高壓旋噴樁在處理軟土滑坡中的運用

胡顯明

(四川省交通運輸廳公路規(guī)劃勘察設計研究院，四川 成都 610041)

0 引言

軟土滑坡指主要發(fā)育于軟弱土層中的滑坡，由于軟弱土層（如軟粘土、淤泥質土、淤泥、泥巖質土等）具有天然含水量大、壓縮性高、承載力低和抗剪強度很低等特點，主要由沖洪積、湖積等形成，一般呈軟塑～流塑狀態(tài)，一般軟土地區(qū)地形較為平緩，難以形成以典型斜坡發(fā)育的滑坡形式，但由于工程建設的發(fā)展，存在大量挖填方等對平緩地區(qū)的軟土進行加載，從而形成軟土滑坡災害。該類滑坡由于其支擋結構持力層形成差，難以實施抗滑樁、擋墻等剛性支擋，從而選擇以提高滑帶土抗剪強度為主的處治措施。高壓噴射注漿法是利用工程鉆機成孔，將旋噴注漿管置于預計的加固深度，通過旋轉并提升注漿管，將預先制備好的水泥、水玻璃等材料作為主固化劑的漿液或水、空氣，通過高壓發(fā)生設備產生的一定壓力，從噴嘴中噴射出來，沖切、擾動、破壞土體，把土粒和漿液強制拌和，漿液凝固后在土中形成一個固結體，即旋噴樁。它具有增大土體強度、提高土體承載力和抗剪強度、降低土的含水量等作用，主要適用于處理淤泥、淤泥質土、粘性土、粉土、黃土等土體，對軟土滑坡處理具有較好的實用性。

1 滑坡工程概況

某高速公路棄土場位于川東北低山淺丘地貌區(qū)，場地選在一處第四系沖洪積形成的山間谷地，堆填區(qū)地表起伏較小，以水田、魚塘為主，地表水較為發(fā)育，主要為服務區(qū)場平棄土場地，集中棄土時間為2014年10～12月，堆填高約14m，總棄方量約20萬方。2015年8月，在雨季連日暴雨作用下，棄土場西側臨空錐坡出現滑坡災害，危及坡腳機耕道及道路內側燃氣管線的安全，需采取處治措施。

圖1 滑坡全貌圖

據勘察，滑坡變形范圍區(qū)棄填土厚 4.4～13.5m，填料以粘土、泥巖強風化碎（塊）石構成，成分較雜，結構松散，透水性較好。下伏地基土為軟粘土，分布厚度3.0～14.0m，其天然含水量近于飽和，以可塑～軟塑狀為主，少量呈流塑狀，具壓縮性大、承載力低的特點。其中：中等壓縮性軟粘土廣泛分布于棄填土下，揭露厚度3.0～7.8m，天然含水量21.4～26.4%，孔隙比0.63～0.79，液性指數0.56～0.77，壓縮系數0.2～0.31 MPa-1，允許承載力120kPa；高壓縮性粘土分布于場地中部中壓縮性粘土層之下，揭露厚度 5.5～7.3m，天然含水量 30.5～41.9%，孔隙比0.89～1.18，液性指數0.78～1.02，壓縮系數0.59～0.82MPa-1，允許承載力70kPa。

圖2 滑坡地層結構特征

2 滑坡變形特征及成因分析

在2015年7月～8月的連日暴雨作用下，位于棄土場西側邊坡發(fā)生沉降、滑移變形，在坡體及堆頂發(fā)育多條裂縫，坡腳機耕道出現鼓脹裂縫，中間段道路外側魚塘地面發(fā)生隆起等變形破壞跡象，且發(fā)展迅速；在 8月強降雨后，該處坡體繼續(xù)發(fā)生變形，坡體裂縫密布，其中坡頂和坡體出現兩條橫向貫通裂縫，裂縫寬約3～10cm，局部下錯達到30cm，橫向分別延伸30和50m；兩側出現多條羽狀剪切裂縫，變形區(qū)具顯著的圈椅狀特征。該滑坡變形縱向長約53m，橫向寬約94m，平均厚約8.5m，總方量約5.0萬方。

根據地表宏觀變形破壞跡象，可將變形體分為強變形區(qū)與中等變形區(qū)（見圖3），其中：①強變形區(qū)位于坡體橫向裂縫嚴重下沉段（裂縫下錯 15～30cm），其對應坡腳魚塘產生隆起，隆起高1.0～1.5m；坡腳護腳墻與機耕道上縱向裂縫密布，一般寬0.5～5cm，局部裂縫寬達15cm，裂縫密度1條/1～3m，鉆孔揭露該區(qū)域下伏地基土存在厚5.5～7.3m的高壓縮性粘土，其壓縮性高、承載力極底。該區(qū)域各宏觀變形跡象在7月底至9月初間均在發(fā)展，8月29日至9月8日觀測的平均下沉速率達 2.0cm/天。②中等變形區(qū)域位于強變形區(qū)兩側區(qū)域，其坡體未見下錯裂縫，僅坡頂分布橫向裂縫，機耕道及護腳墻上縱向裂縫較發(fā)育，裂縫寬約 0.1～3.0cm，裂縫密度 1條/5～10m，機耕道外側魚塘未見明顯隆起，鉆孔揭露該變形區(qū)域下伏地基土為中壓縮性粘土，其壓縮性較高、承載力較低，宏觀變形跡象未見顯著擴展。

