風(fēng)化片麻巖 灰黃色，原巖風(fēng)化程度強烈，片麻狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙很發(fā)育，取芯呈砂礫狀及碎塊狀，一般塊徑2～6cm，取芯率70%，層頂深度一般在11.0m以下。

1.3 路基病害原因

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及勘察情況推斷，該高填土路基側(cè)滑原因主要為該路段地面線陡直多變，為高填路堤局部形成高應(yīng)力區(qū)及局部應(yīng)力集中提供了條件。此外，施工期間連續(xù)長時間降雨，路堤填筑材料為透水性較強的砂礫、碎石土層，連續(xù)降雨入滲導(dǎo)致土體含水量增加，路堤土的流變性加大且強度降低，致使路基部分往外側(cè)蠕變滑動，產(chǎn)生縱向裂縫。另外后期監(jiān)測還發(fā)現(xiàn)，坡體底部有積水現(xiàn)象，這也是導(dǎo)致坡體滑動的重要原因。

為避免該高填方路基邊坡側(cè)滑加劇，保證后續(xù)施工及公路運營后的安全，對該段路基進行加固治理已異常緊迫。

2 路基加固設(shè)計

選擇的加固治理措施要在確保道路安全的前提下節(jié)省工程投資，同時要保護周邊生態(tài)環(huán)境、縮短工期[9]。由于路堤填土下方存在相對穩(wěn)定的風(fēng)化片麻巖地基，故考慮采用抗滑鋼管樁的加固治理方案。

在進行邊坡未加固前的安全系數(shù)計算中，考慮到與路線走向垂直方向、原地形線位置存在自南至北方向的客水流動，故在坡體穩(wěn)定性驗算中考慮原地形線上下各0.5m范圍內(nèi)土體抗剪強度降低，根據(jù)條分法計算得到未加固前的典型橫斷面安全系數(shù)為0.98，坡體為不穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)JTG D30—2015《公路路基設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，按照邊坡安全系數(shù)1.3計算得到邊坡剩余下滑力，該下滑力由鋼管樁及其頂部設(shè)置的錨桿共同承擔(dān)。根據(jù)計算得到的路肩處的剩余下滑力，并依據(jù)GB50936—2014《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》進行了鋼管樁抗彎及抗剪強度的驗算，共設(shè)計鋼管樁2排，排距1.5m，樁間距1.0m。具體設(shè)計方案闡述如下。

2.1 鉆孔注漿

灌漿法是將拌制好的漿液在一定的壓力下利用注漿管注入土層中，使得漿液滲透、擠密和填充土體顆粒間的孔隙，待漿液凝固后與土體形成新的固結(jié)體，以提高地基承載力并改善其變形性能[10]。本項目設(shè)計鉆孔孔徑75～90mm，均為垂直孔，設(shè)計鉆孔深度至基巖面，鉆孔間距3m，排距3m，矩形布置，注漿壓力0.3～0.6MPa。

2.2 全長粘結(jié)錨桿

為減小鋼管樁的內(nèi)力，在鋼管樁的頂部設(shè)計1排錨桿，錨桿外端頭設(shè)置在鋼管樁頂部的聯(lián)系梁中，錨桿沿桿身每隔1.5m設(shè)置對中定位支架，鋼管樁、錨桿外端頭與聯(lián)系梁混凝土澆筑在一起，錨桿采用全長粘結(jié)錨桿。

2.3 抗滑鋼管樁

對于不穩(wěn)定的巖土體，抗滑樁類結(jié)構(gòu)是路基加固較為有效的措施。本工程中共設(shè)計直徑237mm、壁厚8mm鋼管樁2排，分別位于路肩邊緣及路肩內(nèi)，平面呈梅花形布置，底部入巖深度不少于5m。鋼管內(nèi)灌注C30混凝土，外部泵送M30水泥砂漿。

2.4 混凝土聯(lián)系梁

為保證鋼管樁能夠整體受力，每排鋼管樁頂部均設(shè)置40cm×40cm聯(lián)系梁1道，從而使得錨桿+抗滑鋼管樁+樁間巖土體形成空間鋼架體系結(jié)構(gòu)，增大了其承受剪力和彎矩的能力。

3 施工順序

由于原坡體已有滑動跡象，選擇合理的施工順序是保證加固工程順利實施的關(guān)鍵。本加固工程的施工流程為：鋼管樁施工→路基鉆孔注漿→錨桿施工→聯(lián)系梁施工。

3.1 鋼管樁施工

1)鉆孔 根據(jù)現(xiàn)場樁位控制點采用經(jīng)緯儀按照設(shè)計列間距1.0m、排間距1.5m確定樁位，孔位偏差<10mm，并確定孔口標(biāo)高，做好標(biāo)高測量記錄，以控制孔深，鉆孔直徑為350mm。

