鋼管微型樁在斜坡高擋墻地基加固中的應(yīng)用

何龍江

摘要 某二級公路改擴建經(jīng)過斜坡路段，須采用高擋墻進行收坡，松散覆蓋層較厚，地基承載較低，采用注漿微型鋼管樁復(fù)合地基對土層進行加固。利用有限元強度折減法和簡化畢肖普極限平衡法對未地基處理和地基花管注漿加固兩種方案進行穩(wěn)定性對比分析，驗證了微型鋼花管注漿對提高地基承載力和斜坡的整體穩(wěn)定性的良好效果，并對鋼管樁注漿施工關(guān)鍵工序、工藝和檢測指標等進行了說明。

關(guān)鍵詞 注漿鋼管樁;斜坡路基;高擋墻;有限元分析;斜坡穩(wěn)定

中圖分類號 TU472 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）13-0065-03

0 引言

山區(qū)斜坡地貌廣布，路線走向受走廊帶的控制往往無法繞避，形成高斜坡路基，自然穩(wěn)定放坡會出現(xiàn)放坡線較遠。當采用擋土墻進行收坡時，經(jīng)常形成高大的擋土墻，殘坡積層覆蓋土層往往厚度較大，土層空隙大，土質(zhì)疏松，地基承載力不足。同時由于高擋墻重力大，修建后改變了斜坡影響范圍的地層應(yīng)力分布，導(dǎo)致斜坡整體穩(wěn)定性的降低。注漿微型鋼管樁是近年來興起的一種非開挖地基加固工藝，其在斜坡?lián)鯄Φ鼗幚碇袘?yīng)用越來越廣。

1 工程概況

某公路改擴建工程，路基寬度采用8.5 m。路線經(jīng)過某斜坡地段，該段微地貌屬山麓斜坡殘坡積松散堆積體，相對高差35.0 m，地面起伏很大。地表覆蓋第四系砂質(zhì)粉質(zhì)黏土層2.7～11 m。下伏地層為志留系蘭多利亞統(tǒng)秀山組灰綠色紅粉砂質(zhì)黏土巖。沿線地下水主要為第四系砂質(zhì)粉質(zhì)黏土層中的孔隙水及下伏黏土巖中的基巖裂隙水，自然斜坡較陡，斜坡自然填筑高度較高，放坡距離過遠，收坡后產(chǎn)生高擋墻，擋墻最大高度達到15 m，高擋墻對地基承載力的要求較高，且存在高大構(gòu)造物會對現(xiàn)狀穩(wěn)定地層應(yīng)力重分布產(chǎn)生較不利的影響，有引起邊坡整體失穩(wěn)的風險，須進行處理。

2 處治方案

2.1 方案的擬定

該段擋墻采用仰斜式擋土墻，墻高為15 m，墻身寬度3.0 m，面坡及背坡同坡采用1∶0.25，基礎(chǔ)采用擴大基礎(chǔ)寬度4.8 m，墻趾寬0.8 m，厚度1.2 m，基底采用1∶5的內(nèi)傾斜坡，計算分析該段擋墻在墻背采用可靠的填料及填料壓實情況下，擋墻自身抗滑移穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定均滿足要求，墻趾處最大壓應(yīng)力為283.409 kPa，墻底平均壓應(yīng)力263.285 kPa，下覆土層地基承載力不足。

《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30—2015）附錄H.0.2款第7條要求“設(shè)置于不良土質(zhì)地基、覆蓋土層下為傾斜基巖地基及斜坡上的擋土墻，應(yīng)對擋土墻地基及填土的整體穩(wěn)定性進行驗算，其穩(wěn)定性系數(shù)不應(yīng)低于1.25”。考慮斜坡修建高擋墻后邊坡應(yīng)力變化會導(dǎo)致邊坡整體穩(wěn)定性安全系數(shù)降低，需要對高擋墻修建后的斜坡整體穩(wěn)定性進行分析計算，保證斜坡的整體穩(wěn)定，避免高擋墻修建導(dǎo)致邊坡整體失穩(wěn)[1]。

