微型樁輕型擋墻在邊坡滑塌治理中的應用

歐 煜

(湖南化工地質工程勘察院有限責任公司,湖南 長沙 430100)

在邊坡支擋工程設計和施工中,經常會遇到地基承載力不足、支護空間狹小、周邊環境復雜等特殊工況,傳統擋土墻往往無法正常實施。為了解決特殊條件下邊坡支擋工程結構選型的問題,諸多學者在擋土墻的開發、研究等方面做了很多創新性工作。葛帆[1]針對深厚填土地基中地基承載能力不足的缺陷,提出采用空箱型擋土墻結構,解決了實際工程問題,節省了造價。邵先鋒等[2]提出一種新型剁式擋土墻,在上級與下級擋土墻中間設置支墩,提高了擋土墻抗側向變形及整體穩定性。周根郯[3]對傳統扶壁式擋土墻進行了改良,解決路基面寬度不足的問題,其既具有擋土作用,又可跨越障礙物。劉曙光[4]等提出了一種疊合型裝配式擋土墻,其具有整體性,連接可靠,抗裂性能好,值得推廣應用。

綜上可以看出,前人的研究均是在傳統擋土墻,如重力式擋墻、扶壁式擋土墻、懸臂式擋墻等的基礎上進行二次開發研究并應用,能夠較好地解決當下某些具體工程難題。但通過分析我們發現這些支擋結構存在圬工體積較大,施工工序較復雜,工期較長,需借助大型機械設備施工等問題。尤其當周邊環境復雜,既有邊坡發生滑塌需應急治理時,往往由于工期緊迫,且支擋空間受限,導致上述支擋結構無法順利實施。因此,亟需開發一種施工簡便、快速、靈活,且施工過程對周邊環境影響較小的支擋結構。

本文提出一種新型擋墻,即微型樁輕型擋墻,其應用于工程實例中能夠有效解決上述問題,并取得較好的經濟效益和社會效益。

1 微型樁輕型擋墻

微型樁輕型擋墻典型剖面如圖1所示。微型樁輕型擋墻將鉆孔注漿微型樁與圬工體相結合,形成復合支護結構,主要由微型樁、砼面板、注漿錨桿、加強筋等組成,具體為:

圖1 微型樁輕型擋墻典型剖面Fig.1 Design section of the light-type retaining wall with micropiles

1)鉆孔注漿微型樁

鉆孔注漿微型樁一般采用小型鉆機成孔并注漿,鉆孔孔徑48～300 mm,施工快速、簡便。微型樁作為整個支護結構的基礎,其截面形式、排數根據實際情況可靈活多變,一方面為支護結構提供豎向承載力,且不受地層限制;另一方面提供較好的抗彎、抗剪能力。

2)砼面板

砼面板采用現澆形式,面板直接擋土,主要對地面以上微型樁等結構進行包裹,從而實現對支護體系的有效聯結及保護。面板可根據需要設置泄水孔。

3)注漿錨桿

錨桿主要起限制支護結構位移并提供抗傾覆彎矩的作用,根據實際需要采用。當支護高度較高,微型樁本身抗彎剛度無法滿足要求,或對變形控制要求較高時,可在面板上部設置1～2排錨桿(索),從而較大程度提高支護結構剛度及強度。當支護結構高度較低,且微型樁抗彎、抗剪及變形滿足要求時,可不設置錨桿。

4)加強筋

加強筋主要通過焊接設置在微型樁頂部及中部,一般間距為0.5～1.0 m,可采用螺紋鋼筋、槽鋼等其他截面形式鋼材,主要將多根微型樁有效地聯結成整體。

與傳統擋墻相比,微型樁輕型擋墻能夠充分利用微型樁提供的抗彎、抗剪能力,大大減小圬工體積;在提高施工速度等方面的優勢明顯,同時具備布置靈活,施工簡便、造價低等特點,尤其適用于施工場地狹小,需快速施工的搶險工程等項目。

2 計算方法

鋼管微型樁作為一種較新的支護結構,具有對土層適用性強,布置靈活,施工時對周圍建筑影響小等特點,在基坑支護工程、房屋加固工程、古建筑加固糾偏、邊坡支護等領域優勢明顯,均得到了廣泛應用。

國外對鋼管微型樁研究起步較早,已有成功的應用案例,如美國北卡羅來納州某河沿岸的滑坡治理案例中使用了錨錠微型鋼管樁擋墻的技術[13],科羅拉多州成功應用微型鋼管樁進行臨時支護工程[14]。近年以來,國內學者對鋼管微型樁[5-12]加固的受力機理及工作性能開展了比較豐富的研究。

