濕陷性黃土地區(qū)高填方路基微型鋼管樁加固技術(shù)分析

徐志彪 （楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712100）

1 引言

伴隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入實施和經(jīng)濟的突飛猛進，西部地區(qū)工程建設(shè)日新月異，陜西黃土地區(qū)高等級公路交通網(wǎng)建設(shè)迅速發(fā)展，高填方路基工程也越來越常見，且多為濕陷性黃土填方路基[1]。濕陷性黃土地區(qū)高等級公路的高填方路基發(fā)生邊坡失穩(wěn)的主要原因是在運營過程產(chǎn)生的濕陷變形，以及行車荷載作用下的壓縮變形，造成的不均勻下沉，嚴(yán)重影響行車安全。

在公路工程中，高填方路堤由于工程造價、環(huán)境影響、材料及施工等優(yōu)勢，在很多場地可以替代架設(shè)橋梁修建公路，在公路施工規(guī)范中，黃土地區(qū)的高填方路堤一般是指路堤邊坡高度超過20m的路堤填方工程。但由于黃土地區(qū)結(jié)構(gòu)疏松多孔，一旦浸水或者增濕時強度會驟降，結(jié)構(gòu)將發(fā)生大幅度的變形，即為黃土的濕陷性。高填方黃土地區(qū)在荷載、車輛荷載及雨水作用下，路堤可能會產(chǎn)生不均勻沉降、縱橫向裂縫、整體滑動，甚至邊坡滑塌等各種病害，給國家和人民造成極大的經(jīng)濟損失[2]。因此，既有高等級公路高填方路基出現(xiàn)病害之后的加固技術(shù)是目前公路路基研究的重點方向。

在高填方路基進行加固時，常采用抗滑樁、擋土墻或進行邊坡錨固等方法。但由于邊坡滑移多具有突發(fā)性和災(zāi)難性特點，常規(guī)處治措施加固周期長、工藝復(fù)雜、費用高而難以適應(yīng)應(yīng)急搶修。針對以上問題，微型鋼管樁加固技術(shù)具有施工周期較短，施工機具簡單，不影響周邊環(huán)境，加固效果好等優(yōu)點?；谝陨蟽?yōu)點，近年來，微型鋼管樁在現(xiàn)有工程的基礎(chǔ)加固、建筑物糾偏、防震等，施工場地狹小的工程和基坑、邊坡加固方面得到了廣泛應(yīng)用[3]。

目前對于微型管樁加固地基技術(shù)研究主要注重于理論研究方面，且主要針對于沿海軟土地區(qū)，對于微型鋼管樁加固黃土地區(qū)高填方路基應(yīng)用效果的研究較少，尚未涉及黃土地區(qū)公路高填方路基的加固效果評價。本文針對已經(jīng)發(fā)生病害的某濕陷性黃土地區(qū)高等級公路高填方路基進行加固原理及受力特性開展分析，采用微型鋼管樁進行路基加固，并對加固后的路堤進行試驗，確定微型鋼管樁最佳布設(shè)模式。通過計算分析樁—土應(yīng)力分布，綜合評價微型鋼管樁加固效果，為濕陷性黃土地區(qū)高填方路基加固處理提供參考。

2 項目背景

實際公路路基加固工程中，常采用微型抗滑鋼管壓力注漿技術(shù)與微型樁進行邊坡處理加固。這種施工工藝是先布置微型鋼管樁，然后采用壓力注漿對鋼管周圍的滑坡巖土體進行注漿加固，從而形成樁、固化土復(fù)合結(jié)構(gòu)，提高坡體的整體性。注漿微型抗滑鋼管樁在高填方路基加固工程中應(yīng)用廣泛，微型鋼管樁屬于小直徑抗滑樁，其加固原理和傳統(tǒng)大直徑樁有較大差異，因此，本文通過試驗和計算對于其加固原理和受力特性進行分析。

本文以某黃土地區(qū)陡坡路基為研究對象，該邊坡里程為K42+600～K42+750，邊坡長約150m，坡高平均為20.5m，邊坡坡度1:0.3，厚度約15m；下部為強風(fēng)化薄層狀泥灰?guī)r，厚度約5.5m。邊坡大部分近直立，局部為臺階狀，出露地層以黃土為主。