比選考慮了樁基承臺擋土墻方案和微型樁樁基承臺方案，但考慮樁基施工造價、微型樁與基礎(chǔ)相連形成樁基模型，上部荷載完全由小樁承擔導(dǎo)致鋼管樁加長，造價增加，擋墻樁基傳力路徑較為復(fù)雜，地基注漿加固后土體的承載能力不能充分發(fā)揮，最終采用3排微型鋼管樁+1.0 m厚內(nèi)設(shè)2層土工格柵的碎石墊層復(fù)合地基方案，鋼管樁樁身入下覆穩(wěn)定基巖不小于1 m。樁與加固后的土體形成復(fù)合地基，共同提高地基承載力和地基的整體穩(wěn)定性[2]。

2.2 地基承載力計算

鋼管樁采用146 mm，壁厚6.5 mm，鉆孔孔徑采用200 mm，樁長12 m， 擋墻基礎(chǔ)寬度4.8 m，靠墻趾側(cè)橫向布置3排，縱向排距1 m。《建筑樁基規(guī)范技術(shù)》（JTG 94—2008）5.8.4條規(guī)定，非高承臺樁、非軟弱非液化土中樁穩(wěn)定系數(shù)一般取1.0，《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTG 138—2016）第八章考慮鋼管對混凝土的套箍作用，樁身結(jié)構(gòu)自身承載力遠大于地層對樁的作用，單樁承載力受地層控制。

單樁承載力采用經(jīng)驗參數(shù)法計算Quk，考慮注漿對地層加固提高和《建筑樁基規(guī)范技術(shù)》（JTG 94—2008）第五章干作業(yè)鉆孔樁，取Qpk=1 200 kPa，Qsik=80 kPa，則單樁容許承載力Quk/2=276.32 kN。

Quk=u∑QsikL+QpkAp （1）

復(fù)合地基承載力fspk每延米面積置換率m=（3×3.14/4

×0.22）/（4.8×1）=0.019 6，保守計算不考慮注漿對地層承載力的提高作用，擋墻底部現(xiàn)狀地基土承載力取fsk=

120 kPa，取單樁承載力發(fā)揮系數(shù)λ=1.0，樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)β=1.0，則fspk=1×0.019 6×276.32/（3.14/4×0.22）+1×（1?0.019 6）×120=290.34 kPa。大于理論計算的需求值263.285 kPa，滿足要求。

fspk=λmRa/Ap+β（1?m）fsk （2）

2.3 邊坡整體穩(wěn)定性計算分析及主要參數(shù)敏感性分析

由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性及計算參數(shù)的不確定性，邊坡穩(wěn)定分析很難通過一種方法得出，實際中應(yīng)將有限元分析結(jié)論（見圖1）與采用極限平衡法（見圖2與圖3）進行對比分析后綜合確定，加強對控制參數(shù)的敏感性分析（見圖4），保證計算的精確性和包羅性。邊坡穩(wěn)定性分析計算采用slide軟件中的簡化畢肖普極限平衡法和 midas gts中的有限元強度折減法，有限元強度折減法基本原理：選取初始折減系數(shù)，將巖土體強度參數(shù)（見表1）進行折減，將折減后的參數(shù)輸入，進行有限元計算，若程序收斂，則巖土體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，再增加折減系數(shù)，直到程序恰好不收斂，該折減系數(shù)即為穩(wěn)定安全系數(shù)[3]（見表2）。

有限元分析結(jié)構(gòu)與極限平衡法分析結(jié)果接近，潛在滑動面剪出口位置與后緣拉裂位置一致，未設(shè)置注漿鋼管樁時，穩(wěn)定性不滿足規(guī)范對斜坡整體穩(wěn)定系數(shù)最小1.25的要求，當設(shè)置注漿鋼花管對地層進行加固后，穩(wěn)定性系數(shù)提高到1.317，滿足規(guī)范要求。由敏感性分析結(jié)果可知，黏聚力參數(shù)的比值斜率比內(nèi)摩擦角比值斜率更陡，對安全系數(shù)的影響更為敏感，考慮到砂質(zhì)粉質(zhì)黏土空隙較大，注漿能大幅提升土體的粘結(jié)力，當土層注漿效果達到一定水平后，砂質(zhì)粉質(zhì)黏土的黏聚力提高，對安全系數(shù)的提升效果顯著，說明注漿方案是可行的。

