小直徑鋼管灌注排樁在邊坡?lián)岆U工程應(yīng)用探討

王延寧，王 豐，張祥恒

（1.山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 煙臺 264004；2.山東省地礦局鉆探工程技術(shù)研究中心，山東 煙臺 264004；3.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

我國是一個多山的國家，山地、高原和丘陵約占陸地面積的67%，地形復(fù)雜，地質(zhì)條件多樣，每年6～9 月為主汛期，期間雨量充沛，暴雨頻發(fā)。在此極端氣候條件下，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻繁，易誘發(fā)滑坡、崩塌、泥石流等災(zāi)害，其中滑坡災(zāi)害發(fā)生頻率高、范圍廣，對國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、人員安全構(gòu)成了巨大威脅［1］。由于災(zāi)害發(fā)生正值主汛期，該類邊坡的處治均為搶險工程，工期緊，任務(wù)重。

邊坡?lián)岆U工程治理中，常用的治理方法主要為坡底被動區(qū)臨時壓重、坡頂主動區(qū)削坡減載、坡體快速注漿固結(jié)、快速錨桿（索）或鋼管樁臨時支護(hù)等措施［2-3］。20 世紀(jì)50 年代意大利人Lizzi 首次將鋼管微型樁應(yīng)用于工程項(xiàng)目中［3］。近年來，國內(nèi)對微型樁的應(yīng)用研究也取得了較好的成果。如李舟等［4］建立了鋼管樁加固邊坡的三維力學(xué)模型并闡述了有限元解法，辛建平等［5］通過大型模擬試驗(yàn)研究了土質(zhì)邊坡中小直徑灌注抗滑樁的破壞機(jī)制及邊坡的破壞模式，梁炯等［6］、向波等［7］通過模型試驗(yàn)對微型樁的受力變形與破壞特性進(jìn)行了研究。

隨著施工工藝及設(shè)備的發(fā)展，小直徑鋼管灌注樁憑借其施工迅速、場地適應(yīng)性好、樁位布置靈活、對邊坡擾動小、支擋能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在邊坡應(yīng)急搶險工程中得到了廣泛的應(yīng)用［8-10］。小直徑鋼管灌注樁是在人工預(yù)成孔中插入小直徑空心鋼管，再由鋼管底高壓灌注水泥砂漿，形成鋼管+水泥砂漿土復(fù)合體［7，11］，在應(yīng)用于邊坡處治中多以排樁的形式出現(xiàn)，樁頂采用橫、縱聯(lián)系梁連接，組合成空間整體框架。小直徑鋼管灌注排樁不僅能夠承受水平方向的推力，更具有較強(qiáng)的豎向承載力。在陡坡路堤擋墻的修筑過程中，為控制擋墻基礎(chǔ)的開挖，降低擋墻高度，已有相關(guān)學(xué)者采用小直徑鋼管灌注排樁加固擋墻地基，并取得了較好的效果［12-15］。作為一種新型支擋結(jié)構(gòu)，小直徑鋼管灌注排樁在應(yīng)急搶險工程中具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文依托我國西南部某公路擋墻病害搶險處治工程，分析了擋墻的變形機(jī)制，通過方案比選和理論計(jì)算，采用了以小直徑鋼管灌注排樁為主的綜合處治方案，取得較好的工后效果，可為類似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

該公路擋墻病害搶險治理區(qū)域西北側(cè)邊界處建有1 排擋墻，擋墻總長度約30 m，擋墻修筑于斜坡上，地面線以上高約2～3 m，采用漿砌塊石修筑，墻頂設(shè)高約3 m 的圍墻，斜坡坡腳為居住民房。

