在役高速公路深厚軟基滑移病害微型樁處治分析

顧紹付，劉維正，石志國(guó)，徐林榮

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410075；2.蘇交科集團(tuán)廣東檢測(cè)認(rèn)證有限公司，廣州 510800)

中國(guó)沿江、沿海地區(qū)廣泛分布著含水率高、孔隙比大、強(qiáng)度低、壓縮性高、滲透性低的軟土，這些地區(qū)同時(shí)也是高速交通密集建設(shè)區(qū)。部分開通運(yùn)營(yíng)的高速公路由于建設(shè)期地基處理措施針對(duì)性不強(qiáng)、運(yùn)營(yíng)期周邊環(huán)境擾動(dòng)與交通荷載作用，加上軟土顯著的蠕變性和觸變性，先后出現(xiàn)不同程度病害：過渡段不均勻沉降[1-2]、局部失穩(wěn)沉陷[3]、側(cè)向滑移破壞[4-7]等，嚴(yán)重影響運(yùn)營(yíng)安全。因此，采取合理、有效和快速的方法對(duì)在役高速公路軟基病害進(jìn)行處治尤為重要。

針對(duì)路基不均勻沉降問題，呂若冰等[8]提出高壓旋噴樁可有效處治高速公路不均勻沉降；王安輝等[9]提出側(cè)向輻射注漿技術(shù)并成功應(yīng)用于連鹽高速路基不均勻沉降處治；徐前衛(wèi)等[10]在高速鐵路中采用注漿技術(shù)進(jìn)行差異沉降處理。針對(duì)路基局部失穩(wěn)沉陷，李文等[11]在填方段和挖方段采用不同的花管注漿處治措施，張淼[12]提出采用豎向和水平向花管注漿結(jié)合的方法處治高速公路沉陷。針對(duì)路基側(cè)向滑移破壞，荊偉偉等[13]利用反壓護(hù)道的方式解決低矮路堤滑移問題；董志勇等[14]采用“開挖回填+CFG樁+反壓護(hù)道”方案處治高速公路軟基路堤大面積側(cè)向滑移問題。然而，在受到現(xiàn)場(chǎng)施工條件和工期要求限制時(shí)，上述方法并不適用。

本文依托某沿海高速公路軟基加固搶險(xiǎn)工程，基于其滑移病害特點(diǎn)，提出采用帶連系梁微型樁快速處治在役高速公路深厚軟基失穩(wěn)的方法，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)證實(shí)了該方法合理有效，采用Plaxis 3D軟件建立實(shí)際工程數(shù)值分析模型，分析軟基滑移病害微型樁處治效果，并研究不同因素對(duì)深厚軟基水平位移的影響。

1 工程概況及病害分析

1.1 工程概況

開陽高速公路于2003年9月建成通車，2004年9月路面出現(xiàn)裂縫。本文依托的軟基病害段K3202+577～K3202+640，位于路基左幅，路堤填高為6.5～7.0 m，軟土厚度最深處達(dá)7.2 m，建設(shè)期采用淺層換填60 cm厚砂層進(jìn)行處理。該段路面在2005年—2007年多次加鋪，仍產(chǎn)生較嚴(yán)重的工后沉降，于2008年采用孔徑89 mm、間距2.5 m的鋼花管注漿進(jìn)行加固處治。但在2013年10月，路面出現(xiàn)了連通的弧形裂縫，路基呈現(xiàn)側(cè)向滑移趨勢(shì)。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)2007年補(bǔ)充勘察的3個(gè)鉆孔，該病害路段內(nèi)主要土層有以下幾種。路基填土：褐紅色，呈粘黏土及夾碎塊，厚6.5～7.0 m；粉質(zhì)黏土：黃褐色，黏性較好，硬塑狀，厚1.3～2.0 m；淤泥：灰黑色，飽和，軟塑～流塑狀，富含有機(jī)質(zhì)，含量為5.9%～35.6%，平均為18.1%；淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：灰黑色，軟塑，含大量有機(jī)質(zhì)。病害路段地質(zhì)縱剖面圖如圖1所示。

