微型樁在路基滑移治理中的應(yīng)用

牟 丹

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司 太原市 030032)

0 引言

在我國(guó)的多山地區(qū)，修建公路往往會(huì)形成許多的公路路基邊坡。由于地形的特殊性，公路路基邊坡常常會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂、滑移等多種問(wèn)題，影響道路的正常使用，甚至造成嚴(yán)重的安全事故。因此路基邊坡問(wèn)題一直是困擾公路行業(yè)的大難題。

在公路填方路基邊坡中，即便設(shè)計(jì)單位采取多種措施來(lái)保證路堤邊坡的穩(wěn)定性，但實(shí)際施工質(zhì)量往往難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，從而引發(fā)各種各樣的路堤邊坡問(wèn)題。針對(duì)已經(jīng)發(fā)生的路堤邊坡治理問(wèn)題，眾多學(xué)者做了大量的研究[1-5]。以某填方路基邊坡為研究對(duì)象，結(jié)合路基滑移規(guī)模情況，對(duì)斜坡填方路基失穩(wěn)問(wèn)題提出采用微型鋼管樁加固的治理措施，旨在為設(shè)計(jì)和施工提供一定的參考。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)概況

該地區(qū)主要為湖相沉積，其表層為較厚的黏土層，且具有一定的膨脹性。根據(jù)地勘報(bào)告顯示，該工程區(qū)的主要地層情況如下：

(1)地表為雜填土，平均層厚為1.5m，堆載時(shí)間短，稍濕，松散程度高。

(2)1.5～4.0m深度范圍內(nèi)為典型的膨脹土，其主要成分為鈣質(zhì)結(jié)核黏土，軟塑～硬塑狀，含有一定的鈣質(zhì)結(jié)核，膨脹性中等。

(3)4.0～6.0m范圍內(nèi)為強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，風(fēng)化裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)面清晰度一般，巖體的大部分結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞，構(gòu)造層理不清晰，裂隙切割嚴(yán)重。

(4)6.0m以下為中等風(fēng)化的砂質(zhì)泥巖，節(jié)理裂隙一般發(fā)育，成短柱狀，部分成塊狀。

該工程區(qū)土體的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖、土物理力學(xué)指標(biāo)建議值表

1.2 設(shè)計(jì)方案

擬建公路為城市次干路，雙向6車道，紅線寬度30m，填方高度約為15m，第一級(jí)坡高7m，第二級(jí)坡高8m，中間設(shè)置2m寬的碎落平臺(tái)。根據(jù)地質(zhì)勘查情況和道路設(shè)計(jì)標(biāo)高，此處的路基采取了如下設(shè)計(jì)方案：

清除表層1.5m厚的雜填土，并反挖設(shè)抗滑錯(cuò)臺(tái)，錯(cuò)臺(tái)寬度為2m，高度不得小于0.5m，并對(duì)填方路基進(jìn)行分層碾壓。根據(jù)總體規(guī)劃，填方邊坡為臨時(shí)邊坡，隨著后期地塊開(kāi)發(fā)，該填方邊坡將會(huì)消失。因此坡面僅做了噴播植草防護(hù)。

其具體措施如圖1所示。

圖1 填方路基典型斷面圖

2 路基滑移原因分析及治理措施

2.1 滑坡原因分析

由于后期地塊開(kāi)挖時(shí)間延遲，在經(jīng)歷了多次強(qiáng)降雨之后，道路路基產(chǎn)生了變形。道路路面產(chǎn)生了拉裂縫，坡腳處填土出現(xiàn)了一定的隆起鼓脹變形。組織專家進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘之后，認(rèn)為連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的強(qiáng)降雨是誘發(fā)此次路基變形的主要因素。由于原膨脹土土層較厚，力學(xué)性能尚可，設(shè)計(jì)方案認(rèn)為填土后即將膨脹土進(jìn)行了覆蓋，從而忽視了膨脹土具有膨脹性的潛在危害。由于道路兩側(cè)的地塊遲遲未進(jìn)行開(kāi)發(fā)，此次強(qiáng)降雨導(dǎo)致土體飽水程度增大，從道路兩側(cè)土體逐漸浸入路基下部的膨脹土層。膨脹土遇水抗剪強(qiáng)度大幅降低，同時(shí)土體產(chǎn)生膨脹，導(dǎo)致在填土界面形成了較弱的滑動(dòng)面，路堤發(fā)生水平位移，并在坡腳處發(fā)生應(yīng)力釋放，從而引起隆起變形。

