基于不均勻系數(shù)法的邊坡加固微型樁設(shè)計(jì)

董崇澤

(山西能源學(xué)院)

基于不均勻系數(shù)法的邊坡加固微型樁設(shè)計(jì)

董崇澤

(山西能源學(xué)院)

通過分析某邊坡工程地質(zhì)條件，提出微型樁+重力式擋土墻的支護(hù)加固變更方案。采用不均勻系數(shù)法設(shè)計(jì)微型樁，充分利用微型樁的豎向及水平承載能力加固平臺地基，有效解決邊坡的失穩(wěn)問題，為類似邊坡加固工程提供了參考。

邊坡加固 不均勻系數(shù)法 微型樁 豎向承載力

微型樁是一種小直徑樁，一般直徑或邊長小于300 mm，樁長小于30 m[1]，早期主要用于地基加固，隨著應(yīng)用的廣泛和技術(shù)的成熟，近年來其在邊坡加固和滑坡防治工程中，特別在滑坡?lián)岆U(xiǎn)應(yīng)急中應(yīng)用越來越多。微型樁施工機(jī)具小，適用于狹窄的施工作業(yè)區(qū)；土質(zhì)邊坡適用性強(qiáng)；施工擾動小；施工速度快，用于搶險(xiǎn)工程具有高效、快速的特點(diǎn)；且樁位布置靈活，可以布置在坡面、平臺或坡腳。由于其豎向承載力較高的特點(diǎn)，在邊坡治理工程中還可以起到地基加固的作用。

雖然微型樁在邊坡治理工程中的應(yīng)用越來越廣泛，但是由于微型樁與其周圍巖土體之間的作用機(jī)理較復(fù)雜，至今還沒有形成比較統(tǒng)一的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，在一定程度上制約了微型樁的推廣應(yīng)用[2]。早在 1978 年，意大利人F·Lizzi采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)樹根樁的設(shè)計(jì)方法治理邊坡，但微型樁的設(shè)計(jì)計(jì)算在相當(dāng)?shù)某潭壬先砸越?jīng)驗(yàn)與直觀判斷為主，沒有形成完整的體系。此后許多專家學(xué)者對微型樁的設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行了研究，并提出了一些設(shè)計(jì)方法。目前國外的微型樁設(shè)計(jì)計(jì)算方法主要有等效截面法、極限平衡法、“P-y”曲線法及軟件法等，國內(nèi)應(yīng)用較多的主要有等效抗彎剛度法、彈性地基梁法及不均勻系數(shù)法。其中不均勻系數(shù)法是一種基于微型樁大型物理模型試驗(yàn)的簡化計(jì)算方法，即在巖質(zhì)滑坡中，鋼筋的主要作用是抗剪；而在土質(zhì)滑坡中，鋼筋在樁身開裂之前主要作用是抗彎剪，各排樁的滑坡推力可以使用不均勻分配系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并且根據(jù)樁的抗剪或抗彎強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算[3]。

某邊坡位于黃土梁狀丘陵區(qū)，區(qū)內(nèi)地表多為厚層黃土覆蓋，黃土地貌發(fā)育，溝壑縱橫，塬梁連綿，溝谷切割深度大。隨著人類工程活動加劇，居民房屋沿坡頂修建，大量建筑垃圾、生活垃圾沿坡面傾倒，城市生活污水長期沖刷坡體，加劇邊坡失穩(wěn)，嚴(yán)重威脅著周邊區(qū)域人民生命財(cái)產(chǎn)安全。為此，在加固邊坡過程中采用不均勻系數(shù)法設(shè)計(jì)計(jì)算微型樁以保證工程效果。

1 工程概況

該邊坡原設(shè)計(jì)采用回填反壓+格構(gòu)護(hù)坡的方法進(jìn)行治理(圖1)，自下而上共設(shè)計(jì)9級邊坡，設(shè)計(jì)單級坡高8 m，坡率為1∶1.25，由于施工后期地形地貌發(fā)生較大變化，施工到第八級平臺時(shí)，已不具備回填條件，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度，故建設(shè)方提出對第九級邊坡進(jìn)行變更設(shè)計(jì)。該邊坡寬約73 m，平均高7.5 m，坡度為65°～70°。

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告提供的地質(zhì)資料，邊坡巖性從上至下為填土、粉土，其主要特征如下：

