微型鋼管樁在復(fù)雜地質(zhì)條件下的機(jī)理分析及應(yīng)用

張?jiān)迄i

摘 要：本文結(jié)合宜賓市翠屏區(qū)鹽李路臨江側(cè)人工堆棄土邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，以及宜賓市長(zhǎng)江生態(tài)綜合治理項(xiàng)目設(shè)計(jì)文件及工程建設(shè)情況對(duì)樁基方案進(jìn)行了比選;微型鋼管樁在復(fù)雜地質(zhì)條件下的應(yīng)用進(jìn)行了機(jī)理分析，采用進(jìn)行了微型鋼管樁加固地基穩(wěn)定性分析[1]，結(jié)果表明微型鋼管樁在復(fù)雜土質(zhì)地基處理中具有優(yōu)良的表現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：樁基礎(chǔ)比選;微型鋼管樁;抗滑機(jī)理;穩(wěn)定性分析

引言：本文依托于宜賓市長(zhǎng)江生態(tài)綜合治理項(xiàng)目工程實(shí)例介紹微型鋼管樁的施工應(yīng)用情況，本工程中微型鋼管樁作為一種抗滑樁，注漿后與土石結(jié)合體共同承擔(dān)受力。抗滑樁通過錨入巖體，注漿后憑借本身的剛性，用以支撐邊坡滑體的下滑力。其作為一種“小徑高強(qiáng)”樁在一些特定場(chǎng)合以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)開始逐漸受到設(shè)計(jì)人員的重視。對(duì)微型鋼管樁的研究，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下地基處置及邊坡治理有重大指導(dǎo)意義。

1 工程概況

宜賓市長(zhǎng)江生態(tài)綜合治理工程項(xiàng)目位于宜賓市翠屏區(qū)，沿既有鹽李路臨長(zhǎng)江側(cè)新建道路，作為觀光騎游道路，全長(zhǎng)約3.1km（AK4+924.5-AK8+026），道路最小寬度4m，實(shí)施內(nèi)容包括橋梁工程、綠道路基路面工程、邊坡防護(hù)工程、微型鋼管樁路基加固工程、景觀亭（休息區(qū)）、停車場(chǎng)、照明工程及綠化工程等。

其中，微型鋼管樁加固工程（AK4+924.5-AK5+670）共745.5m，為原旋挖樁變更而來(lái)。

2 地質(zhì)條件

本工程線路通過段位于長(zhǎng)江右岸（凹岸），地貌上屬長(zhǎng)江河流侵蝕性——基座階地地貌，工程區(qū)跨河谷漫灘、Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)階地。

場(chǎng)地兩岸屬于蝕堆積地貌。覆蓋層為原鹽李路修筑時(shí)棄置的不均土石，厚2m至22m;沿線出露基巖為羅系中統(tǒng)上沙溪廟組泥巖及砂巖。裂較發(fā)育，整體性較好。擋土墻所在區(qū)域地層主要為：據(jù)地面工程地質(zhì)調(diào)查及鉆探揭露，場(chǎng)區(qū)內(nèi)主要地層為新生界第四系全新統(tǒng)人工堆積層（Q4m）、沖積層（+2中生界羅系中統(tǒng)上沙溪廟組成。

3 樁基礎(chǔ)方案的選擇

本工程其AK4+924.5至AK5+670，擬采用樁基礎(chǔ)與擋土墻相結(jié)合的形式作為路基防護(hù)支擋?；A(chǔ)方案有鉆孔灌注樁和微型鋼管樁兩種，各種方案有其優(yōu)點(diǎn)和局限性。因此，選擇合理的方案是保證下部基礎(chǔ)工程質(zhì)量和施工安全的關(guān)鍵。

在深入掌握和研究已有工程地質(zhì)、水文地質(zhì)資料和周邊環(huán)境條件的基礎(chǔ)上，進(jìn)行多種方案的分析，論證與優(yōu)化，并著重考慮了以下因素：

