微型鋼管樁在山區公路擋墻地基加固中的應用

■劉鍵涌

（龍巖交通建設集團有限公司，龍巖 364000）

微型鋼管樁是在小型鉆孔中放入鋼筋、鋼管后進行壓力注漿形成的鋼管、鋼筋混凝土樁。 它所需施工場地小，施工機械小，沒有開挖方，不會形成較大的臨空面，施工速度快且安全，適用于施工場地受限的情況；施工噪聲、振動小，適用于公害受到嚴格控制的區域；且長細比大，樁身耗用材料少[1]。 隨著擋土墻在山區公路中的廣泛運用，結合山區地勢較陡、施工場地較窄等特點，采用微型鋼管樁加固擋墻基礎的優勢得以體現。 本文以某山區公路擋墻基礎采用微型鋼管樁加固為設計實例， 通過建立ABAQUS 有限元模型進行邊坡穩定性驗算分析，提出設計方案，以實現在安全可靠的同時縮短施工工期，節約工程造價。

1 工程概況

1.1 工程基礎概況及設計難點

某山區三級公路，設計速度為40 km/h，路基寬度8.5 m，瀝青混凝土路面，設計荷載等級：公路-Ⅱ級，K0+605～K0+741.938 右側為設計高度3.0～11.0 m的衡重式路肩擋土墻，K0+600～K0+750 段左側為上福新村安置用地（已批復，不可多占用），故無法通過路線向左側移線優化設計；右側為居民房（高三層、征拆費用需85 萬元），拆遷難度大、費用高；外側墻趾距離已建民房墻面最近僅0.70 m，基坑開挖對房屋結構安全存在影響（村民不同意開挖），且擋墻基礎存在4.9 m 厚的軟弱土層，擋墻基底承載力不能滿足設計要求。 工程路線平面示意圖如圖1 所示。

圖1 路線平面示意圖

1.2 工程地質構造

場區為構造剝蝕低山區沖溝斜坡地貌，地形為左高右低，地形標高介于808.0～820.0 m 之間，地形較陡，自然坡度在10°～25°，植被發育。 取地表水、土質易溶鹽分析可知，場地水、土對混凝土及鋼筋混凝土結構中的鋼筋具微腐蝕性， 地震基本烈度為6°，地震動峰值加速度為0.05 g，中軟-中硬場地土的地震動反應譜特征周期為0.35 s。

地層情況為：（1）0～4.9 m 為粉質黏土：淺灰黑色～雜色，濕～飽和，軟塑～可塑，成分以粉粘粒為主，含角礫約10%～20%， 少量砂粒， 角礫粒徑為2～18 mm，角礫成分為中風化花崗巖，切面較粗糙，無搖振反應，韌性中等，干強度中等，地基容許承載力值為100 kPa。 （2）4.9～7.8 m 為殘積粘性土：褐灰黃色，可塑～硬塑，成分以粉粘粒為主，含角礫約30%，少量砂粒，角礫粒徑為2～18 mm，個別為20～40 mm的碎石，角礫碎石成分為中風化花崗巖，切面較粗糙，無搖振反應，韌性中等，干強度中等，地基容許承載力值180 kPa。 （3）7.8～10.6 m 為殘積粘性土：褐灰黃色，堅硬，成分以粉粘粒為主，含砂粒約30%，切面較光滑，無搖振反應，韌性中等，干強度中等，為花崗巖風化殘積土，采取率為90%，具遇水易軟化的特性，地基容許承載力值200 kPa。 （4）10.6～14.8 m 為全風化花崗巖：褐黃色，巖石強烈風化，巖芯呈土狀，可辨原巖結構，巖體完整程度為極破碎，屬極軟巖， 巖體基本質量等級為Ⅴ級， 采取率為65%～70%，具遇水易軟化的特性，地基容許承載力值為280 kPa。

2 設計方案

擋墻基礎處理方案分析：（1）擴大基礎配鋼筋網+換填石渣， 經基底換填夯實后一般路段可滿足設計要求，但臨近居民房屋段基坑開挖對房屋結構存在安全隱患，不宜采用。 （2）水泥粉煤灰碎石樁（CFG 樁）、粉噴樁、漿噴樁、粒料樁、預應力混凝土薄壁管樁及現澆混凝土大直徑管樁所需機械施工場地較大， 該段擋墻位于斜坡上且路基寬度較窄，施工機械較難擺放、操作空間受限；僅局部擋墻基礎段采用樁基處理，工程量較小，大型機械進出場費用較高， 經濟可比性及適用性差， 不適宜采用。（3）人工挖孔樁+托梁所需施工工期較長，不能滿足施工工期要求。 （4）微型鋼管樁所需施工場地小，施工機械小，且沒有開挖方，不會形成較大的臨空面，工期短且適用性強，能滿足本項目工期短、地形較陡、施工場地小且臨近房屋的施工要求。

根據微型鋼管樁的特點， 確定如下設計方案（圖2）：（1）根據左側上福新村地塊標高優化路線縱坡，路線縱坡采用7%（滿足路線平包豎及最大合成坡度的要求），縮短擋墻長度，降低擋土墻高度（擋墻高度為3.0～10.0 m），減小擋墻對基礎承載力的要求，并相應減少擋墻砌體數量，節約工程造價。（2）與房屋臨近段擋墻基礎采用微型鋼管樁加固設計（縱橫向間距為50 cm，樁長為10 m），管頂設置50 cm 鋼筋砼蓋梁，并與擋墻基礎連續澆筑，其余段落采用擴大基礎配鋼筋網（高1 m，根據不同高度側寬1 m～1.5 m）+換填3 m 石渣， 夯實換填后墻高＞9 m，地基承載力不得小于180 kPa，墻高≤9 m，地基承載力不得小于150 kPa。 （3）墻后地面橫坡為1∶5～1∶2.5 的土質斜坡，應先清除表層土（厚0.3 m）后，再挖臺階，臺階寬度≥2.0 m，階面向內傾斜4%。