當鋼管微型樁作為邊坡支擋結構時主要發揮其側向抗彎、抗剪性能,主要設計計算方法包括:懸臂樁法、地基系數法等。筆者基于前人的研究成果,總結得到微型樁的驗算包括地基土強度校核、微型樁抗彎能力校核、微型樁抗剪能力校核,具體如下:

1)地基土強度校核

微型樁嵌入巖土層深度應根據地基的橫向承載力特征值確定,計算公式為

式中:φ為地基土內摩擦角,°;γ為地基土容重,kN/m3;h為地面至計算點距離,m;c為地基土黏聚力,kPa。

2)微型樁抗彎能力校核

將微型樁簡化為受均布荷載的懸臂梁,則單根樁發生彎曲變形時所能提供的最大抗力為

式中:E為微型樁彈性模量,MPa;I為微型樁截面慣性矩,m4;δ為樁頂位移限制量,mm;H為微型樁受彎段長度,m。

3)微型樁抗剪能力校核

微型樁樁體抗剪力計算公式為

R=A1τ1+A2τ2

式中:A1為微型樁凈截面積,mm2;τ1為微型樁抗剪強度設計值,MPa;A2為漿體凈截面積,mm2;τ2為漿體抗剪強度設計值,MPa。

3 工程應用實例

3.1 工程概況

擬治理邊坡位于珠海市井岸鎮,該處原為一漿砌片石擋墻,高約5.0 m,墻面近垂直。墻頂靠近居民自建民房,墻腳緊鄰內部出行要道。由于墻體年久失修,受2019年當地強臺風暴雨天氣影響,擋土墻邊坡東西走向與南北走向交界位置發生滑塌,長度約12.0 m;墻頂地坪發生不同程度下沉開裂,如圖2所示。

圖2 邊坡滑塌現場Fig.2 The site of the slope sliding

邊坡滑塌,可能會危及坡頂既有建筑穩定以及嚴重影響當地居民出行安全,必須進行相關治理。事故發生后,當地應急管理部門立即啟動應急預案,并根據地質災害治理相關程序開展相關災害處置工作。

3.2 地層概況

2)礫質黏性土(Qdl+el、層號②):灰褐色、黃褐色,為花崗巖風化坡殘積土,成分主要由黏土、石英砂礫及長石碎屑組成,石英砂礫含量為 20%～30%,表層夾較多植物根系及腐殖質,夾片塊石,呈松散狀,干燥-稍濕,硬塑,土體性質一般不均勻,結構較松散。

3.3 治理方案

3.3.1重點和難點

本邊坡治理的重點和難點:一是周邊環境復雜,坡頂靠近既有民宅,坡腳緊鄰出行要道,空間狹小,不具備大型機械設備施工條件,且施工危險性較高;二是能提供給支護結構的占用的水平距離僅約0.5 m,無法修建高大支擋結構;三是邊坡治理施工必須快速,從而最大化降低社會負面效應。

3.3.2方案比選

填方邊坡一般采用擋墻支擋。常用的擋土墻形式主要包括重力式擋墻、扶壁式擋墻、懸臂式擋墻、樁板式擋墻等。這些支擋結構圬工體積較大,不僅需要借助大型機械設備對坡體進行二次開挖,而且需要開挖基礎,工期較慢,施工過程中產生的風險及其對周邊環境的影響較大。而本段邊坡坡頂靠近既有民房,坡腳緊鄰出行要道,不具備大型機械設備施工條件。此外,受空間限制,邊坡治理只能采用輕型支擋結構。

綜上,針對本項目特點,需要一種施工簡便、快速、安全,占地空間小,結構牢固的支擋結構,而傳統的重力式擋墻、扶壁式擋墻、懸臂式擋墻、樁板式擋墻均無法滿足邊坡治理的要求。經過論證比選,選定微型樁輕型擋墻。

3.3.3設計參數

通過設計計算,最終確定設置1排I12工字型鋼,樁長12.0 m,樁間距0.5 m。樁身懸臂段通過焊接設置3排[20a槽鋼聯結,外側澆筑300 mm厚混凝土面板進行包裹。樁頂以下1.5 m位置設置1排直徑25 mm注漿錨桿,間距2.0 m,錨桿端部與槽鋼焊接固定。樁身嵌固段采用地質鉆機成孔,孔徑200 mm,孔內灌注M30水泥砂漿,采用孔底返漿法進行施工。此外,樁身嵌固段需焊接支架,保證微型樁混凝土保護層厚度不小于4 cm。

