微型樁輕型擋墻在邊坡滑塌治理中的應(yīng)用

歐 煜

(湖南化工地質(zhì)工程勘察院有限責(zé)任公司,湖南 長沙 430100)

在邊坡支擋工程設(shè)計和施工中,經(jīng)常會遇到地基承載力不足、支護(hù)空間狹小、周邊環(huán)境復(fù)雜等特殊工況,傳統(tǒng)擋土墻往往無法正常實施。為了解決特殊條件下邊坡支擋工程結(jié)構(gòu)選型的問題,諸多學(xué)者在擋土墻的開發(fā)、研究等方面做了很多創(chuàng)新性工作。葛帆[1]針對深厚填土地基中地基承載能力不足的缺陷,提出采用空箱型擋土墻結(jié)構(gòu),解決了實際工程問題,節(jié)省了造價。邵先鋒等[2]提出一種新型剁式擋土墻,在上級與下級擋土墻中間設(shè)置支墩,提高了擋土墻抗側(cè)向變形及整體穩(wěn)定性。周根郯[3]對傳統(tǒng)扶壁式擋土墻進(jìn)行了改良,解決路基面寬度不足的問題,其既具有擋土作用,又可跨越障礙物。劉曙光[4]等提出了一種疊合型裝配式擋土墻,其具有整體性,連接可靠,抗裂性能好,值得推廣應(yīng)用。

綜上可以看出,前人的研究均是在傳統(tǒng)擋土墻,如重力式擋墻、扶壁式擋土墻、懸臂式擋墻等的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)研究并應(yīng)用,能夠較好地解決當(dāng)下某些具體工程難題。但通過分析我們發(fā)現(xiàn)這些支擋結(jié)構(gòu)存在圬工體積較大,施工工序較復(fù)雜,工期較長,需借助大型機械設(shè)備施工等問題。尤其當(dāng)周邊環(huán)境復(fù)雜,既有邊坡發(fā)生滑塌需應(yīng)急治理時,往往由于工期緊迫,且支擋空間受限,導(dǎo)致上述支擋結(jié)構(gòu)無法順利實施。因此,亟需開發(fā)一種施工簡便、快速、靈活,且施工過程對周邊環(huán)境影響較小的支擋結(jié)構(gòu)。

本文提出一種新型擋墻,即微型樁輕型擋墻,其應(yīng)用于工程實例中能夠有效解決上述問題,并取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 微型樁輕型擋墻

微型樁輕型擋墻典型剖面如圖1所示。微型樁輕型擋墻將鉆孔注漿微型樁與圬工體相結(jié)合,形成復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu),主要由微型樁、砼面板、注漿錨桿、加強筋等組成,具體為:

圖1 微型樁輕型擋墻典型剖面Fig.1 Design section of the light-type retaining wall with micropiles

1)鉆孔注漿微型樁

鉆孔注漿微型樁一般采用小型鉆機成孔并注漿,鉆孔孔徑48～300 mm,施工快速、簡便。微型樁作為整個支護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),其截面形式、排數(shù)根據(jù)實際情況可靈活多變,一方面為支護(hù)結(jié)構(gòu)提供豎向承載力,且不受地層限制;另一方面提供較好的抗彎、抗剪能力。

2)砼面板

砼面板采用現(xiàn)澆形式,面板直接擋土,主要對地面以上微型樁等結(jié)構(gòu)進(jìn)行包裹,從而實現(xiàn)對支護(hù)體系的有效聯(lián)結(jié)及保護(hù)。面板可根據(jù)需要設(shè)置泄水孔。

3)注漿錨桿

錨桿主要起限制支護(hù)結(jié)構(gòu)位移并提供抗傾覆彎矩的作用,根據(jù)實際需要采用。當(dāng)支護(hù)高度較高,微型樁本身抗彎剛度無法滿足要求,或?qū)ψ冃慰刂埔筝^高時,可在面板上部設(shè)置1～2排錨桿(索),從而較大程度提高支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度及強度。當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)高度較低,且微型樁抗彎、抗剪及變形滿足要求時,可不設(shè)置錨桿。

4)加強筋

加強筋主要通過焊接設(shè)置在微型樁頂部及中部,一般間距為0.5～1.0 m,可采用螺紋鋼筋、槽鋼等其他截面形式鋼材,主要將多根微型樁有效地聯(lián)結(jié)成整體。

與傳統(tǒng)擋墻相比,微型樁輕型擋墻能夠充分利用微型樁提供的抗彎、抗剪能力,大大減小圬工體積;在提高施工速度等方面的優(yōu)勢明顯,同時具備布置靈活,施工簡便、造價低等特點,尤其適用于施工場地狹小,需快速施工的搶險工程等項目。