圖2為K3202+610斷面坡腳處水平位移、兩處路表工后沉降的歷時(shí)曲線。從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果可看出，截至2013年10月，累計(jì)水平位移已達(dá)105 mm，其中，5月至10月變形速率更是達(dá)到8.8 mm/月；路表工后沉降逐年增加，并呈現(xiàn)繼續(xù)增加的趨勢(shì)，且存在較大的橫向差異沉降。造成該段路基反復(fù)出現(xiàn)病害的原因是：1)路基底存在厚達(dá)7.2 m的淤泥層，其含水率和孔隙比高、滲透性極低、有機(jī)質(zhì)含量高、壓縮性大，固結(jié)與次固結(jié)歷時(shí)長(zhǎng)； 2)路堤填高達(dá)到6.5 m，且建設(shè)期僅采用淺層換填的方式處理，地基屈服強(qiáng)度低，導(dǎo)致在較大附加荷載下，固結(jié)沉降與殘余變形大。軟土強(qiáng)度低、路基荷載大和地基處理措施弱導(dǎo)致過大的工后變形，從而引發(fā)路基深層滑移破壞。

圖1 病害路段地質(zhì)縱剖面圖Fig.1 Geological longitudinal section of the diseased

1.3 病害情況分析

圖2 K3202+610斷面路基工后變形Fig.2 Post construction deformation of K3202+610

2 微型樁滑移處治技術(shù)應(yīng)用

2.1 方案選擇

根據(jù)裂縫分布特征及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，路堤已發(fā)生滑移失穩(wěn)，并處于蠕變、擠壓變形階段。對(duì)軟土路基穩(wěn)定性控制應(yīng)用較多的處理方法有高壓旋噴樁、鋼花管注漿、管樁、CFG樁、微型樁等?？紤]到工程為運(yùn)營(yíng)高速公路，車流量大，施工不能對(duì)路面造成太大破壞，而且路基已處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)，在處理過程中不能對(duì)淤泥層擾動(dòng)過大，選用高壓旋噴樁、管樁、CFG樁均不合適。由于淤泥含水率高，滲透系數(shù)小，加之其具有結(jié)構(gòu)性，灌漿壓力會(huì)擾動(dòng)土體結(jié)構(gòu)，土體強(qiáng)度反而降低，所以，注漿法也不適合淤泥，而且在2008年已證明其處治效果不理想。而微型樁具有施工操作方便、對(duì)行車影響小、樁身抗剪強(qiáng)度高、施工快速且質(zhì)量易控制等優(yōu)點(diǎn)，綜合考慮采用微型樁技術(shù)進(jìn)行滑移病害處治。

2.2 微型樁設(shè)計(jì)

在路基橫斷面不同區(qū)域進(jìn)行針對(duì)性布樁。坡腳外側(cè)為Ⅰ區(qū)，布置兩排樁，樁距、排距均為1.5 m，樁徑300 mm；路基邊坡為Ⅱ區(qū)，布置四排樁，樁距、排距均為1.5 m，樁徑150 mm；路面部位為Ⅲ區(qū)，布置四排樁，二、三排排距為1.8 m，其余樁距、排距均為1.5 m，樁徑150 mm。K3202+610段斷面微型樁布置如圖3所示，各區(qū)域均按梅花形布樁。Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的微型樁均通過縱梁連接，且Ⅰ區(qū)沿縱向每3 m再設(shè)置橫梁，Ⅱ區(qū)設(shè)置斜梁，連系梁截面為正方形，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)連系梁邊長(zhǎng)分別為350 mm和250 mm，連系梁平面布置圖，如圖4所示。

圖3 K3202+610段微型樁布置圖Fig.3 Layout of micropile in K3202+610

圖4 連系梁布置圖

2.3 微型樁施工

2.3.1 鋼筋籠制作安裝 微型樁鋼筋籠制作采用主筋，主筋采用Φ18 mm HRB325螺紋鋼筋，箍筋采用Φ6 mm圓鋼，截面呈三角形，箍筋與主筋采用點(diǎn)焊焊接。Ⅰ、Ⅱ區(qū)鋼筋籠頂部至地面與連系梁相連，Ⅲ區(qū)鋼筋籠頂部進(jìn)入路基填土至路面以下30 cm。