2020 年5 月，受強(qiáng)降雨影響，原擋墻向臨空方向傾倒，出現(xiàn)整體垮塌，墻后土體及埋入填土中的污水處理設(shè)備也向坡外發(fā)生傾倒（見圖1）。由于正值主汛期，為防止墻后邊坡在強(qiáng)降雨作用下再次發(fā)生滑塌，首先對垮塌后的擋墻及墻后滑塌土體進(jìn)行了清方，并在原擋墻垮塌處重新修筑衡重式擋墻（見圖2），修筑完成長度約11.4 m 時，發(fā)現(xiàn)地面線以下3～4 m 仍以可塑—軟塑粘土為主，若按原方案繼續(xù)修筑擋墻，擋墻有再次發(fā)生局部或整體向臨空方向傾倒的可能。

圖1 西北側(cè)擋墻垮塌區(qū)域無人機(jī)航拍圖Fig.1 Aerial photo by UAV of the collapse area of the northwest retaining wall

圖2 新建長度11.4 m 的衡重式擋墻Fig.2 Newly constructed counterweight retaining wall with a length of 11.4m

2 擋墻變形機(jī)制

公路邊坡?lián)岆U治理區(qū)域西北側(cè)邊界處擋墻在修筑前，此處為一緩傾斜坡地形，坡面傾角15°～25°，斜坡發(fā)育一沖溝，原擋墻跨沖溝而建。原擋墻垮塌后，在其垮塌處重新修筑衡重式擋墻，修筑完成長度約11.4 m 時，根據(jù)施工過程中擋墻基坑開挖情況，現(xiàn)地面線以下3～4 m 仍以粘土為主，且局部粘土呈軟塑狀。為確保搶險工程擋墻施工質(zhì)量和安全，安排地勘單位對場地進(jìn)行了勘察。

根據(jù)地勘資料，擬建擋墻位置地面線以下覆蓋層厚度最大達(dá)5.9 m，覆蓋層上部為第四系人工填土及滑塌后的碎塊石土，下部多以厚層粘土為主，其下基巖為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組粉砂質(zhì)泥巖。

原擋墻基礎(chǔ)位于粘土層中，受雨季強(qiáng)降雨影響，雨水下滲后從兩側(cè)匯集到溝內(nèi)，加之擋墻墻后填土內(nèi)污水處理設(shè)備罐體常年也有滲漏，墻后局部土體已飽和，土體容重增加，土壓力也隨之增大，同時水頭較高，靜水壓力較大，直接導(dǎo)致作用于擋墻上的水平推力過大。其次，滲水順墻背在墻底聚集，軟化了擋墻的地基，降低了地基土的承載力和摩擦系數(shù)，導(dǎo)致墻體向臨空方向傾倒，整體垮塌。

受原始地形影響，現(xiàn)地面線以下巖土界線兩側(cè)高、中間低，且中間覆蓋層較厚。新建衡重式擋墻基礎(chǔ)并未完全置于基巖上，且根據(jù)施工過程中擋墻基坑開挖情況及地勘資料，由于原擋墻墻底常年匯水，其下土體局部已呈軟塑狀，不能滿足衡重式擋墻地基承載力要求，若在此基礎(chǔ)上直接修筑擋墻，在今后降雨作用下，擋墻有發(fā)生局部或整體向臨空方向傾倒的可能，將會對服務(wù)區(qū)及坡腳居民房屋、人員的安全構(gòu)成重大威脅。

本研究區(qū)域邊坡已發(fā)生滑塌變形，需進(jìn)一步分析現(xiàn)有邊坡的整體穩(wěn)定性。本次僅對不利工況（暴雨工況）下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，由于邊坡滑體以填筑土及下伏粘土組成，取潛在滑體綜合飽和重度為21.5 kN/m3，通過對滑塌前邊坡進(jìn)行滑面力學(xué)參數(shù)的反算，進(jìn)而對滑塌后邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。

由表1 可知，滑塌后的邊坡在不利工況（暴雨工況）下穩(wěn)定系數(shù)為1.092，無法滿足規(guī)范要求，有進(jìn)一步下滑的風(fēng)險，且正值主汛期，為避免再次發(fā)生滑塌災(zāi)害，需立即對邊坡進(jìn)行防護(hù)。

表1 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算Table 1 Calculation of slope stability