AK4+924.5至AK5+670根據(jù)地勘資料及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地查看，發(fā)現(xiàn)該段線路通過的陡坡地帶，地形條件較差，巖體裂隙發(fā)育，完整性較差，覆蓋層堆積體分布廣泛。上覆為松散堆積層，主要為人工填土和崩坡堆積塊石土，下伏為強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖，中風(fēng)化砂巖承載力較高，壓縮變形較小，是較好的樁基持力層;

本段原地表邊坡陡峭，施工段落與上部既有道路高差在35米至50米，不利于大開挖修筑施工便道。旋挖樁機(jī)進(jìn)場(chǎng)施工最小寬度為6.5m，現(xiàn)場(chǎng)陡坡不宜大面積擾動(dòng)，否則落土落石會(huì)對(duì)長(zhǎng)江江床造成堵塞和污染。故大口徑樁基礎(chǔ)施工在現(xiàn)有條件下施工非常困難。

微型鋼管樁作為一種抗滑樁，近年來(lái)在邊坡滑坡治理中得到了應(yīng)用，且與傳統(tǒng)抗滑樁相比具有很大的優(yōu)勢(shì)。在本工程中采用微型鋼管樁既作為抗滑樁支擋邊坡土體，又與土石結(jié)合體形成復(fù)合地基共同承擔(dān)上部荷載。且具有如下優(yōu)良特點(diǎn)：①能夠利用復(fù)雜地質(zhì)條件，解決大口徑樁基礎(chǔ)施工碰到的難點(diǎn)。②直徑小、施工速度快且較安全。③鋼管本身有較大的鋼度和抗剪強(qiáng)度，受力情況良好且易于加工，可焊接，長(zhǎng)度易于調(diào)節(jié)。④造價(jià)低，經(jīng)濟(jì)性好。

綜合比較分析后，選用能在狹窄工作面施工的微型鋼管樁注漿后與土石的結(jié)合體作為路基基礎(chǔ)。

4 微型鋼管樁機(jī)理分析

4.1通過微型鋼管樁灌注的水泥砂漿滲入到鉆孔周圍土石結(jié)合體中，與巖土體充分混合，固結(jié)土石體，提高堆砌土體的完整性和強(qiáng)度，同時(shí)提高了有下滑趨勢(shì)的滑體與滑床的粘聚力和摩擦角。

4.2采用微型鋼管樁加固時(shí)，采用多排群樁布置，樁與樁之間的間隔較窄，且將樁頂用型鋼或角鋼相互連接起來(lái)，荷載由樁-土復(fù)合結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)，管樁與周圍土石結(jié)合體形成一個(gè)復(fù)合型擋土墻，起抗滑擋墻的作用。

4.3微型鋼管樁以多排群樁布置（見下圖1），受到樁后的橫向滑坡推力作用時(shí)，它對(duì)樁間和鄰近土石結(jié)合體有改造和加固作用，使其更具整體性，土體的強(qiáng)度得到提高。受力分析時(shí)可將其看作是一個(gè)重力式擋土墻。并且鋼樁在土體中有加筋作用，土體的剛度明顯加強(qiáng)，使其對(duì)樁的側(cè)向壓力致使樁的側(cè)向變形顯著減少。

5 微型鋼管樁工藝參數(shù)

5.1樁體采用Q235鋼無(wú)縫鋼管，屈服強(qiáng)度不小于235MPa，抗拉強(qiáng)度375MPa至500MPa，直徑為127mm*8mm，單根樁長(zhǎng)12～25m（嵌固中風(fēng)化基巖深度不小于5.0m），接長(zhǎng)鋼管采用φ108mm×6mm無(wú)縫鋼管，兩頭搭接60cm，總長(zhǎng)120cm，并與φ127mm×8mm無(wú)縫鋼管焊接，中央采用拉通焊接，兩頭采用120°成孔后焊接。

5.2樁間距橫向0.75、縱向1.0m，采用梅花樁布置。鋼管自頂端1.5米以下在管壁上開孔，開孔直徑為φ15mm，豎向間距20cm，120°螺旋布設(shè)。樁頂高出承臺(tái)底500mm。