2.3.2 填灌及注漿 鋼筋籠下放完畢后，直接在孔內(nèi)注入水泥漿液，采用32.5R號(hào)普通硅酸鹽水泥。其中，在Ⅰ區(qū)鋼筋籠下放完畢后，要在其中填入10～25 mm粒徑碎石。注漿過程分兩次進(jìn)行，注漿壓力為0.5～1.0 MPa。Ⅲ區(qū)注漿至樁頂即路面標(biāo)高處，Ⅰ、Ⅱ區(qū)在樁頂預(yù)留25 cm不注漿，以便連系梁鋼筋搭接。

2.3.3 連系梁施工 Ⅰ、Ⅱ區(qū)微型樁施工完成后，進(jìn)行連系梁施工，縱梁、橫梁、斜梁鋼筋籠與微型樁樁頂鋼筋籠綁扎搭接后澆筑C25混凝土。鋼筋籠采用4根Φ18 mm HRB325螺紋鋼作主筋，箍筋采用Φ6 mm圓鋼，每20 cm設(shè)置一道箍筋。鋼筋籠截面為正方形，邊長(zhǎng)15 cm。

2.4 處治效果實(shí)測(cè)分析

為觀察微型樁處治效果，在處治路段新設(shè)測(cè)斜管和沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)來觀察路基變形情況，監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖如圖5所示。路基水平位移與沉降，如圖6～圖7所示。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖Fig.5 Layout plan of monitoring

圖6 深層水平位移圖

圖7 路基沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.7 Monitoring resules of subgrade

從圖6(a)可以看出，CX02測(cè)點(diǎn)水平位移最大值出現(xiàn)在上層土體位置，深層水平位移基本在0附近波動(dòng)；微型樁施工完成后，路基水平位移增長(zhǎng)明顯減慢，經(jīng)過21個(gè)月左右，水平位移增長(zhǎng)基本趨于穩(wěn)定，最大水平位移增加不到8 mm。從圖6(b)可以看出，CX01、CX02、CX03測(cè)點(diǎn)在3 m深度水平位移均為正值，即向坡體外側(cè)移動(dòng)，其中，CX02測(cè)點(diǎn)位移值最大，為3.8 mm，而CX04測(cè)點(diǎn)水平位移為負(fù)值，即向坡體內(nèi)側(cè)移動(dòng)。出現(xiàn)這種情況的原因是CX02測(cè)點(diǎn)處淤泥層最厚，CX04測(cè)點(diǎn)處則沒有淤泥層，在上部路堤荷載作用下，淤泥層厚度對(duì)水平位移有明顯影響?？梢钥吹?，使用微型樁后，土體深層水平位移較小，以上分析表明微型樁處治路基滑移效果顯著。

從圖7(a)可以看出，隨著處治時(shí)間的增長(zhǎng)，大部分測(cè)點(diǎn)平均沉降速率逐漸減小，在處治240 d后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均沉降速率幾乎為0，路基沉降基本達(dá)到穩(wěn)定；從圖7(b)可以看到，除了N3和N4測(cè)點(diǎn)外，其余測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降均小于12 mm，其中，N3測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降值最大，最大值也僅27 mm，表明微型樁對(duì)減小路基沉降效果較好。

3 數(shù)值模型建立與驗(yàn)證

3.1 數(shù)值模型建立

選取典型斷面K3202+610，利用大型有限元軟件Plaxis 3D建立三維數(shù)值模型。路面寬27 m，填土高度6.5 m，路堤邊坡比為1∶1.5。由于路基左側(cè)出現(xiàn)滑移，所以，取左側(cè)路基進(jìn)行分析，為消除邊界效應(yīng)的影響，模型寬度取30 m，地基土深度取30 m，沿縱斷面方向取7.5 m。地基土上表面設(shè)為透水邊界，地基底部及兩側(cè)均為不透水邊界，地下水位在地基面以下0.5 m處。模型網(wǎng)格采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元，共生成25 404單元，39 213節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格劃分如圖8所示。

3.2 參數(shù)選取

為準(zhǔn)確模擬路基隨時(shí)間的變形，采用分步施工模擬方法，分為路基填筑、通車運(yùn)營(yíng)和微型樁病害處治3個(gè)階段。前兩個(gè)階段采用固結(jié)計(jì)算法進(jìn)行路基變形分析；病害處治階段采用塑性計(jì)算進(jìn)行彈塑性變形分析，采用強(qiáng)度折減法對(duì)微型樁處治后的路基穩(wěn)定性進(jìn)行分析。為考慮行車荷載影響，在路面頂施加10 kPa的均布荷載。