(1)填土分雜填土和素填土，雜填土由早期和近期的建筑垃圾土和不斷堆積的生活垃圾土組成，該層填土厚1～8.5 m，一般為灰黃色或灰褐色，稍濕—中濕，松散—稍密，固結(jié)性差，極易發(fā)生沉陷變形。素填土一部分為早期城市建設(shè)產(chǎn)生的棄土，堆填時(shí)間一般超過10 a，呈褐黃色，主要成分為粉土、粉質(zhì)黏土，偶爾有建筑垃圾或生活垃圾，稍濕，稍密，欠固結(jié)，該層填土厚1.7～9.5 m，為壓實(shí)填土，密實(shí)度較好，較濕；另一部分為前期工程治理壓實(shí)回填土，經(jīng)現(xiàn)場檢測壓實(shí)度平均約96.2%，基本達(dá)到原設(shè)計(jì)要求。

(2)粉土為黃褐色，稍濕，稍密，該層未穿透，鉆孔揭露深度內(nèi)最大厚度為7.6 m。工程地質(zhì)剖面圖見圖2。

圖1 治理工程平面(單位：mm)

圖2 工程地質(zhì)剖面

2 變更方案設(shè)計(jì)

根據(jù)勘查結(jié)果，采用傳遞系數(shù)法對現(xiàn)有填方邊坡進(jìn)行了整體穩(wěn)定性驗(yàn)算，發(fā)現(xiàn)邊坡在天然狀態(tài)下，其穩(wěn)定系數(shù)為1.323，處于穩(wěn)定狀態(tài)，在飽水狀態(tài)下，其穩(wěn)定系數(shù)為1.003，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，需要進(jìn)行工程治理。從各塊段的穩(wěn)定系數(shù)來看，第九級平臺以上穩(wěn)定系數(shù)在0.340～0.358，塊段以下滑力為主，平臺以下穩(wěn)定系數(shù)在0.752～1.003，塊段以抗滑力為主，因此，在第九級平臺上布設(shè)支擋工程是可行的。

2.1 變更設(shè)計(jì)考慮的主要因素

(1)該邊坡的治理必須是永久性的，采用的方案應(yīng)具有較高的承載能力和控制變形能力。

(2)邊坡坡頂現(xiàn)有建筑物及道路需要保留，基本不具備放坡條件。

(3)治理坡段以雜填土為主，厚度較大，固結(jié)性差，地基承載力低，簡單的換填難以處理。

(4)邊坡目前整體較穩(wěn)定，若增加支擋工程應(yīng)確保邊坡整體穩(wěn)定性。

(5)平臺平均寬約4.5 m，大型機(jī)械施工難度大。

2.2 主要設(shè)計(jì)思路

根據(jù)邊坡實(shí)際情況及設(shè)計(jì)考慮因素，提出在平臺處采用微型樁+重力式擋土墻的方案支護(hù)該坡段。該方案充分利用了微型樁的豎向承載能力，加固平臺地基；同時(shí)利用水平承載能力對第九級邊坡起到抗滑移的作用，確保邊坡的整體穩(wěn)定性。在加固后的平臺地基上，設(shè)置重力式擋土墻，用于抵抗置換回填后的碎石土壓力，采用鋼筋混凝土擴(kuò)展基礎(chǔ)，并與微型樁連接形成樁基礎(chǔ)，最終形成微型樁和重力式擋土墻一體化支擋結(jié)構(gòu)。工程布置示意見圖3。

圖3 工程布置示意

3 微型樁設(shè)計(jì)

3.1 鋼筋平均面積計(jì)算

采用傳遞系數(shù)法計(jì)算設(shè)樁位置處的推力[4]，當(dāng)安全系數(shù)取1.1時(shí)，設(shè)樁處的推力為666 kN/m，設(shè)樁位置以下剩余抗滑力為0。樁間距取0.8 m，根據(jù)平臺寬度設(shè)置3排樁，梅花形布置。鋼筋選用HRB400，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fs=360 N/mm2。該工程屬永久工程，取安全系數(shù)Ks=1.8。

計(jì)算每根樁所應(yīng)配置的鋼筋平均截面面積:

(1)

式中，As為鋼筋平均截面面積，mm2；Ks為安全系數(shù)；Tn為推力，kN/m；a為樁間距,m；n為樁的排數(shù)；fs為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2。

計(jì)算得出應(yīng)配置的鋼筋平均截面面積為888 mm2。

3.2 調(diào)整后的鋼筋面積計(jì)算

查取黃土滑坡中群樁推力的不均勻分配系數(shù)(表1)，求出調(diào)整后的鋼筋面積Asi和配筋量。

表1 黃土滑坡中群樁推力的不均勻系數(shù)分配表[5]

每排樁調(diào)整后的鋼筋面積為[5]

(2)