5.3鋼管內(nèi)外注漿選用砂灰比1：1、水灰比0.5的無(wú)收縮水泥漿，砂漿強(qiáng)度達(dá)到M30，注漿管需裝設(shè)壓力表，注漿壓力不大于0.2Mpa，注漿采用一次性注漿，直至孔口冒出純漿為止。

6 邊坡與路基穩(wěn)定性分析

6.1樁前邊坡下滑力計(jì)算

對(duì)主滑動(dòng)剖面進(jìn)行分析計(jì)算，將滑動(dòng)面分為10個(gè)條塊（圖2），采用傳遞系數(shù)法，當(dāng)土體（滑坡體）處于極限平衡條件下，即最后一條塊土體剩余下滑力為零，可按式5.1計(jì)算獲得坡體每一個(gè)滑塊的剩余下滑力。

計(jì)算參數(shù)：素填土重度為17KN/m?，飽和素填土重度為：19.5KN/m?，根據(jù)地勘報(bào)告顯示邊坡土體粘聚力C=26KPa，內(nèi)摩擦角? ?=4?，穩(wěn)定系數(shù)φi根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范?。篎st1.25，滑塊傾角如圖2所示，上部設(shè)計(jì)荷載作用于第三第四滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊滑塊。本工程因長(zhǎng)江江床較坡體很遠(yuǎn)，故不考慮長(zhǎng)江水位對(duì)坡體的影響，不考慮動(dòng)水壓力和浮托力以及地震力對(duì)坡體的影響。僅考慮“暴雨+設(shè)計(jì)上部荷載+自重”工況下，計(jì)算人工填土處于飽和狀態(tài)下的滑坡推力。

將各作用力投影到底滑面上，其平衡方程如下：

按式5.4計(jì)算得樁前坡體10個(gè)滑塊的剩余下滑力，如圖4所示，受上部設(shè)計(jì)荷載影響，計(jì)算得第4塊滑塊有最大下滑力23.76KN/m，距錨固端2.63m。

根據(jù)力的作用力與反作用力，此截面布置的鋼管群樁（取單元體1m寬，等效于3根φ150mm傳統(tǒng)抗滑樁），受到最大彎矩45.683KN.m。

6.2鋼樁抗彎強(qiáng)度校核

Wi根據(jù)材料力學(xué)計(jì)算鋼管樁抗彎截面系數(shù)? ? =46048.54mm?，σ=330.6872MPa

7 微型鋼管樁的應(yīng)用

宜賓市長(zhǎng)江生態(tài)綜合治理項(xiàng)目，共設(shè)計(jì)1972根微型鋼管樁，沿路線左側(cè)成三排布置，單根樁長(zhǎng)根據(jù)地質(zhì)特點(diǎn)10m至25m，嵌入巖層至少5米?？傆?jì)處治復(fù)雜土質(zhì)路基745.5m（AK4+924.5-AK5+670）。

7.1微型鋼管樁施工工藝流程

平整場(chǎng)地——注漿鋼管制作焊接——測(cè)量放線——孔距定位——鉆孔機(jī)就位鉆孔（每3m接鉆桿一次）——清孔——安裝下放鋼管——注漿機(jī)安裝 ——安裝注漿管——拌制水泥砂漿——注水泥砂漿——加壓注漿直至上口翻漿。

7.2施工要點(diǎn)

（1）平整場(chǎng)地：采用50型鏟車配合挖掘機(jī)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求放出基坑邊線及定出樁位，安裝鉆機(jī)進(jìn)行成孔作業(yè);待施工完畢后泥漿外運(yùn)至施工區(qū)域外，檢查并保護(hù)成樁。

（2）注漿鋼管制作焊接：根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求的深度進(jìn)行下料，鋼管連接處進(jìn)行加強(qiáng)焊接。

（3）測(cè)量放線：根據(jù)設(shè)計(jì)要求的間距、排距及設(shè)計(jì)提供的標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量放線。