表1 模型參數(shù)取值Table 1 Value of model parameters

3.3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的合理性，將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，其中，數(shù)值模擬水平位移結(jié)果取自坡腳處CX02測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置，累計(jì)沉降結(jié)果取自路肩處N3測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置。從圖9(a)可以看出，在地基面下3 m范圍內(nèi)，水平位移隨著深度增加逐漸增大，此后，隨著深度增加，水平位移逐漸減??；由于實(shí)際深層土體中含有大量有機(jī)質(zhì)，水平位移實(shí)測(cè)結(jié)果在0附近波動(dòng)，而模擬結(jié)果深層水平位移基本為0，綜上分析，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果變化規(guī)律基本一致。從圖9(b)可以看出，累積沉降的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較接近。上述分析表明數(shù)值模擬結(jié)果可行。

圖9 實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬對(duì)比曲線Fig.9 Comparison curve between measured results

3.4 處治效果分析

微型樁處治滑移效果如圖10和圖11所示。從圖10可以看到，未加樁時(shí)，路堤出現(xiàn)一個(gè)貫穿的滑動(dòng)面，加微型樁后，路基增量位移主要出現(xiàn)在靠近路基中心處，未形成貫穿滑動(dòng)面。從圖11可以看到，土體水平位移主要發(fā)生在地基面以下10 m深度范圍，集中在淤泥層內(nèi)；未加微型樁時(shí)，土體最大水平位移達(dá)到91 mm；使用單獨(dú)微型樁和加連系梁微型樁時(shí)，最大水平位移分別降至13.9 mm和9 mm，分別減小了84%和90%，可見，使用微型樁能顯著減小路基側(cè)移。一方面，經(jīng)壓力注漿后，由于漿液的擴(kuò)散與固結(jié)使樁周土體強(qiáng)度提高，樁體摩阻力增加，單樁抗滑效果增強(qiáng)；密布的注漿微型樁有一定的加筋效應(yīng)，對(duì)樁間土能起到側(cè)向約束作用，限制了樁間土的側(cè)向位移。另一方面，由于連系梁將各樁連在一起，能發(fā)揮樁群整體抗彎性能，使各樁受力更均衡且受力更小，抗滑效果明顯加強(qiáng)。從以上分析可知，利用微型樁技術(shù)處治深厚軟基滑移病害是一種比較有效的方法。

圖10 總位移增量云圖Fig.10 Nephogram of total displacement

圖11 微型樁處治效果對(duì)比圖Fig.11 Comparison of the treatment effect of

4 影響因素分析

影響微型樁處治效果的因素主要有樁間距、樁排距、連系梁形式等，利用有限元軟件分析了這3個(gè)因素對(duì)軟基滑移的影響。不同工況控制參數(shù)見表2，其中，d為樁徑，取d=150 mm。

表2 不同工況控制參數(shù)Table 2 Control parameters under different working conditions

4.1 樁間距影響

微型樁采用不同樁間距時(shí)，坡腳處土體水平位移如圖12所示?？梢钥吹剑S著樁間距的增大，土體水平位移逐漸增大。當(dāng)樁間距S=6d時(shí)，最大水平位移為8.3 mm；而當(dāng)樁間距S增大到14d時(shí)，最大水平位移已經(jīng)達(dá)到32 mm，增加了2.9倍。而且可以明顯看出，樁間距S超過10d后，水平位移增大速率明顯加快，這是由于樁間距在一定范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生土拱效應(yīng)，樁間距過大時(shí)土拱效應(yīng)明顯減弱，造成土體位移迅速增大。因此，在布樁時(shí)利用土拱效應(yīng)，選擇合理的樁間距，既能保證處治效果又能減少用樁量。

圖12 不同樁間距下深層土體水平位移Fig.12 Horizontal displacement of deep soil under

4.2 樁排距影響

微型樁采用不同樁排距時(shí)，坡腳處土體水平位移如圖13所示。從圖13中可以看出，樁排距L從6d增加到10d時(shí)，水平位移逐漸減小，最大水平位移從24.2 mm減小到15.8 mm；樁排距超過10d后，隨著排間距增加，水平位移又逐漸增大，且增大速度明顯加快，樁排距L=14d時(shí)，最大水平位移達(dá)到28.6 mm。這是因?yàn)槲⑿蜆杜c樁間土?xí)纬梢环N復(fù)合結(jié)構(gòu)共同抗滑，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)受排間距影響較大。在樁排距過小時(shí)，微型樁過于靠近坡腳，復(fù)合結(jié)構(gòu)作用范圍小，因此，水平位移較大；當(dāng)樁排距過大時(shí)，樁與樁間土協(xié)同作用減弱，會(huì)造成水平位移增大。因此，在實(shí)際施工中，樁排距不宜超過10倍樁徑，在工程條件較差情況下，可減小樁排距，增設(shè)幾排樁。

