微型組合抗滑樁在青海西久公路某滑坡防治中的應(yīng)用

郭 輝

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

微型樁(micropile)，又稱樹(shù)根樁(root piles)或小樁(minipile)，一般是指樁徑在70～300 mm，長(zhǎng)徑比大于30，采用鉆孔、強(qiáng)配筋和壓力注漿工藝施工的灌注樁。微型樁是由意大利的Lizzi在20世紀(jì)50年代提出的，最初的目的是為了加固歷史性的建筑物基礎(chǔ)，20世紀(jì)80年代以后迅速發(fā)展，其應(yīng)用范圍不再局限于傳統(tǒng)的地基加固和基礎(chǔ)糾偏，還被越來(lái)越多地應(yīng)用到邊坡加固和滑坡治理工程中[1～3]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這些方面做了相關(guān)的理論及試驗(yàn)研究[4～7]，都驗(yàn)證了微型樁用于滑坡及邊坡防治工程的可行性和有效性。

微型組合抗滑樁是將多根微型樁按照一定的排布形式組合起來(lái)用于滑坡及邊坡治理的抗滑結(jié)構(gòu)。已有工程經(jīng)驗(yàn)及理論研究表明，與傳統(tǒng)大型抗滑樁相比，微型組合抗滑樁具有場(chǎng)地適應(yīng)性強(qiáng)、對(duì)滑體擾動(dòng)小、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，并能充分展現(xiàn)其改良滑帶土以及與地質(zhì)體有效組合去適應(yīng)不良工程地質(zhì)環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已逐漸在滑坡防治中得到了廣泛應(yīng)用，并取得了較好的效果。

本文以青海省西久公路某滑坡為例，介紹微型組合抗滑樁結(jié)合其它措施治理滑坡的防治效果，理論研究和實(shí)際應(yīng)用均表明，綜合方案發(fā)揮了良好的加固作用。

1 工程概況

1.1 滑坡的空間形態(tài)及基本成因

青海省西久公路某滑坡為礫巖順層滑坡，巖性為紫紅色礫巖夾砂巖，節(jié)理構(gòu)造發(fā)育、巖體較破碎、巖塊強(qiáng)度較高。淺層發(fā)育次級(jí)滑坡，滑坡體為上覆第四系松散覆蓋層?；潞缶壘嚯x公路中線約95 m，前緣位于公路下方，距離公路中線約35 m，滑坡長(zhǎng)約130 m，沿線路寬約90 m。淺層滑體深度5 m左右，深層深為10 m，深層滑體體積約為10.5×104m3，淺層滑體體積約為2.4×104m3。

該滑坡與坡面走向基本平行，坡度50°～80°，公路線路從山坡中部通過(guò)，上下坡面植被主要為高山草甸，開(kāi)挖面巖石裸露。

2007年8月路基開(kāi)挖時(shí)，引起老滑坡局部復(fù)活。加之該地區(qū)6～8月份雨季經(jīng)常出現(xiàn)暴雨，坡體雨水排泄不暢，沿節(jié)理裂隙入滲到滑面，產(chǎn)生靜水壓力并且軟化結(jié)構(gòu)面，是滑坡滑動(dòng)的另一誘因。

1.2 滑坡穩(wěn)定性分析

滑坡穩(wěn)定性分析計(jì)算采用傳遞系數(shù)法，考慮到一般、暴雨及地震3種工況進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T 0218－2006)以及相關(guān)技術(shù)規(guī)范，滑坡穩(wěn)定安全系數(shù)取1.15，在地震+暴雨工況下安全系數(shù)取1.05;綜合考慮滑坡體在未來(lái)?xiàng)l件下的營(yíng)運(yùn)狀況，穩(wěn)定性計(jì)算取值及結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 滑坡穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果表

2 治理方案

由于滑坡體主要為順層破碎礫巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，且在公路上檔地形較陡，故不宜采用刷方減載和大方量開(kāi)挖的大型抗滑樁?？紤]到施工工期和現(xiàn)場(chǎng)地形條件限制，提出坡腳采用微型組合抗滑樁結(jié)合錨拉式框架梁加固并使用仰斜排水孔的綜合治理措施，具體的滑坡治理工程措施如圖1所示。

圖1 滑坡治理工程措施示意圖

2.1 微型組合抗滑樁

微型樁的布設(shè)形式如圖2所示，靠山側(cè)坡腳處設(shè)置一排微型組合抗滑樁，樁長(zhǎng)17 m，每15根微型樁為一組。每根微型樁由3×25 mm螺紋鋼組成，樁間距650 m×750 mm，樁徑150 mm，每組微型抗滑樁樁頂以承臺(tái)聯(lián)系，承臺(tái)尺寸為3 m×2 m，承臺(tái)間距4 m，共32組，承臺(tái)之間由300 mm厚C25砼擋土板連接。

圖2 微型組合抗滑樁布置示意圖

2.2 錨索框架梁

承臺(tái)之上設(shè)置錨索框架梁，框架梁節(jié)點(diǎn)處設(shè)置一根錨索，錨索為7×15.24 mm的預(yù)應(yīng)力錨索，長(zhǎng)度為17 m，錨固段長(zhǎng)度為8 m。