3 處治方案研究

通過對場地所處環(huán)境特征、地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件及擋墻變形機(jī)制的分析，已建擋墻段靠近中部位置局部存在地基承載力不足的問題，需要進(jìn)行加固；未建擋墻段已不能沿用現(xiàn)有擋墻尺寸，需進(jìn)一步論證。

3.1 已建擋墻段加固措施方案

方案一：對已建擋墻段采用框架梁+壓力注漿錨桿的方式進(jìn)行加固，如圖3 所示?？蚣荛g距為2.5 m×3.0 m，框架橫豎梁截面尺寸為30 cm×25 cm，采用C25 鋼筋砼進(jìn)行澆注。錨桿采用?32 mm 普通HRB400 螺紋鋼筋。錨桿傾角為25°，長度為22～27 m。

圖3 框架梁+壓力注漿錨桿加固方案Fig.3 Reinforcement scheme of the frame beam and pressure grouting anchors

方案二：在已建擋墻段墻前采用鋼管灌注樁+聯(lián)系梁的方式進(jìn)行加固，如圖4 所示。共設(shè)2 排鋼管樁，采用?140 mm×6 mm 無縫鍍鋅防腐鋼管，樁長10 m，鋼管樁沿?fù)鯄v向間距1.0 m，排距1.0 m，交錯梅花形布置。樁頂設(shè)C25 鋼筋砼聯(lián)系梁以增強(qiáng)鋼管樁整體性，聯(lián)系梁寬1.5 m，高2.0 m。

圖4 鋼管樁+聯(lián)系梁加固方案Fig.4 Reinforcement scheme of steel pipe piles andconnection beams

通過方案比選，方案一中錨桿以粉砂質(zhì)泥巖作為錨固段，錨桿長度最長需達(dá)到27 m，施工工藝較復(fù)雜，施工質(zhì)量難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。方案二中在已建擋墻外設(shè)鋼管樁進(jìn)行加固，可有效抵抗擋墻基礎(chǔ)由于局部地基承載力不足，在受到水平推力所產(chǎn)生的外傾變形，可保證擋墻的自身穩(wěn)定。其次鋼管樁施工工藝較簡單，施工速度較快，施工對原斜坡擾動較小，安全性較高。

3.2 未建擋墻段支擋措施方案

方案一：直接采用高擋墻方案。根據(jù)地勘資料，現(xiàn)地面線下覆蓋層較厚，最厚可達(dá)5.9 m，且由于常年有水下滲，粘土層局部已呈軟塑狀，擋墻基礎(chǔ)需置于基巖穩(wěn)定持力層上，擋墻采用C20 砼澆注，最大墻高為10 m，如圖5 所示。

圖5 高擋墻方案Fig.5 High retaining wall scheme

方案二：采用鋼管灌注樁+聯(lián)系梁作為基礎(chǔ)，聯(lián)系梁上再修筑擋墻。共設(shè)3 排鋼管樁，采用?140 mm×6 mm 無縫鍍鋅防腐鋼管，樁長8～10 m，鋼管樁沿?fù)鯄v向間距1.0 m，排距1.0 m，交錯梅花形布置。樁頂設(shè)C25 鋼筋砼聯(lián)系梁以增強(qiáng)鋼管樁整體性，聯(lián)系梁寬2.5 m、高度1.5 m。聯(lián)系梁頂修筑衡重式擋墻，擋墻采用C20 砼澆注，如圖6 所示。

圖6 鋼管樁+聯(lián)系梁作為基礎(chǔ)，聯(lián)系梁上再修筑擋墻方案Fig.6 Steel pipe piles+connecting beams are used as the foundation,and the retaining wall is built on the connecting beams

通過方案比選，方案一中直接修筑擋墻雖然施工工藝簡單，但擋墻基礎(chǔ)埋置過深，擋墻高度最大達(dá)10 m 以上，圬工量大，且基坑開挖有可能造成斜坡土體再次發(fā)生滑塌，引發(fā)次生災(zāi)害。方案二中以鋼管樁+聯(lián)系梁作為基礎(chǔ)，聯(lián)系梁上再修筑擋墻，避免了地基土層過厚及地基承載力不足的問題，可使擋墻獲得足夠的穩(wěn)定性和承載力，其次鋼管樁施工對邊坡擾動較小，安全性較高。