根據(jù)地勘報(bào)告，受地表水浸泡過(guò)后的膨脹土抗剪強(qiáng)度為11kPa和7°，利用大型巖土有限元計(jì)算軟件Midas GTS NX的SRM強(qiáng)度折減法計(jì)算模塊，利用地勘報(bào)告建議巖土參數(shù)，模型底部約束水平和豎向位移，模型側(cè)面可發(fā)生豎向沉降，因此僅約束其水平向位移，建立了現(xiàn)狀路基的穩(wěn)定性分析模型，計(jì)算得到其現(xiàn)狀路堤邊坡的安全系數(shù)為1.1，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，其潛在滑面如圖2所示。

圖2 現(xiàn)狀路堤的滑移變形圖

通過(guò)圖2可以看出，沿膨脹土層界面形成了潛在的滑動(dòng)帶，并向上延伸至填方土體內(nèi)，填方路基形成了從路面到路基坡腳處的貫通潛在滑動(dòng)面，在坡腳處產(chǎn)生了應(yīng)力釋放變形，這也與現(xiàn)場(chǎng)的變形情況吻合。可見(jiàn)膨脹土層的強(qiáng)度降低是引起滑移的原因。

2.2 處治方案效果分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)變形情況，擬采用15m長(zhǎng)微型鋼管樁注漿加固的處理措施，并輔以打設(shè)深層排水孔，增設(shè)截水溝避免地表水繼續(xù)浸泡路堤，提高膨脹土的抗剪強(qiáng)度。為了得到經(jīng)濟(jì)合理的加固方案，擬定了如表2所示的幾種加固方案。

表2 治理方案參數(shù)表

在有限元分析中，對(duì)于注漿加固通常采用提高結(jié)構(gòu)或者土體的彈性模量及抗剪強(qiáng)度來(lái)等效代替。從安全的角度出發(fā)，暫不考慮注漿對(duì)原始土體的加固效果，僅考慮微型樁對(duì)路堤邊坡的加固效果，認(rèn)為經(jīng)過(guò)截排水處理后膨脹土能恢復(fù)到浸泡前的抗剪強(qiáng)度，因此在有限元模型中的膨脹土抗剪強(qiáng)度取22kPa和11°。

建立微型樁加固填方路堤邊坡的有限元模型，如圖3所示。通過(guò)分析計(jì)算得到了鋼管樁治理方案的穩(wěn)定性結(jié)果。

圖3 微型樁治理路堤滑坡有限元模型

(1)安全系數(shù)

提取不同樁徑、不同縱向設(shè)置間距的微型樁加固路堤邊坡的穩(wěn)定性分析結(jié)果，其安全系數(shù)如圖4所示。

圖4 不同加固方案下的路堤安全系數(shù)對(duì)比圖

從圖4可以看出，當(dāng)鋼管樁的縱向設(shè)置間距相同時(shí)，不同樁徑的鋼管樁加固下，直徑108mm的鋼管樁比直徑95mm的鋼管樁安全系數(shù)略高，究其原因，從式(1)剛度計(jì)算可以看出，當(dāng)壁厚相同時(shí)，108mm鋼管比95mm鋼管剛度大，能夠提供更大的抗滑力。

(1)

當(dāng)樁徑為95mm、縱向間距為1.0m、1.5m、2.0m時(shí)，其對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)依次為1.34、1.32和1.29，安全系數(shù)減小率依次為1.49%和2.27%。

當(dāng)樁徑為108mm時(shí)，縱向間距為1.0m、1.5m、2.0m時(shí)，其對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)依次為1.35、1.33和1.31，安全系數(shù)減小率依次為1.41%和1.58%，由此可看出當(dāng)間距從1.0m增大到1.5m時(shí)安全系數(shù)變化不大，當(dāng)從1.5m增大到2.0m時(shí)安全系數(shù)減小幅度相對(duì)較大。從路堤邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)可以看出，當(dāng)鋼管樁直徑為108mm時(shí)，路堤邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)均能滿足《城市道路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中安全系數(shù)不小于1.3的規(guī)定。