由于外部連續(xù)降雨影響，道路右側(cè)出現(xiàn)局部滑塌。為了研究該地區(qū)微型鋼管樁的單樁對高填方黃土路堤加固作用，在現(xiàn)場進行微型鋼管樁加固試驗研究。試樁試驗區(qū)采用了鉆孔樁、管樁、微型注漿鋼管樁進行地基加固處理，本文主要對微型注漿鋼管樁的加固后樁—土應(yīng)力關(guān)系及加固原理進行探討分析。

3 加固方案

針對試樁試驗區(qū)采用的微型注漿鋼管樁鉆孔直徑為320mm，鋼管直徑為300mm，壁厚8mm，樁長11m。在施工現(xiàn)場施工15根注漿微型鋼管樁，鋼管采用鋼花管樁群成梅花形布置，樁間距0.5 m。漿液采用水泥砂漿，砂子與水泥比例為1：1，水灰比為0.75，并在各樁身不同位置安裝應(yīng)變片進行試驗分析，安裝完成后，在坡頂開始分級加載。用單循環(huán)連續(xù)加載法進行試驗加載，每級荷載為預(yù)估極限承載力1/10。研究樁、土間的不均勻側(cè)向位移及對樁土荷載分擔(dān)作用的影響機理。

4 樁土應(yīng)力分析

采用微型抗滑鋼管樁進行邊坡處理加固時，鋼管樁所受土壓力為被動土壓力。從試驗過程發(fā)現(xiàn)在抗滑樁的作用下，樁間土體受外力后樁間土?xí)a(chǎn)生不均勻位移或變形，當(dāng)土體的應(yīng)力超過抗剪強度時，土體可能會產(chǎn)生剪切滑移，進而引起滑坡。在使用微型鋼管樁加固后，土體相對位移大大減小，樁間不同位置土體位移出現(xiàn)明顯差異，而這種不均勻位移會造成的樁—土應(yīng)力復(fù)雜化。樁后土體最大主應(yīng)力和樁成垂直方向，樁體承受了大部分的滑坡推力，由樁側(cè)表面到樁間土中心，土體最大主應(yīng)力逐漸減小，樁承受的滑坡推力逐漸增大。而本次試驗可以明顯看出，靠近樁的部分土體位移小，遠(yuǎn)離樁部分土體位移較大，其位移等值線類似于拱形。

由圖1所示，選取深度為2m處土體進行應(yīng)力分析，在滑坡推力作用下，微型鋼管樁承受應(yīng)力要大大高于土體應(yīng)力，滑坡推力主要由樁體承受。在微型鋼管樁加固后，樁間土體從樁側(cè)到樁中心最大主應(yīng)力逐漸減小，形成了非常明顯的土拱，也就是滑坡推力由土體向樁體轉(zhuǎn)移。在樁的中軸線上土拱比較明顯，所受應(yīng)力最大。樁后1d（d為鋼管直徑）剖面上應(yīng)力有所減小，樁后2d處應(yīng)力分布接近水平，說明土拱效應(yīng)基本衰減至零。

圖1 不同剖面上的應(yīng)力分布

5 不同深度應(yīng)力分析

為了進一步分析微型鋼管樁對邊坡加固深度影響，對樁間土不同深度處的側(cè)向應(yīng)力進行分析。如圖2所示，分別對土體深度為1.5m、3.5m、4.5m的x＝2d剖面上的側(cè)向應(yīng)力進行分析，由圖2可知，在淺層范圍內(nèi)樁體受到的側(cè)向應(yīng)力明顯大于樁間土。但隨著土體深度增加，樁—土不均勻位移會逐漸減弱，土拱效應(yīng)也越來越不明顯，而微型鋼管樁的樁體所受荷載也在逐漸降低，推力荷載由樁體向樁間土轉(zhuǎn)移。因此，可以看出樁間土拱效應(yīng)主要是由于在微型鋼管樁約束作用下，土體顆粒相互擠壓嵌緊形成的。使用微型鋼管樁加固后，一方面可以在淺層土體范圍內(nèi)起到較好的荷載分擔(dān)作用；另一方面對樁間土體位移起到了約束限制作用，從而使樁間土體承載能力得到提高。在實際工程加固過程中，可將微型鋼管樁樁頂與路面結(jié)構(gòu)進行注漿粘結(jié)，這樣有利于樁體荷載分配，對邊坡土體的約束限制會大大提高，增強了邊坡的穩(wěn)定性。