小直徑鋼管灌注排樁主要作用機(jī)理是通過高壓注漿填充擠密下部巖土體，形成樹枝網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)加固復(fù)合體，能有效提高地基基礎(chǔ)的承載力；其次通過樁頂鋼筋混凝土聯(lián)系梁將排樁組合，形成了樁-巖土體復(fù)合結(jié)構(gòu)，克服了小直徑鋼管樁單樁長細(xì)比大導(dǎo)致柔性較大的缺點(diǎn)，將不穩(wěn)定巖土體內(nèi)部應(yīng)力傳遞到下部穩(wěn)定巖土體中，降低坡體內(nèi)部應(yīng)力集中，能有效起到提高基礎(chǔ)承載力并兼顧水平推力的作用。

由于原擋墻垮塌時正值主汛期，為防止墻后邊坡在降雨等不利因素下再次發(fā)生滑塌，需盡快將擋墻修筑完成，通過比選，對已建擋墻段采用鋼管樁+聯(lián)系梁方案進(jìn)行加固，對未建擋墻段采用鋼管樁+聯(lián)系梁作為基礎(chǔ)，聯(lián)系梁上再修筑擋墻的方案。該方案施工速度快，開挖量小，對邊坡擾動小，特別適合對工期要求緊的搶險工程。

4 鋼管樁樁基承載力計(jì)算

由于原始地基承載力不能滿足要求，采用小直徑鋼管灌注排樁+聯(lián)系梁作為擋墻基礎(chǔ)，實(shí)際是地基加固的一種方式，其主要是對擋墻提供豎向承載力，故需對鋼管樁樁基承載力進(jìn)行計(jì)算，以驗(yàn)證其是否滿足擋墻地基承載力的要求。本次針對最不利工況下，進(jìn)行鋼管樁樁基承載力計(jì)算，選取計(jì)算斷面如圖6 所示斷面，即衡重式擋墻墻高為4 m，鋼管樁樁頂聯(lián)系梁高1.5 m，鋼管樁長10 m。

4.1 考慮樁周及樁端巖土的抗力所提供的單樁承載力

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）5.3.7［16］，鋼管樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算公式：

式中各參數(shù)的意義詳見《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）5.3.7。

計(jì)算得出鋼管樁單樁豎向極限承載力特征值Ra=0.5×[Quk］=243.66 kN。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）5.2.5，考慮承臺效應(yīng)的復(fù)合基樁豎向承載力特征值可按下式確定：

最終得出考慮承臺效應(yīng)的復(fù)合基樁豎向承載力特征值R=270.125 kN。

4.2 考慮樁身材料強(qiáng)度確定的單樁承載力

根據(jù)《建筑地基處理規(guī)范》（JGJ 79-2012）7.3.3［17］，由樁身材料強(qiáng)度確定的單樁承載力計(jì)算公式為：

通過計(jì)算得出由樁身材料強(qiáng)度確定的單樁承載力特征值Ra=157.865 kN。

故鋼管樁單樁豎向承載力由樁身材料強(qiáng)度控制，其特征值為Ra=157.865 kN。

根據(jù)理正軟件6.0 衡重式擋土墻模塊的計(jì)算結(jié)果，暴雨工況下?lián)鯄χ禾幾畲蟮鼗休d力為146.159 kPa，鋼筋混凝土聯(lián)系梁的重度取25 kN/m3，則此時每延米聯(lián)系梁上單根鋼管樁承受豎向力：F=（146.159×2.5×1+25×2.5×1.5×1）/3=153.049 kN，小于上述所計(jì)算的單樁承載力特征值Ra，故鋼管樁承載力滿足要求。