3 微型鋼管樁注漿施工工藝及檢測要求

3.1 鋼管樁制作

按設(shè)計要求對鋼花管樁頂1 m以下樁身按40 cm間距梅花形布置φ10 mm注漿孔眼，鋼管樁的接長采用套管焊接，鋼管樁長度以每個點位鉆孔入巖情況確定，不能統(tǒng)一長度。

3.2 施工前的試驗段實驗

大面積施工前應(yīng)進行單樁承載力實驗、多樁復(fù)合地基承載力實驗，實驗點數(shù)量不少于3處，同時應(yīng)對采取不同注漿壓力下的鋼花管附近地層鉆孔取樣查看土層注漿效果，取樣進行室內(nèi)力學(xué)實驗確定土層參數(shù)的變化情況。

3.3 注漿鋼管樁施工

按設(shè)計要求對孔位進行放線，鉆孔下放對孔眼進行多層膠布包裹的鋼花管，然后采用孔底翻漿法對鉆孔與鋼管外壁間的間隙進行填充注漿，注漿使用帶止?jié){塞的注漿管，注漿時注漿管應(yīng)置于鋼花管底部，注漿材料采用水泥漿，水泥采用42.5普硅水泥，配置時水泥以每袋50 kg計算水泥漿，水灰比0.45∶1，此時采用常規(guī)壓力0.2～0.4 MPa，直到孔口翻漿，結(jié)束后清洗鋼管樁管內(nèi)殘留的水泥漿，間隔一段時間后利用鋼花管對土層進行二次或多次高壓注漿，注漿壓力控制在1.5～4.2 MPa，將鋼管樁與周圍土層形成整體，最后對鋼花管內(nèi)填充水泥砂漿進行封閉，為安全可在砂漿初凝前在鋼花管內(nèi)設(shè)置豎向的抗剪鋼筋。

3.4 施工期間質(zhì)量控制及施工要求

應(yīng)采用跳孔施工，避免串漿，同時可先施工一部分先導(dǎo)孔，通過后續(xù)鉆孔檢驗先導(dǎo)孔的注漿效果，采取“探灌結(jié)合”的原則。同時注漿時堅持注漿壓力與注漿量雙控，現(xiàn)場實際注漿量與設(shè)計偏差較大應(yīng)結(jié)合鉆孔分析原因，同時注意觀察注漿壓力表的變化情況。當壓力一直沒有提高變化，應(yīng)采用間歇注漿并采用較濃的水灰比或采用摻和水玻璃的雙液注漿。

3.5 注漿結(jié)束標準

注漿結(jié)束標準：吸漿量小于5 L/min，穩(wěn)壓維持10 min。

3.6 工后檢測要求

（1）樁身完整性檢測：采用低應(yīng)變檢測，檢測數(shù)量不小于總樁數(shù)的10%，且不得少于10根。

（2）注漿效果檢測：可采用分區(qū)域預(yù)留后期施工鋼管樁，通過鋼管樁鉆孔揭露先期施工注漿鋼管樁注漿效果。

4 結(jié)論

文章對斜坡高擋墻采用注漿微型鋼管樁地基處理加固的方案，通過復(fù)合地基承載力計算和極限平衡法、有限元強度折減法和參數(shù)敏感性分析，對方案的可行性進行了分析計算，保證了公路斜坡高擋墻的安全，同時對注漿微型鋼管樁施工前實驗、施工過程中要求、工后檢測要求進行了闡述，對其他工程開展有一定的借鑒意義。

參考文獻

[1]公路路基設(shè)計規(guī)范： JTG D30—2015[S]. 北京：人民交通出版社， 2015.

[2]建筑地基處理技術(shù)規(guī)范： JTG 79—2012[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2012.

[3]古海東， 楊敏. 基于強度折減法的土釘支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析[J]. 同濟大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)報）， 2012（7）： 1003-1007.