（4）孔距定位：根據(jù)設(shè)計(jì)的孔洞直徑、間距、排距使用筷子打入地下進(jìn)行定位;

（5）微型樁定位：本工藝采用干成孔方式鉆孔，根據(jù)微型樁定位，在成孔位置上進(jìn)行汽車載運(yùn)螺旋鉆準(zhǔn)確定位，汽車支撐腳腿下進(jìn)行夯實(shí)后墊方木，確保其穩(wěn)定。

（6）就位鉆孔：將汽車載運(yùn)螺旋鉆機(jī)安放在指定位置，安放水平，防止傾斜;將鉆桿抬至鉆機(jī)旁，啟動(dòng)鉆機(jī)，慢慢鉆進(jìn);每進(jìn)深2m，需要接一次鉆桿，直至得到設(shè)計(jì)有效深度。

（7）鉆孔：將鉆機(jī)安放在指定位置，安放水平，防止傾斜;將鉆桿抬至鉆機(jī)旁，啟動(dòng)鉆機(jī)，慢慢鉆進(jìn)，每進(jìn)深3m，需要接一次鉆桿， 直至達(dá)到設(shè)計(jì)有效深度。供風(fēng)采用不小于1.4Mpa高風(fēng)壓空壓機(jī)，以便于鑿巖土石渣吹出孔內(nèi)，鉆具采用偏心鉆頭φ150金剛石鉆頭，鋼套管采用φ163×8無(wú)縫P110型鋼管，1m一節(jié)，鋼套管兩端加工有絲牙，公母扣連接。鉆進(jìn)時(shí)先用低速、低壓鉆進(jìn)，確保鉆孔精度，當(dāng)穩(wěn)桿器帶動(dòng)管角進(jìn)入回填區(qū)，再正常鉆進(jìn)，偏心輪張開，鉆孔孔徑大于鋼套管管徑，管靴帶動(dòng)鋼套管跟進(jìn)，跟管鉆進(jìn)過程中實(shí)行邊加鉆桿邊加套管，根據(jù)鉆孔過程中返出的物質(zhì)來(lái)判斷回填區(qū)的實(shí)際地質(zhì)情況和跟管深度，當(dāng)跟管鉆進(jìn)超過覆蓋層進(jìn)入巖層5m后，慢速反鉆鉆機(jī)，偏心輪回收，整套鉆具及鉆桿從套管內(nèi)退出，鋼套管留在孔內(nèi)作為鋼管樁的鋼管，鉆孔完畢。

（8）清孔：鉆孔完畢后，連續(xù)不斷的用不小于1.4Mpa高壓風(fēng)徹底沖洗鉆孔，直至孔口返出之風(fēng)手感無(wú)塵屑，延續(xù)5min，孔內(nèi)沉渣不大于50mm。

（9）注漿機(jī)安裝：在現(xiàn)場(chǎng)指定位置固定注漿機(jī)，電源由指定的配電箱接入，采用6平方三相五線制電纜，把拌制的水泥砂漿放入6mm鋼板焊接制成的1m*1m*1m灰槽內(nèi)，然后由注漿機(jī)注漿。注漿管需裝設(shè)壓力表，注漿壓力不大于0.2Mpa，水灰比0.5、砂灰比1比1，注漿后暫不拔管，直至水泥漿從管外流出為止，拔出注漿管，密封鋼管端部，加壓數(shù)分鐘，待水泥漿再次從鋼管外流出為止。

（10）安裝下放鋼管：待孔清洗后及時(shí)在孔內(nèi)安裝預(yù)先制作好的鋼管，單根鋼管樁長(zhǎng)10-20m，接長(zhǎng)鋼管采用中108mmX6mm鋼管，兩頭搭60cm，總長(zhǎng)120cm，并與φ127X8無(wú)鋼管焊，中央采用拉通焊，兩頭采用120°成孔后焊接，確保連接牢靠。焊接時(shí)，焊疤不能出管壁，以防止下管困難。鋼管下孔時(shí)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況采取必要的措施，使其緩慢放置孔底位，防止鋼管接連處破壞和對(duì)孔周巖土造成過大的擾動(dòng)。