通過(guò)分析路堤邊坡的安全系數(shù)可以看出，當(dāng)樁徑為108mm、縱向間距1.5m時(shí)，安全系數(shù)能夠滿足規(guī)范要求，同時(shí)兼顧安全儲(chǔ)備和工程造價(jià)的因素，因此擬定采用108mm、縱向間距1.5m方案進(jìn)行治理。

進(jìn)一步對(duì)比原始狀態(tài)和治理方案的塑性區(qū)分布可以看出，在未治理前，路堤邊坡的潛在滑動(dòng)面從路堤坡腳沿膨脹土界面往后延伸至路面，形成了貫通的滑動(dòng)面，呈現(xiàn)出比較規(guī)則的圓弧狀滑面，這也印證了較均勻的土質(zhì)邊坡容易形成圓弧狀的滑動(dòng)面。而在治理后，路堤邊坡的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面形狀與治理前類似，但是由于有鋼管樁的存在，阻斷了滑動(dòng)面進(jìn)一步往后延伸的可能性，而在后緣的路堤中形成了多級(jí)的小型滑動(dòng)面，但并沒(méi)有完全進(jìn)入塑性狀態(tài)，通過(guò)鋼管樁的抗滑阻力有效地隔斷了滑動(dòng)面的發(fā)展，提高了路堤邊坡的穩(wěn)定性。

(2)鋼管樁內(nèi)力分析

通過(guò)圖5可以看出，鋼管樁所受的軸力從樁頂?shù)綐兜壮尸F(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，并在靠近強(qiáng)風(fēng)化巖層界面處取得最大值。究其原因，在強(qiáng)風(fēng)化巖層以上土體壓縮模量小，且絕大部分是填土，在沉降過(guò)程中對(duì)鋼管樁產(chǎn)生向下的壓力，因此表現(xiàn)出鋼管樁軸力逐漸增大的變化趨勢(shì)。而鋼管樁進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖層及以下時(shí)，巖層壓縮模量大，鋼管樁相對(duì)巖層向下移動(dòng)，巖層對(duì)鋼管樁形成向上的摩擦力，從而使得鋼管樁的軸力隨深度增加而逐漸減小。由此也可以看出鋼管樁同時(shí)起到了摩擦和端承的作用。

圖5 直徑108mm鋼管樁軸力云圖

從圖6可以看出，鋼管樁的彎矩并沒(méi)有呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢(shì)，并且數(shù)值都很小。分析其原因，這是因?yàn)殇摴軜稇冶鄱屋^短，受到的內(nèi)側(cè)橫向推力較小，側(cè)向土壓力對(duì)鋼管樁產(chǎn)生的彎矩也較小。這也說(shuō)明了該路堤邊坡目前發(fā)生的是坡腳處的牽引式滑動(dòng)。若僅作截排水措施不設(shè)鋼管樁，通過(guò)有限元計(jì)算得到路堤邊坡的安全系數(shù)為1.21，雖然能夠保證路堤穩(wěn)定但是不能滿足規(guī)范要求。通過(guò)上述的分析可知，經(jīng)過(guò)截排水措施提高了坡腳處路堤的抗剪強(qiáng)度，同時(shí)鋼管樁有效地降低了內(nèi)側(cè)土體對(duì)坡腳處土體的擠壓，從而提高了整體的穩(wěn)定性。

圖6 直徑108mm鋼管樁彎矩云圖

3 結(jié)語(yǔ)

以某路基變形為對(duì)象，結(jié)合路堤變形規(guī)模及路堤邊坡周圍地塊的實(shí)際情況，提出了采用微型鋼管樁注漿加固的治理方案，得到了以下主要的結(jié)論：

(1)路堤周邊地塊未開(kāi)發(fā)，導(dǎo)致兩側(cè)地表水下滲浸泡填土，膨脹土抗剪強(qiáng)度降低是引起路堤變形的主要因素。

(2)直徑108mm鋼管樁比直徑95mm鋼管樁加固下的安全系數(shù)略高，間距從1m增大到1.5m比間距從1.5m增大到2m的安全系數(shù)降低幅度小。

(3)鋼管樁的軸力呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，所受的彎矩較小，同時(shí)表現(xiàn)出端承樁和摩擦樁的特性。