圖13 不同樁排距下深層土體水平位移Fig.13 Horizontal displacement of deep soil under

4.3 連系梁影響

為研究不同形式連系梁對(duì)土體水平位移的影響，依據(jù)實(shí)際工程，在模型中Ⅱ區(qū)斜坡上設(shè)置不同形式連系梁，連系梁示意圖如圖14所示，分析結(jié)果如圖15、圖16所示。

圖14 不同形式連系梁示意圖Fig.14 Schematic diagram of different forms of coupling

圖15 不同形式連系梁下深層土體水平位移Fig.15 Horizontal displacement of deep soil under different forms of coupling

圖16 不同形式連系梁下樁身彎矩Fig.16 Bending moments of piles under different

由圖15可以看出，連系梁能增強(qiáng)微型樁抗滑效果。無連系梁時(shí)，土體最大水平位移為17.6 mm；單獨(dú)使用縱向連系梁和斜向連系梁時(shí)，水平位移減小幅度有限，分別減小了0.5 mm和1.1 mm，這是由于單獨(dú)形式的連系梁只將每排樁相連，未能發(fā)揮微型樁整體抗滑作用；使用組合形式連系梁時(shí)，各排樁能有效連在一起，水平位移比無連系梁時(shí)明顯減小，使用單向交叉連系梁和雙向交叉連系梁時(shí)，最大水平位移減少了3.8 mm和4.7 mm，分別減小了22%和28%。

從圖16可以看出，無連系梁時(shí)，微型樁最大正彎矩和最大負(fù)彎矩為2.51 kN·m和-1.62 kN·m；使用縱向連系梁和斜向連系梁時(shí)，微型樁彎矩均有小幅降低；使用單向交叉連系梁時(shí)，最大正彎矩和最大負(fù)彎矩降低為1.87 kN·m和-1.19 kN·m，分別降低了25.6%和26.1%；使用雙向交叉連系梁時(shí)，最大正彎矩和最大負(fù)彎矩減小為1.64 kN·m和-0.75 kN·m，分別減小了34.8%和53.7%。綜上，組合形式連系梁效果明顯好于單獨(dú)形式連系梁，具體排序?yàn)椋弘p向交叉連系梁>單向交叉連系梁>斜向連系梁>縱向連系梁。

5 結(jié)論

1)針對(duì)沿海在役高速公路軟基段出現(xiàn)的側(cè)向滑移病害，提出了采用連系梁微型樁技術(shù)進(jìn)行處治的新方法?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，微型樁能大幅減小軟基水平位移和路面累積沉降，是處治深厚軟基滑移病害的一種有效方法。

2)選取深厚軟基滑移病害段典型斷面，采用Plaxis 3D有限元程序建立了高速公路深厚軟基連系梁微型樁加固變形分析模型，結(jié)果表明：深層水平位移與路表沉降數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較吻合；加設(shè)微型樁阻止了貫穿滑動(dòng)面的形成，使用單獨(dú)微型樁和加連系梁微型樁時(shí)，最大水平位移分別比未加微型樁時(shí)減小了84%和90%。

3)分析樁間距、樁排距和連系梁不同形式對(duì)微型樁處治效果的影響。結(jié)果表明，隨著樁間距的增大，土體側(cè)移逐漸增大，樁間距超過10倍樁徑后，增長(zhǎng)速度加快；隨著樁排距的增加，土體側(cè)移出現(xiàn)先減小后增大的現(xiàn)象，樁排距不宜超過10倍樁徑；樁頂設(shè)置連系梁能減小土體位移與優(yōu)化微型樁受力，不同形式連系梁的微型樁處治效果排序?yàn)椋弘p向交叉連系梁>單向交叉連系梁>斜向連系梁>縱向連系梁。