上述變形特征表明，該棄土場變形是有降雨誘發(fā)的滑坡災害，且坡體宏觀變形發(fā)育程度與棄土場下伏地基土性質相關，表現為強變形區(qū)下伏分布厚5.5～7.3m、呈軟塑～流塑狀態(tài)的高壓縮性軟粘土，中等變形區(qū)下伏分布厚度較大的可塑～軟塑狀態(tài)的中等縮性軟粘土。

因此，棄土場地基土層性質是上覆滑坡變形發(fā)育的主要控制因素。其變形機理為：受棄土堆填的加載，下伏軟土地基土在豎向壓力作用下，因其承載力、抗剪強度不足，地基土受力破壞，出現顯著的沉降變形，并在荷載作用下向側方臨空區(qū)產生擠壓變形，引起上覆棄土體及坡機耕道產生橫向位移變形，最終在魚塘內形成隆起，進行形成滑坡災害（見圖3）。

圖3 滑坡變形分區(qū)

3 滑坡治理方案及效果評價

3.1 治理方案對比分析

根據該棄土場滑坡的形成機理，擬采用四個方案對其進行處治，就各方案的具體措施及優(yōu)缺點論述、對比見表1。

表1 某高速公路棄土場軟土滑坡治理方案分析

從經濟與技術性方面分析清方減載為最優(yōu)方案，但因該方案涉及到無法新增棄土場的問題，無法實施。故綜合分析后，高壓旋噴樁加固地基方案最為合理可行。

3.2 處治設計

根據滑坡變形機理和治理方案，擬通過有效的提高下伏地基土承載力和抗剪能力，最大程度將上覆填土自重傳遞到基巖之上，控制土體橫向變形，達到治理的效果。設計采用高壓旋噴樁技術提高地基土強度。

（1）樁型選擇

根據地基土性質，旋噴段樁徑取為0.5m，長度根據中、高壓縮性土的土層厚度取為4.0～14.0m。旋噴漿液水灰比：1：1，采用強度等級為42.5級的普通硅酸鹽水泥，水泥用量380kg/m，適當添加水玻璃或氯化鈣等早強、速凝劑，旋噴樁樁體7d后抗壓強度不小于1.5MPa，28d后抗壓強度不小于5MPa。

（2）單樁承載力

旋噴樁單樁承載力按下式的經驗公式計算：

式中：

up——樁的周長（m）；

qsi——樁周土側阻力特征值（kPa）；

lpi——樁長范圍內第i層土的厚度（m）；

αp——樁端端阻力發(fā)揮系數；

qP——樁端承載力特征值（kPa），可采用承載力允許值。

fspa——地基處理后的復合地基承載力修正值（kPa），可取該處設計豎向荷載值Q進行試算。

根據樁身材料要求，（1）式計算出的單樁承載力需滿足以下兩式：

由于下伏基巖承載力較好，旋噴樁單樁承載力主要受控于樁身強度，其中：位于中壓縮性粘土層中的旋噴樁單樁承載力為 545.42kN；位于高壓縮性粘土層中的旋噴樁，根據填土厚度不同承載力在393.07～482.77kN之間。

（3）樁間距

由于處理后的修正地基承載力需大于上覆荷載，因此根據 fspa≥Q，可計算旋噴樁樁間距。其中：

式中：

fspa——復合地基承載力修正值（kPa）；

fspk——為復合地基承載力特征值（kPa）；

d——為上覆土層厚度（m）。

fspk按下式計算：

式中：

λ——單樁承載力發(fā)揮系數；

Ra——單樁豎向承載力特征值（kPa）；

Ap——樁的截面積（m2）；

β——樁間土承載力發(fā)揮系數；

m——為面積置換率，m=(πd2/4)/s2，s為按矩形布置的樁間距（m）；

fsk——為樁間土地基承載力特征值。

旋噴樁樁間距計算結果見下表：

表2 旋噴樁處理樁間距計算結果表

3.3 治理效果評價

根據處治原理，對地基土承載力進行驗算，結果見表3，處理后軟土地基承載力滿足上部荷載要求，達到了處理效果。

表3 滑坡治理后下伏地基承載力驗算結果表

對于治理后的滑坡穩(wěn)定性，采用高壓噴射灌漿固結體和原滑帶土的綜合等效強度參數計算評價。根據極限平衡反算，原滑帶土等效強度參數為c=12.2kPa,φ=3°；旋噴樁加固體抗剪強度取 c=0.3MPa，φ=20°，在滑坡主斷面范圍內共計16根旋噴樁，綜合樁間距為2.2m，采用處理面積等效，估算其綜合等效抗剪強度為：c=24.65kPa，φ=3.75°，采用極限平衡法計算得出處理后滑坡穩(wěn)定系數為1.45，滿足安全等級要求。

4 結論

(1)某高速公路棄土場，受棄土堆填的加載，下伏軟土地基土在豎向壓力作用下，因其承載力、抗剪強度不足，地基土受力破壞，出現顯著的沉降變形，并在荷載作用下向側方臨空區(qū)產生擠壓變形，引起上覆棄土體及坡機耕道產生橫向位移變形，進行形成滑坡災害。

(2)軟土滑坡受力學性質差、含水量高等特性，傳統(tǒng)抗滑樁、擋墻等以剛性支擋為主的工程措施難以實施，利用柔性高壓旋噴樁有效的提高下伏地基土承載力和抗剪能力，最大程度將上覆填土自重傳遞到基巖之上，控制土體橫向變形，達到治理效果。