圖2 在不同深度范圍內(nèi)x方向應(yīng)力分布

6 樁位分析

抗滑樁的布設(shè)位置有坡頂、坡面和坡腳效果不一，施工難度差別也較大，為了確定微型鋼管樁最佳的布設(shè)位置，進一步分析不同樁位的受力效果。試驗發(fā)現(xiàn)，在分級加載超過最大承載力后在加固前，從坡頂直至坡腳位置會出現(xiàn)連續(xù)的滑裂面，當(dāng)在滑裂面附近進行微型鋼管樁加固后，加固位置選取在填方邊坡距離坡頂1m，僅布置一排，加固后在抗滑樁以下出現(xiàn)邊坡滑裂面，樁體以上部分的路基表現(xiàn)良好，未出現(xiàn)破壞。因此，可以看出微型鋼管樁加固后上部土體位移減小，加固效果很好。通過觀測，使用微型鋼管樁加固之后，路基受力均勻，在破壞位置沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在樁體下側(cè)滑裂面土體應(yīng)力也大幅下降。加固后，邊坡安全系數(shù)也有了較大提高。

分別在距離坡頂1m和2m的位置坡面布設(shè)兩排抗滑樁后，雖然出現(xiàn)滑裂面范圍增大的情況，但是滑裂面破壞程度減小，特別是在采用這種布設(shè)模式之后，整個填方路基應(yīng)力分布更加合理，整體穩(wěn)定性增強，邊坡安全系數(shù)比僅布置一排抗滑樁提高了20%左右。

最后在距離坡頂1m、2m和3m的位置布置三排樁，雖然此次路基剪應(yīng)力分布更加合理，滑裂面破壞程度進一步減小，但是滑裂面較大，邊坡安全系數(shù)僅比雙樁提高5%左右，在綜合考慮經(jīng)濟性、安全性以及施工便捷性，采用雙排梅花形布置的高填方黃土路堤邊坡路堤加固方式效果較好。

7 結(jié)語

微型鋼管樁施工比較簡單，操作方便，能有效防止高填方路基滑坡，對高填方路基加固又比較適用和經(jīng)濟。在注漿加固后路基受力良好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，未出現(xiàn)開裂及滑坡的現(xiàn)象。對比其他加固的方法，該方法可控性強，安全穩(wěn)定性高。

在黃土地區(qū)高填方路基加固微型抗滑樁主要是通過形成樁—土復(fù)合型擋土墻，利用樁體承擔(dān)滑坡荷載、約束樁間土位移及注漿固化土體等方面，對高填方黃土路基進行加固補強。在受到滑坡推力后，樁間土將相對于樁體發(fā)生位移，在微型抗滑樁鋼管樁的約束阻力以及土體自身粘聚力和內(nèi)摩擦力共同作用下，不同部位樁間土所受應(yīng)力會產(chǎn)生差異，從而導(dǎo)致土體的不均勻位移。由于土體的不均勻位移會使土顆粒間相互擠壓，嵌填密實，也就是“土拱效應(yīng)”，這種效應(yīng)提高了黃土的密實性，增強了黃土地區(qū)的抗?jié)裣菪?，對于黃土路堤的加固作用非常明顯，能大大提高黃土路堤的抗剪切滑移能力，而且在淺層范圍內(nèi)微型抗滑樁鋼管樁能承擔(dān)大部分滑坡荷載。進一步分析采用雙排梅花形布置的微型鋼管樁受力合理，加固效果較好，是最佳布設(shè)方式。因此，微型抗滑樁鋼管樁對控制邊坡穩(wěn)定性效果非常明顯，可以為高填方的黃土路基加固工藝提供很好的參考。