2)鋼管樁制作及安裝 鋼管樁嚴格按照設(shè)計圖紙進行加工，樁與樁連接處預(yù)先加工坡口并采用坡口焊接，焊口外側(cè)采用比設(shè)計鋼管外徑略大的多片鋼管沿圓周均勻加固。在埋設(shè)好的鋼管內(nèi)注入C30混凝土，外部采用泵送M30水泥砂漿，水泥為32.5R普通硅酸鹽水泥，注漿壓力為0.6MPa，施工完成后的鋼管樁如圖2所示(反開挖樁頭后)。

圖2 反開挖樁頭后的鋼管樁

3.2 路基鉆孔注漿

1)鉆孔 首先依據(jù)現(xiàn)場控制點準(zhǔn)確放置施工軸線和鉆孔孔位，鉆孔孔徑75～90mm，均采用垂直孔，鉆孔采用干成孔法，如出現(xiàn)塌陷、遇到塊石等情況改用硬質(zhì)合金鉆頭，泥漿循環(huán)護壁鉆進，鉆孔位置與設(shè)計位置的偏差不得大于5cm。

2)漿液制備 注漿采用水泥粉煤灰漿液，漿液配合比為：水泥∶粉煤灰=4∶1，水灰比為0.5～0.55，水泥為R32.5復(fù)合硅酸鹽水泥。

3)注漿 注漿前先在地面埋設(shè)變形觀測點，防止在注漿過程中地面產(chǎn)生過量變形而破壞已填筑路基。鉆孔封口深度≥1.5m，注漿壓力0.3～0.6MPa。施工過程中嚴格監(jiān)控地面高程及水平位移變化，避免路基發(fā)生側(cè)移。為防止?jié){液沿原有裂縫冒出，注漿前首先將現(xiàn)有裂縫用漿液充填密實，當(dāng)達到設(shè)計灌漿壓力并穩(wěn)定15min后，即可終止注漿。

3.3 錨桿施工

1)錨桿定位及鉆孔 依據(jù)現(xiàn)場標(biāo)高控制點用水準(zhǔn)儀按照設(shè)計間距1.2m確定錨桿位置，孔位偏差≤100mm。錨桿與水平夾角40°，錨桿必須保證入巖5m，成孔直徑≥100mm。

2)錨桿制作與安裝 錨桿采用φ32的II級螺紋鋼，沿桿身每隔1.5m設(shè)置對中定位支架，以保證鋼筋有足夠的混凝土保護層厚度。清孔完畢后，將制作好的錨桿放入孔中，并檢查錨桿外露長度及位置，確保錨桿外端頭能與鋼管樁及后期施工的聯(lián)系梁焊接。

3)錨孔注漿 錨孔注漿采用泵送M30水泥漿，水灰比0.4∶1，水泥為32.5R的普通硅酸鹽水泥，注漿壓力0.5～1.0MPa。

3.4 聯(lián)系梁施工

在鋼管樁和錨桿施工完畢后進行聯(lián)系梁施工。首先在鋼管樁的施工軸線上開挖一斷面尺寸≥40cm×40cm的槽，清理浮土后按照設(shè)計要求配置雙層鋼筋，每層5根φ20鋼筋，箍筋為φ6mm@25cm，鋼筋與鋼管焊接在一起，然后利用自然土體作為模板直接澆筑C30混凝土。每20m設(shè)1道伸縮縫，縫寬2cm，縫內(nèi)填塞瀝青麻筋。

4 現(xiàn)場應(yīng)力及位移監(jiān)測

4.1 監(jiān)測元件布置及埋設(shè)

監(jiān)測設(shè)計本著關(guān)鍵部位優(yōu)先、兼顧全面的原則，將監(jiān)測儀器重點埋設(shè)在主滑動區(qū)位置。在監(jiān)測儀器選擇上，以確保對聯(lián)合加固結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位及應(yīng)力、位移等參數(shù)進行全面監(jiān)測為目的，最終實現(xiàn)對加固效果的科學(xué)評價。

監(jiān)測內(nèi)容如下：①樁前土壓力監(jiān)測 開展支護結(jié)構(gòu)土壓力監(jiān)測，對于確保路基運營安全十分重要，為監(jiān)測施工過程中及工后鋼管樁所受主動土壓力的變化，本監(jiān)測中共埋設(shè)4支振弦式土壓力計，均位于鋼管樁頂部以下1.0m處，距路面頂部1.6m。②坡體深層位移監(jiān)測 采用測斜儀并通過2個深層測斜孔監(jiān)測坡體內(nèi)部變形規(guī)律，測斜管埋設(shè)過程中應(yīng)確保其中一對導(dǎo)槽與坡體位移方向一致。③錨桿軸力監(jiān)測 為監(jiān)測錨桿軸力變化，避免由于錨桿軸力過大引起局部支護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，在距離錨桿外端頭1.5m處將錨桿截斷，采用直螺紋套筒方式軸向連接振弦式軸力計，共布置3處。③聯(lián)系梁應(yīng)變監(jiān)測 在內(nèi)側(cè)聯(lián)系梁受壓面中間位置的主筋上綁扎振弦式應(yīng)變計，用于監(jiān)測聯(lián)系梁內(nèi)混凝土應(yīng)變變化規(guī)律，應(yīng)變監(jiān)測共布置3個斷面。所有監(jiān)測儀器的平面布置如圖3所示。