2.3 仰斜排水孔

3 治理方案分析

該滑坡治理中采用了多種加固措施，設(shè)置在巖土體上的加固結(jié)構(gòu)與滑坡巖土體共同構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的抗滑體系。為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，本文只分析微型組合抗滑樁對(duì)滑坡的加固效果及其加固原理。

3.1 壓力注漿

通過(guò)微型樁鉆孔進(jìn)行壓力注漿能夠有效地改善滑體及滑動(dòng)面巖土體物理力學(xué)性質(zhì)。該滑坡為礫巖順層滑坡，巖體破碎，節(jié)理發(fā)育。當(dāng)進(jìn)行壓力注漿時(shí)，漿液在壓力水頭作用下通過(guò)滲透、充填、擠壓、粘聚等形式進(jìn)入巖體節(jié)理裂隙和滑坡滑面，包裹裂隙充填物并與之發(fā)生膠結(jié)作用，形成新的具有更高強(qiáng)度的膠結(jié)體，增強(qiáng)了裂隙介質(zhì)的強(qiáng)度和剛度;同時(shí)漿液與節(jié)理裂隙上、下盤(pán)巖體以及滑床與滑體巖體發(fā)生膠結(jié)作用，增加了破碎巖體的完整性，從而提高了滑體巖體的整體強(qiáng)度以及滑面的抗滑力。與此同時(shí)，進(jìn)入節(jié)理裂隙以及滑面的漿液與裂隙水發(fā)生水化反應(yīng)，也進(jìn)一步阻塞了地表水入滲的通道。

壓力注漿對(duì)巖土體的改性效果可以通過(guò)粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ的變化值反映出來(lái)，張友葩等[8]人研究了注漿對(duì)巖土體c、φ值改變程度，設(shè)注漿對(duì)巖土體粘聚力和內(nèi)摩擦角的提高值分別為Δc和Δφ，則由計(jì)算得出:

式中:η——漿液注入率，即注入漿液與巖體體積之比;cg、cs——分別為注漿體和巖土體的粘聚力;φg、φs——分別為注漿體和巖土體的內(nèi)摩擦角;kc、kφ——分別為巖土體與漿液相互作用而引起粘聚力和內(nèi)摩擦角變化的系數(shù)，可由室內(nèi)試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試獲得。

由此可計(jì)算出注漿后土體的實(shí)際屈服函數(shù)，并可計(jì)算出巖土體的屈服包絡(luò)線(如圖3所示)。圖3可以反映出，巖土體介質(zhì)經(jīng)過(guò)注漿作用后，其粘聚力和內(nèi)摩擦角都會(huì)有不同程度的提高，其中粘聚力的提高幅度較大。在注漿過(guò)程中，漿液可以通過(guò)滲透、壓密、劈裂以及與巖土體的相互作用，改善巖土體的性能，較大程度地提高巖土體的自穩(wěn)定能力。

圖3 Mohr－Coulomb屈服準(zhǔn)則

此外，施工過(guò)程中使用良好的注漿工藝是保證注漿效果的關(guān)鍵，本工程嚴(yán)格按照如下步驟施工:鉆孔—清孔—下鋼筋籠—封孔—注漿。

3.2 微型組合抗滑樁樁土效應(yīng)分析

馮君等[6]將常用的微型樁布置結(jié)構(gòu)分為如下3類:獨(dú)立微型樁體系，平面剛架微型樁體系，空間剛架微型樁體系。現(xiàn)有研究表明，空間剛架微型樁體系對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下的滑坡治理效果更好。該滑坡治理方案中采用了微型樁橫縱按3 m×5 m布置的空間桁架微型樁體系，樁頂采用矩形承臺(tái)連接為一體。同時(shí)考慮，組合樁注入漿液將樁體與樁周巖土體連接為一體，從而形成一種樁與樁間被加固巖土體的復(fù)合型結(jié)構(gòu)，這種復(fù)合型結(jié)構(gòu)對(duì)滑坡的加固效果遠(yuǎn)大于微型樁之間簡(jiǎn)單的疊加，在承受水平荷載時(shí)，樁與巖土體共同作用抵抗剪切和彎曲，每根樁的性能和同樣條件下的獨(dú)立單樁的性質(zhì)是不一樣的，這就是樁－土(巖)效應(yīng)。

這種考慮注漿連接效應(yīng)的空間剛架微型樁體系對(duì)滑坡的治理效果是很顯著的，但是由于目前對(duì)這種綜合體系作用機(jī)理及作用效果的定量研究開(kāi)展緩慢，常采用等效截面法進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，無(wú)法最大限度地發(fā)揮這種綜合體系的作用，造成不同程度的浪費(fèi)。因此，微型組合抗滑樁治理滑坡的理論研究亟待迅速開(kāi)展，以便為設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

3.3 抗剪穩(wěn)定性驗(yàn)算

本文按滑面抗剪條件對(duì)滑坡治理后的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算[9]，微型樁僅有鋼筋提供的抗滑力可按式(3)計(jì)算:

式中:n——微型樁的數(shù)量;[τ]——微型樁鋼筋抗剪強(qiáng)度，普通鋼材的抗拉強(qiáng)度為300 MPa，其對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度根據(jù)有關(guān)理論可取120 MPa;A——鋼筋的截面積(3×25 mm鋼筋的截面積為1473 mm2)。

對(duì)于由15根微型樁組成的組合抗滑樁，即可由式(3)得出F1=2651 kN。組合樁間距為4 m，分布在每米上的抗剪力為663 kN，可以滿足該滑坡治理需求。

4 施工技術(shù)

本工程的施工順序?yàn)?微型組合抗滑樁→錨索→框架梁→仰斜排水孔。當(dāng)微型樁完成大部分工程量后可以并行其余的工程措施。

先采用跳排方法施工坡腳的微型組合抗滑樁。施工工藝為鉆進(jìn)取土成孔→清孔撈渣→下鋼筋籠→下注漿管并進(jìn)行注漿→孔口溢出濃漿后可填土(邊投邊振搗)→填土至孔成樁結(jié)束，施工應(yīng)由中間向兩側(cè)展開(kāi)。微型樁施工還應(yīng)注意以下施工技術(shù)要求:

(1)微型樁樁位測(cè)放應(yīng)準(zhǔn)確，偏差不得超過(guò)±10 cm?？紤]沉渣的影響，鉆孔實(shí)際深度大于設(shè)計(jì)深度0.3 m。

(2)微型樁采用干鉆成孔，禁止水鉆成孔，成孔直徑≮150 mm。

(3)微型樁孔內(nèi)注灰砂比為1∶1(水灰比為0.4～0.5)水泥砂漿，注漿體強(qiáng)度≮20 MPa。

(4)注漿采用從孔底到孔口返漿式注漿，壓力不低于0.4～0.7 MPa，以確?？變?nèi)漿液飽滿。并注意二次補(bǔ)漿回灌。

(5)微型樁深度按進(jìn)入基巖下不小于6 m為宜，每段微型樁施工中，至少按2～3孔取心或出渣，對(duì)地層變化、軟弱帶及基巖面深度作現(xiàn)場(chǎng)編錄，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)微型樁深度能否達(dá)到要求，并及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整。

(6)建議選擇經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)員，在施工中做好地質(zhì)編錄等工作。

(7)15根微型樁為一組合抗滑樁，其頂部做C25鋼筋混凝土承臺(tái)。承臺(tái)尺寸3 m×2 m，微型樁頂部嵌入承臺(tái)長(zhǎng)度不小于承臺(tái)厚度的80%。

5 治理效果

本工程竣工后已經(jīng)歷了2個(gè)雨季的考驗(yàn)，經(jīng)過(guò)后期監(jiān)測(cè)表明，滑坡穩(wěn)定性良好，達(dá)到了預(yù)期的治理效果，說(shuō)明本工程采取的治理方案是可行的和有效的。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)本工程實(shí)踐表明，與傳統(tǒng)大型抗滑樁相比，微型樁施工便利、治理滑坡效果明顯且經(jīng)濟(jì)效益顯著。良好的治理效果主要取決于壓力注漿帶來(lái)的巖土體自身穩(wěn)定性的提高和微型組合抗滑樁鋼架結(jié)構(gòu)結(jié)合樁間土形成的樁土體系。

(2)目前微型樁的理論研究已遠(yuǎn)滯后于工程應(yīng)用，致使設(shè)計(jì)中無(wú)規(guī)范參考，使用等效截面法設(shè)計(jì)無(wú)法最大限度地發(fā)揮微型樁體系的作用，同時(shí)造成材料的浪費(fèi)。因此，微型樁治理滑坡的理論研究亟待迅速開(kāi)展，以便為設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

[1] 劉衛(wèi)民，趙冬，蔡慶娥，等.微型樁擋墻在滑坡治理工程中的應(yīng)用[J].巖土工程界，2007，10(2):54 －56.

[2] 朱寶龍，胡厚田，張玉芳，等.鋼管壓力注漿型抗滑擋墻在京珠高速公路K108滑坡治理中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(2):399 －406.

[3] KEVIN W CARGILL，STEPHE L DIMINO，etc.Tied-back micropile walls in landslide repair[C].Deep Foundations Institute Annual Conference on Deep Foundations，Washington DC:[s.n.]，2006.

[4] 龔健，陳仁朋，陳云敏，等.微型樁原型水平荷載試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(20):3541－3546.

[5] ANDREW Z BOECKMANN.Load transfer in micropiles for slope stabilization from test of large-scale physical models[Z].Columbia:University of Missouri-Columbia，2006.

[6] 馮君，周德培，江南，等.微型樁體系加固順層巖質(zhì)邊坡的內(nèi)力計(jì)算模式[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(2):284 －288.

[7] 陳喜昌，石勝偉.小口徑鉆孔組合樁的理論研究與應(yīng)用前景[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2002，13(3):82 －85.

[8] 張友葩，吳順川，方祖烈.土體注漿后的性能分析[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，26(3):240 －243.

[9] 蔣楚生，周德培.微型樁抗滑復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論探討[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2009，(2):39－42.