為保證鋼管居中，須在鋼管外每4焊接一套定位器，定位器采用中φ8mm鋼筋制作。鋼管下孔前，應(yīng)先在孔壁上開孔，以便漿時(shí)水漿能進(jìn)入管壁與孔壁的間開孔直徑為15m，豎向間距20cm，120°螺旋布設(shè)。

（11）安裝注漿管：下放鋼管完畢后，要及時(shí)進(jìn)行注漿，注漿管由注漿機(jī)只接接入到下入孔內(nèi)的鋼管上，接口要密封連接，注漿管采用橡膠管輸送。

（12）拌制M30無(wú)收縮水泥砂漿：水泥砂漿采用專用機(jī)械進(jìn)行拌制，水灰比控制0.5、砂灰比1比1，把拌制的水泥砂漿放入鋼制的1m*1m*1m灰槽內(nèi)，然后由注漿機(jī)注漿。

（13）注水泥砂漿：注漿管需裝設(shè)壓力表，注漿壓力為0.2Mpa，注漿采用孔底返漿一次性注漿，注漿后暫不拔管，直至水泥砂漿從管外流出為止。

（14）微型樁施工中，應(yīng)仔細(xì)測(cè)量孔深、鋼管長(zhǎng)度及注漿管長(zhǎng)度，避免出現(xiàn)假樁斷樁現(xiàn)象。

（15）嚴(yán)格控制樁頂樁底標(biāo)高。

（16）兩端處樁位偏差不得大于1/3樁徑（本工程為1/3*150=50mm），中間樁樁位偏差不得大于1/2樁徑（本工程為1/2*150=75mm），垂直度不超過1/1000樁長(zhǎng)。

7.3施工質(zhì)量控制

（1）成孔：

成孔前為保證樁的垂直度，需有水平尺前后、左右調(diào)整好鉆機(jī)的水平度，為控制樁位偏差，成孔前先用儀器精確定出樁位，每個(gè)樁位上插上筷子，開鉆時(shí)，鉆頭中心對(duì)準(zhǔn) 筷子頭上方可開鉆。鉆機(jī)每進(jìn)尺累計(jì)達(dá)到200米之后要測(cè)量鉆頭一次。

（2）M30無(wú)收縮水泥砂漿配制要求：

水泥砂漿要嚴(yán)格按照水灰比0.5控制、砂灰比1比1的比例配置，水泥砂漿在攪拌桶內(nèi)至少攪拌4分鐘后才可以開始注漿，從而達(dá)到攪拌均勻。如果因設(shè)備出故障或其它原因致使?jié){液攪拌時(shí)間超過30分鐘，為不影響樁身質(zhì)量把漿液廢棄。

8 結(jié)束語(yǔ)

8.1宜賓市長(zhǎng)江生態(tài)綜合治理項(xiàng)目工程地基基礎(chǔ)采用微型鋼管樁經(jīng)過試驗(yàn)檢測(cè)和沉降監(jiān)測(cè)，安全穩(wěn)定。在河岸、陡坡等復(fù)雜地質(zhì)條件及施工面狹窄的情況下與鉆孔灌注樁或人工挖孔樁方案相比，無(wú)論在技術(shù)上還是經(jīng)濟(jì)上都占有明顯的優(yōu)勢(shì)，推廣應(yīng)用方面有很大的發(fā)展空間。

8.2微型鋼管樁樁距小、呈梅花形布置，再加上樁和土體的共同作用，形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠承受較大的彎矩，可有效防止在外力作用下，邊坡局部失穩(wěn)滑坡。

8.3微型鋼管樁在工程實(shí)際運(yùn)用中施工方便快捷，成樁快速，施工質(zhì)量容易控制。

參考文獻(xiàn)：

[1] 微型鋼管樁用于滑坡治理及理論分析，肖春錦，湖北省鄂西地質(zhì)工程勘察院，湖北宜昌.