5 工程處治措施

根據(jù)方案比選及鋼管樁樁基承載力的計(jì)算結(jié)果，對該邊坡進(jìn)行了分段處治，具體措施如下（參見圖7）：

圖7 工程處治措施立面圖Fig.7 Elevation of the treatment measures

（1）對已建擋墻段，在距擋墻頂外側(cè)1.7 m 處設(shè)置Ⅰ型鋼管排樁+聯(lián)系梁進(jìn)行加固。

（2）對未建擋墻段，設(shè)置Ⅱ型鋼管排樁＋聯(lián)系梁作為基礎(chǔ)，聯(lián)系梁頂修筑衡重式擋墻，根據(jù)覆蓋層厚度，擋墻分為A 型擋墻（墻高為4 m）及B 型擋墻（墻高為3 m），擋墻基礎(chǔ)與聯(lián)系梁之間通過插筋增強(qiáng)聯(lián)結(jié)。墻頂應(yīng)與已建擋墻墻頂齊平等高，且面坡應(yīng)在一個平面內(nèi)，不得錯開。A 型擋墻距離右側(cè)邊緣0.8 m 處預(yù)留排水口，高0.5 m，寬0.5 m，以方便擋墻回填后坡面匯水的流出。

（3）鋼管樁注漿材料采用M30 水泥砂漿，采用二次灌漿施工工藝進(jìn)行灌漿。

（4）擋墻施工完成后，墻背按設(shè)計(jì)坡比1∶1.5 進(jìn)行回填，回填至與鄰近院壩地面線齊平等高。

（5）在新建擋墻及已建擋墻頂部恢復(fù)圍墻。

（6）圍墻內(nèi)的斜坡及回填段地面采用C15 砼進(jìn)行封閉，厚度20 cm，以作為護(hù)坡及地平表面。

小直徑鋼管灌注排樁作為擋墻的基礎(chǔ)，可有效解決擋墻地基承載力不足的問題；墻前采用小直徑鋼管排樁進(jìn)行加固，增加了墻體的抗傾覆能力；采用C15 砼對墻背回填后的斜坡及回填段地面進(jìn)行封閉，可防止由于地表水及雨水下滲，導(dǎo)致?lián)鯄Φ鼗浕约皦笸馏w容重增大，產(chǎn)生較大的水平推力，造成擋墻產(chǎn)生傾覆破壞。處治工程施工過程中及完成后未發(fā)現(xiàn)邊坡有再次變形和滑塌的跡象，取得了較好的工后效果。

6 結(jié)語

（1）原擋墻所處邊坡的地形條件及地質(zhì)特征是誘發(fā)擋墻產(chǎn)生變形破壞的內(nèi)因；墻體自身排水不暢，在強(qiáng)降雨作用下，地表水下滲，致使擋墻地基軟化以及墻后土體容重增大，產(chǎn)生較大的水平推力，是導(dǎo)致墻體向臨空方向傾倒、整體垮塌的主要原因。

（2）通過比選，對已建擋墻段和未建擋墻段分別采用不同型式的鋼管灌注排樁+聯(lián)系梁方案進(jìn)行加固和處治。

（3）由于原始地基承載力不能滿足要求，采用小直徑鋼管排樁+聯(lián)系梁對地基進(jìn)行加固，對擋墻提供豎向承載力，通過不同的方法計(jì)算鋼管樁的單樁承載力特征值，證明了其滿足設(shè)計(jì)要求，方案可行。

（4）擋墻修筑完成后，采用C15 砼對墻背回填后的斜坡及回填段地面進(jìn)行封閉，可防止地表水及雨水下滲而造成墻體再次失穩(wěn)。

（5）小直徑鋼管灌注排樁是將單根鋼管灌注樁通過聯(lián)系梁組合成空間整體框架，其具有施工速度快、開挖量小、對邊坡擾動小的優(yōu)點(diǎn)，特別適合對工期要求緊的搶險工程。在采用擋墻方案處治已發(fā)生滑塌的邊坡時，采用小直徑鋼管灌注排樁的處治方式，可提高已建擋墻的抗傾覆能力；作為擋墻基礎(chǔ)可有效解決大規(guī)模開挖基坑引發(fā)邊坡二次滑塌等次生災(zāi)害問題。