支護結構剖面設計圖及平面設計圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 支護結構剖面設計圖Fig.3 Design section of the structure

圖4 支護結構平面布置圖Fig.4 Plan layout of the structure

3.4 治理效果

治理方案確定后,立即開展了搶險施工,并在最短時間內完成了全部內容。施工工序:坡面清理→測量放線→滑塌坡面注漿錨桿預加固施工→微型樁鉆孔施工→微型樁下料及注漿施工→懸臂段槽鋼焊接施工→砼面板澆筑施工及養護→墻背回填施工→其他附屬設施施工。圖5為治理完工后的整體效果圖。由圖5可見,支護結構基本恢復了原邊坡重力式擋土墻的功能,占地空間更小。在經歷了2個雨季后,邊坡整體安全穩定,表明微型樁輕型擋墻在治理此類邊坡是可行的。

圖5 治理后效果Fig.5 The site after treatment

4 數值分析

有限單元法對一些復雜結構的處理比較方便,如各種不同邊界條件、荷載條件、巖土性狀、巖土界面等。因此,為了更好地對微型樁輕型擋墻支護結構內力、變形及工作性狀進行研究,本文采用巖土工程有限元分析軟件Plaxis建立上述工程實例典型設計剖面的二維有限元模型,并對實際施工過程進行有限元數值模擬計算,主要過程如下。

4.1 有限元模型建立及計算參數選取

土層的強度參數值取自該工程的地質勘探報告,本構模型采用M-C模型,地面超載取20 kPa。

采用軟件自帶的板單元分別模擬微型樁及注漿錨桿。微型樁及錨桿均視作彈性構件,在相應的接觸面上設置界面單元模擬結構與土的相互作用。土層與支護結構的界面強度折減因子Rinter取為0.67,即相應土層抗剪強度指標的2/3。模型邊界條件為:兩側均為無水平位移,底邊完全固定。

根據以上原則建立有限元計算模型,如圖6所示。巖土及支護結構參數分別如表1、表2所示。

表1 巖土參數Tab.1 Parameters of soils

表2 支護結構參數Tab.2 Parameters of retaining structures

圖6 有限元計算模型Fig.6 Finite element model

4.2 計算結果分析

4.2.1水平位移分析

圖7是支護結構周邊地層水平位移分布。從圖7可以看出:地層中水平位移最大值出現在坡體中下部靠近臨空面位置,最大值約35.5 mm。圖8是微型樁水平位移分布。從圖8可以看出:微型樁產生的水平位移呈近似“凸肚”型分布,頂部受錨桿約束,位移較小,最大水平位移發生在靠近樁懸臂段中部位置;樁嵌固段水平位移衰減較快,樁端水平位移最小值約15.0 mm。

圖7 地層位移分布Fig.7 The displacement distribution in the soils

圖8 微型樁水平位移分布Fig.8 The horizontal displacement distribution of the micropiles

需指出的是,本項目邊坡支護結構平面呈“L”型分布,計算時未考慮加強筋的聯結效應,以及兩側支護結構對彼此形成相互約束效應,造成計算位移較實際發生位移偏大。因此,位移計算結果是偏于安全的。但實際工程中若遇到某一側支護邊長較大,建議在懸臂段中下部設置錨桿控制位移。

4.2.2微型樁內力分析

微型樁樁身彎矩及剪力分布如圖9所示。從圖9可以看出:與位移分布圖類似,微型樁樁身彎矩仍呈“凸肚”型分布,最大彎矩出現在樁懸臂段中部偏下位置,最大值約60 kN。而微型樁剪力在受荷段變化較大,錨桿作用位置存在突變,嵌固段剪力迅速衰減;最大剪力出現在地面位置附近,極值為40.3 kN/m;剪力為0時,彎矩有極值,符合理論規律。

圖9 微型樁內力分布Fig.9 The internal forces distribution of the micropiles

與2節理論值相比,彎矩數值計算結果較理論值偏大約18%,而剪力數值計算結果遠小于理論值。究其原因,主要是數值模擬計算未考慮樁身加強筋的聯結效應,以及兩側支護結構對彼此形成相互約束效應,導致計算得到位移及樁身彎矩值偏大。同時,表明該支護結構破壞模式可能主要為微型樁抗彎能力達到極限而引起的傾覆破壞,一般不會發生樁身剪切破壞。

4.2.3微型樁受土壓力分析

圖10是微型樁受主、被動土壓力分布。從圖10可以看出:樁側的主、被動土壓力均呈近似直線分布,從上至下逐漸增大。嵌固段主動土壓力與被動土壓力近似相等,主動土壓力最大值為104.0 kPa,被動土壓力的最大值為100.0 kPa。