式中，Asi為調(diào)整后的鋼筋面積，mm2；As為鋼筋平均截面面積，mm2；η為不均勻系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算各排樁調(diào)整后的截面面積分別為第一排樁1 243.2 mm2,配3根φ25 mm鋼筋；第二排樁888 mm2,配3根φ20 mm鋼筋；第三排樁444 mm2,配3根φ14 mm鋼筋。

3.3 計(jì)算樁長

微型樁位于滑面以上的部分為受荷段，其長度等于設(shè)樁處的滑體厚度；其位于滑面以下部分為嵌固段，嵌固段應(yīng)有一定的長度，確保微型樁與土體之間的黏結(jié)以及鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)，按下式計(jì)算：

(3)

式中，K為安全系數(shù)，屬危害較大，取2.0；D為樁徑，200 mm；qt為水泥結(jié)石體與巖土孔壁間的黏結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取0.15 MPa；其他符號意義同前。

由式(3)計(jì)算得出Lq=6.79 m，受荷段為10.18 m，微型樁長17 m，采用3根鋼筋綁扎成鋼筋束通長配筋。為保證每根樁受力更均勻,樁頂采用鋼筋混凝土板進(jìn)行連接(作用與連系梁相同)，同時(shí)連接后的樁與板視為樁基礎(chǔ)，可作為上部擋土墻基礎(chǔ)。

3.4 參數(shù)設(shè)計(jì)

在實(shí)際的計(jì)算中，樁間距和排數(shù)并非一次計(jì)算就能確定，因?yàn)楫?dāng)微型樁長度過大時(shí)，樁身與巖土體的黏結(jié)力會隨著滑面距離的增加而急劇衰減，距離滑面較遠(yuǎn)的樁身無法充分發(fā)揮作用，這時(shí)則可通過調(diào)整樁間距和排數(shù)來達(dá)到調(diào)整滑體中樁長的目的。樁間距建議可按樁徑的3～10倍進(jìn)行調(diào)整(視巖土條件而定)，樁的排數(shù)以3～5排為宜。

4 微型樁施工

微型樁施工步驟：測量放線微型樁定位→鉆機(jī)就位干作業(yè)鉆孔→清洗鉆孔→鋼筋籠制作→安裝下放鋼筋籠→下放導(dǎo)管→灌注混凝土→拔出導(dǎo)管。

本次微型樁樁孔采用螺旋鉆機(jī)干作業(yè)成孔，成孔后采用夯錘夯實(shí)孔底,清孔處理。成孔完畢，放入鋼筋籠，采用孔底反漿法注漿，要求混凝土必須具備良好的和易性，配合比通過試驗(yàn)確定，坍落度應(yīng)為180～220 mm；水泥用量不應(yīng)小于360 kg/m3；混凝土含砂量宜為40%～50%，并宜選用粗砂；粗骨料的最大粒徑應(yīng)小于40 mm。注漿完畢，拔出導(dǎo)管。

5 結(jié) 論

邊坡治理規(guī)模不大、施工作業(yè)區(qū)狹窄且需要進(jìn)行支擋工程時(shí)，可考慮采用微型樁支擋。在松軟地層治理邊坡，可充分利用微型樁的豎向及水平承載能力，除了抗滑性能外，其地基加固的優(yōu)點(diǎn)也很顯著。微型樁的設(shè)計(jì)是一個(gè)優(yōu)化調(diào)整過程，應(yīng)充分考慮樁間距、樁長、排數(shù)及樁徑的大小，使用不均勻系數(shù)法能夠取得最優(yōu)設(shè)計(jì)值。

[1] 劉 續(xù).注漿微型樁加固邊坡計(jì)算方法探討[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì),2015(1):69-71.

[2] 龔國華,覃京音，黃 非.關(guān)于抗滑樁與巖土體相互作用研究的機(jī)理探討[J].礦產(chǎn)與地質(zhì),2012,26(3):260-264.

[3] 門玉明，韓冬冬，楊 覓，等.關(guān)于滑坡防治微型樁設(shè)計(jì)中幾個(gè)問題的探討[G]∥范立民.陜西環(huán)境地質(zhì)研究—2014年陜西省地質(zhì)災(zāi)防治學(xué)術(shù)研討會論文集.北京：中國地質(zhì)出版社，2014：90-93.

[4] 重慶市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會.GB 50330—2013 建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[5] 閆金凱，門玉明.基于模型試驗(yàn)的滑坡防治微型樁設(shè)計(jì)方法[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2012,20(3):355-361.

2016-10-25)

董崇澤(1968—)，男，高級工程師，030600 山西省晉中市榆次區(qū)大學(xué)街63號。