圖2 微型鋼管樁加固擋墻設計圖

3 微型鋼管樁加固擋墻穩定性有限元分析

根據有限元的基本原理，在強度折減法中邊坡穩定安全系數定義為巖土的實際抗剪強度與臨界破壞時折減后剪切強度的比值，即定義的安全系數可以通過調整巖土的強度指標c 和φ， 如公式（1）、（2）所示，用折減的內摩擦角和粘聚力進行模擬仿真計算，剛好達到邊坡臨界破壞極限時的折減系數為邊坡安全系數Fs[2]。

式中，c 和φ 為土體所能提供的抗剪強度；Cm和φm為維持平衡所需要的或土體實際發揮的抗剪強度；Fv為強度折減系數。

3.1 模型建立

假定為平面應變問題，圖3 描述擋墻的有限元計算全結構幾何模型。 模型的左右側為水平向位移約束、豎直向自由，底側為豎直和水平向位移均約束，模擬土體在上表面有10 kPa 荷載及自重荷載作用下土體的壓密沉降[3]。

圖3 有限元計算幾何模型

模型中， 土體均視為Mohr-Coulomb 理想彈塑性材料，微型鋼管樁和擋土墻視為線彈性體，材料參數如表1 所示。

表1 材料參數

3.2 計算結果分析

特征點選用擋墻的頂點，安全系數通過特征點位移來確定， 從而得出其位移與折減系數的關系，如圖4 所示。 圖中擋墻頂點位移隨折減系數的增大而增大； 當強度折減系數為1.343 時頂點位移急劇變化，產生了2.834 m 的位移（圖5）,此時邊坡的塑性區已貫穿，已失去穩定（圖6），通過頂點位移與折減系數的關系和塑性區形態，最終得出邊坡穩定性系數為1.343>1.300，滿足相關規范要求。

圖4 擋墻頂點位移與強度折減系數的關系

圖5 強度折減系數為1.343 時的位移

圖6 強度折減系數為1.343 時的塑性區

4 微型鋼管樁施工要求

微型鋼管樁施工要求如下：（1）測量放線后，進行微型鋼管樁施工，并采用XY-150 型地質鉆機或多功能履帶鉆機成孔，成孔直徑180 mm，鉆孔水平間距為500 mm×500 mm 梅花型布置。 （2）管身采用Q345 外徑φ146 無縫鋼管，管壁厚為5.0 mm；注漿材料采用復核硅酸鹽PC32.5R 水泥，漿體強度等級為M20，水灰比0.45～0.54。 （3）成孔要求：鋼管樁成孔有效直徑不小于180 mm， 鋼管從取芯套管中心放入；樁位允許偏差±50 mm，垂直度允許偏差±0.5%；成孔深度應超鉆50 cm 并清除孔內沉渣，隨即安放微型鋼管。 （4）鋼管安放完畢，注漿管下至管底，回填粒徑10～30 mm 的碎礫石， 并采用水泥砂漿進行封口，間隔2 d 后開始注漿。 （5）為了增加注漿的可灌性，可在漿液中加入復合型減水早強劑（水泥用量0.3%～0.5%）；采用葉式機械攪拌機攪拌，漿液應連續均勻攪拌，且在攪拌均勻過篩后，再泵送壓注。（6）鋼管應優先選用通長管材，若受到材料供應影響，需要互相焊接，焊接的應確保上下節垂直，對口的間隙宜為2～3 mm， 并采用3φ16 鋼筋進行幫條加勁焊接，且接頭處應置于基坑上部。（7）鋼管樁采用二次灌注漿，第一次采用常壓注漿，待鉆孔內滿漿后進行二次補漿（壓力≮3.0 MPa，注漿量≮55 kg/m）。 當注漿壓力無法達到時，注漿量＞90 kg/m 即可停止注漿。 鋼管樁灌漿完畢后需進行保護，漿液初凝前不得搖動。

5 工程造價比較

經優化路線縱坡后，K0+690.253～K0+705.443右側路肩擋土墻基礎處理采用微型鋼管樁方案與征拆房屋（擴大基礎配鋼筋網+換填石渣）方案進行比選（表2），結果顯示微型鋼管樁方案節約工程造價35.4 萬元，成效顯著。

表2 K0+690.253～K0+705.443 右側路肩擋土墻基礎處理比較結果

6 結語

研究結果顯示：（1）微型鋼管樁所需的施工場地小、施工機械小、適用性強，能滿足山區公路地勢較陡、施工場地受限的使用情況。 （2）微型鋼管樁沒有開挖方，不會形成較大的臨空面，施工速度快且比較安全，在不良路基段且臨近建筑物的擋墻地基加固處理中，對臨近建筑物的影響小，能確保建筑物的使用安全，避免房屋拆遷，節約工程造價。 （3）應用ABAQUS 有限元進行公路擋墻基礎微型鋼管樁加固穩定性分析，計算邊坡穩定性系數為1.343>1.300，滿足相關規范要求。（4）通過某山區公路擋墻地基采用微型鋼管樁加固處理的工程實例，實踐證明在不良路基段且臨近建筑物的擋墻地基采用微型鋼管樁加固處理（地基承載力≥350 kPa）是可行的，且安全可靠、工期短，工后效果良好（總沉降量≤200 mm）。