圖10 微型樁受土壓力分布Fig.10 The distribution of earth pressures acting on the micropiles

4.3 設計參數優化分析

綜合上述分析,微型樁抗彎能力和錨桿對支護結構整體安全穩定的影響較大,因此有必要對其設計參數進行優化分析。本文采用數值模擬分析的方法,對微型樁輕型擋墻支護結構進行有限元模擬,從控制支擋結構水平位移的角度為其優化設計提供相關依據。

4.3.1微型樁剛度

為考察微型樁剛度對支護結構安全穩定的影響,設置多組微型樁的剛度參數(0.5倍、1.0倍、1.5倍、2.0倍),其余參數保持一致,得到各組參數下微型樁水平位移分布曲線,如圖11所示。

圖11 微型樁水平位移隨樁剛度變化曲線Fig.11 The horizontal displacement distribution of the micropiles with different stiffness

從圖11可以看出:微型樁剛度參數對位移影響主要體現在樁身懸臂段。0.5倍剛度參數工況下,樁身懸臂段水平位移急劇增大,呈折線形分布,且不可控;最大位移出現在樁頂位置,此時微型樁很可能由于抗彎剛度不足,懸臂段發生折斷破壞,整個支護結構傾覆。而在1.0倍、1.5倍、2.0倍剛度參數3種工況下,微型樁水平位移變化趨勢類似,均呈“凸肚”型分布,最大值均發生在懸臂段中部偏下位置,且沿深度方向數值上差異不大,且均可控。

因此,微型樁剛度參數對支護結構水平位移影響明顯,過小的剛度容易引起支護結構發生變形過大導致的失穩破壞,而一味增大剛度值并不會顯著改變位移分布規律及位移大小。在生產實踐中,需加強計算與比選,以選取最合理的型鋼截面形式。

4.3.2樁身錨桿

為研究錨桿設計數量對支護結構安全穩定的影響,本次設置3種不同工況,即不設置錨桿、設置1排錨桿和設置2排錨桿,得到不同工況條件下樁身位移分布曲線,如圖12所示。錨桿具體參數見表2。

圖12 微型樁水平位移隨錨桿數量變化曲線Fig.12 The horizontal displacement distribution of the micropiles with different number of anchors

從圖12可以看出:錨桿排數主要影響微型樁樁身懸臂段水平位移分布規律,而嵌固段位移分布基本不受影響。當不設置錨桿時,樁身水平位移呈折線形分布,最大值發生在樁頂,且不可控。當樁頂位置設置1排錨桿時,水平位移迅速收斂,受錨桿約束作用呈“凸肚”型分布。當設置2排錨桿時,位移分布規律與1排錨桿類似,但數值進一步減小,減小幅度不明顯。

工程實踐表明,對于此類支護結構,當支護高度在5.0 m左右時,建議在樁身設置1排錨桿便可較好限制樁身水平位移。當支護高度進一步增加時,則需根據實際情況適當增加錨桿數量或調整錨桿間距。

5 結論

本文提出了一種微型樁輕型擋墻結構,其在邊坡治理工程中具備安全可靠、結構型式靈活多變、圬工體積小、施工速度快以及經濟性好等優點。采用有限元數值計算方法,對支護結構位移、微型樁內力、樁側土壓力分布等規律進行分析,并結合工程實例,得出以下結論:

1)微型樁輕型擋墻具備布置靈活,施工簡便、造價低等特點,特別適用于周邊環境復雜,且需快速施工的搶險工程等項目。

2)微型樁輕型擋墻工作機理為:墻背土壓力首先作用于面板,然后傳遞給微型樁及樁身錨桿,兩者協同作用,共同抵抗墻背水平土壓力。其破壞模式可能為:微型樁復合支護結構抗彎能力達到極限值而導致整體傾覆破壞。

3)微型樁樁身水平位移及彎矩均呈“凸肚”型分布,最大值出現在樁懸臂段中部位置附近。剪力值在受荷段變化較大,且在錨桿作用位置存在突變,最大值出現在地面附近。彎矩與剪力值在嵌固段均迅速衰減至最小值。

4)設計參數優化分析結果表明:微型樁剛度對樁身懸臂段水平位移影響明顯,但一味增大剛度并不會顯著減小水平位移值。樁身嵌固段水平位移分布規律受剛度影響小。樁身錨桿對水平位移影響較大,當不設置錨桿時,樁身水平位移呈近似折線形分布,最大位移出現在樁頂位置。