圖3 監(jiān)測儀器布置平面

4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

1)樁側(cè)土壓力監(jiān)測結(jié)果分析

4支土壓力計在施工期間所受壓力的變化曲線如圖4所示。由圖可以看出，除3號土壓力計外，其余土壓力計變化曲線基本重合，主要反映了土壓力計埋設(shè)后隨基層、面層施工而產(chǎn)生的側(cè)向土壓力變化。6月16日土壓力增長較多，主要是因為下面層剛鋪筑完成，且6月中旬連續(xù)多日降雨，鋼管樁所受土壓力有所增長，而后逐漸趨于平穩(wěn)。3號土壓力計雖在埋設(shè)后有少許增長，但土壓力變化幅度不超過0.1MPa，且逐漸恢復(fù)正常值，說明坡體在鋼管樁的支擋作用下逐漸達到一應(yīng)力平衡狀態(tài)，也說明了鋼管樁的支護效果明顯。

圖4 土壓力變化曲線

2)坡體深層位移變化分析

深層測斜儀是通過預(yù)先埋設(shè)在坡體內(nèi)的具有一定柔性的測斜管與路基同步傾斜產(chǎn)生的傾角來監(jiān)測坡體側(cè)向變形的高精度儀器，精度可達0.1mm。

位于坡體主滑動區(qū)的2號測斜管隨深度和時間的變化曲線如圖5所示。由于埋設(shè)測斜管時，基層及面層尚未施工，為保證路面鋪筑完成后能夠正常測試，4月21日埋設(shè)的2根測斜管上部1.0m均為懸空狀態(tài)，其在基層及面層鋪筑過程中施工機械的影響下，側(cè)向位移變化較大，但并不反映坡體實際水平位移量。自4月21日埋設(shè)測斜管到7月24日，除表層1.5m范圍外，最大位移發(fā)生在距孔口15.0m位置處(即原地形線附近)，最大位移量3.25mm，主要發(fā)生于5月15日以后，此后位移量未再繼續(xù)增加，這與土壓力計反映的規(guī)律基本一致。另外此處變形較大還由于在此位置存在坡體積水現(xiàn)象，測斜儀滑到此位置時有明顯的遇水聲音。鑒于此，建議施工單位在路線南側(cè)坡腳處增設(shè)截排水設(shè)施，防止客水經(jīng)原地形坡面流經(jīng)路基底部。

圖5 2號測斜孔位移-深度變化曲線

3)錨桿軸力變化分析

針對錨桿軸力的監(jiān)測點共布置3個，其中1號測點由于后期施工被破壞。2號及3號軸力計隨時間變化曲線如圖6所示。由圖6可以看出，錨桿軸力的增長主要發(fā)生于5月15日前，但5月1日前錨桿外端頭并未與鋼管樁連接，為全長注漿以后的自由狀態(tài)，其張拉力增長主要與桿體注漿、沿斜向鉆孔的重力分力等因素有關(guān)。5月1日—5月15日，受水穩(wěn)層施工等因素影響，張拉力有所增長，但后期隨著支護結(jié)構(gòu)的完工，張拉力趨于平穩(wěn)且有所下降。

圖6 錨桿軸力-時間曲線

4)聯(lián)系梁混凝土應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

本監(jiān)測系統(tǒng)中共布置位于聯(lián)系梁受壓面上的應(yīng)變計3支，1～3號應(yīng)變計隨時間的變化曲線如圖7所示。由圖7可以看出，隨時間的推移，應(yīng)變計所記錄的聯(lián)系梁內(nèi)混凝土的應(yīng)變逐漸減小并趨于平穩(wěn)，這是由于聯(lián)系梁為一被動受力結(jié)構(gòu)，其應(yīng)變的增大與鋼管樁的變形密切相關(guān)，從上述監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可以看出，由于鋼管樁+錨桿的聯(lián)合支擋結(jié)構(gòu)已完全控制住了坡體的繼續(xù)滑移，因此聯(lián)系梁內(nèi)混凝土的應(yīng)變也逐漸趨于穩(wěn)定。

圖7 聯(lián)系梁混凝土應(yīng)變-時間曲線

5 結(jié)語

1)實踐表明，采用抗滑鋼管樁+錨桿+鉆孔注漿的聯(lián)合加固技術(shù)對高填方路基進行加固，可有效提高路基抗側(cè)滑能力。

2)路基加固施工過程中建立動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，通過對樁前土壓力、錨桿軸力、坡體深層位移等指標(biāo)的現(xiàn)場監(jiān)測，可為施工開展提供及時的反饋信息，對于驗證原設(shè)計方案的科學(xué)性及后期高填方路基的安全運營都有著極其重要的作用。

3)本文的路基加固設(shè)計方案、施工步驟及動態(tài)監(jiān)測方案可為類似工程的設(shè)計、施工及運營管理提供借鑒。