2 計算方法

鋼管微型樁作為一種較新的支護(hù)結(jié)構(gòu),具有對土層適用性強,布置靈活,施工時對周圍建筑影響小等特點,在基坑支護(hù)工程、房屋加固工程、古建筑加固糾偏、邊坡支護(hù)等領(lǐng)域優(yōu)勢明顯,均得到了廣泛應(yīng)用。

國外對鋼管微型樁研究起步較早,已有成功的應(yīng)用案例,如美國北卡羅來納州某河沿岸的滑坡治理案例中使用了錨錠微型鋼管樁擋墻的技術(shù)[13],科羅拉多州成功應(yīng)用微型鋼管樁進(jìn)行臨時支護(hù)工程[14]。近年以來,國內(nèi)學(xué)者對鋼管微型樁[5-12]加固的受力機理及工作性能開展了比較豐富的研究。

當(dāng)鋼管微型樁作為邊坡支擋結(jié)構(gòu)時主要發(fā)揮其側(cè)向抗彎、抗剪性能,主要設(shè)計計算方法包括:懸臂樁法、地基系數(shù)法等。筆者基于前人的研究成果,總結(jié)得到微型樁的驗算包括地基土強度校核、微型樁抗彎能力校核、微型樁抗剪能力校核,具體如下:

1)地基土強度校核

微型樁嵌入巖土層深度應(yīng)根據(jù)地基的橫向承載力特征值確定,計算公式為

式中:φ為地基土內(nèi)摩擦角,°;γ為地基土容重,kN/m3;h為地面至計算點距離,m;c為地基土黏聚力,kPa。

2)微型樁抗彎能力校核

將微型樁簡化為受均布荷載的懸臂梁,則單根樁發(fā)生彎曲變形時所能提供的最大抗力為

式中:E為微型樁彈性模量,MPa;I為微型樁截面慣性矩,m4;δ為樁頂位移限制量,mm;H為微型樁受彎段長度,m。

3)微型樁抗剪能力校核

微型樁樁體抗剪力計算公式為

R=A1τ1+A2τ2

式中:A1為微型樁凈截面積,mm2;τ1為微型樁抗剪強度設(shè)計值,MPa;A2為漿體凈截面積,mm2;τ2為漿體抗剪強度設(shè)計值,MPa。

3 工程應(yīng)用實例

3.1 工程概況

擬治理邊坡位于珠海市井岸鎮(zhèn),該處原為一漿砌片石擋墻,高約5.0 m,墻面近垂直。墻頂靠近居民自建民房,墻腳緊鄰內(nèi)部出行要道。由于墻體年久失修,受2019年當(dāng)?shù)貜娕_風(fēng)暴雨天氣影響,擋土墻邊坡東西走向與南北走向交界位置發(fā)生滑塌,長度約12.0 m;墻頂?shù)仄喊l(fā)生不同程度下沉開裂,如圖2所示。

圖2 邊坡滑塌現(xiàn)場Fig.2 The site of the slope sliding

邊坡滑塌,可能會危及坡頂既有建筑穩(wěn)定以及嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)鼐用癯鲂邪踩?必須進(jìn)行相關(guān)治理。事故發(fā)生后,當(dāng)?shù)貞?yīng)急管理部門立即啟動應(yīng)急預(yù)案,并根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害治理相關(guān)程序開展相關(guān)災(zāi)害處置工作。

3.2 地層概況

2)礫質(zhì)黏性土(Qdl+el、層號②):灰褐色、黃褐色,為花崗巖風(fēng)化坡殘積土,成分主要由黏土、石英砂礫及長石碎屑組成,石英砂礫含量為 20%～30%,表層夾較多植物根系及腐殖質(zhì),夾片塊石,呈松散狀,干燥-稍濕,硬塑,土體性質(zhì)一般不均勻,結(jié)構(gòu)較松散。

3.3 治理方案

3.3.1重點和難點

本邊坡治理的重點和難點:一是周邊環(huán)境復(fù)雜,坡頂靠近既有民宅,坡腳緊鄰出行要道,空間狹小,不具備大型機械設(shè)備施工條件,且施工危險性較高;二是能提供給支護(hù)結(jié)構(gòu)的占用的水平距離僅約0.5 m,無法修建高大支擋結(jié)構(gòu);三是邊坡治理施工必須快速,從而最大化降低社會負(fù)面效應(yīng)。

3.3.2方案比選

填方邊坡一般采用擋墻支擋。常用的擋土墻形式主要包括重力式擋墻、扶壁式擋墻、懸臂式擋墻、樁板式擋墻等。這些支擋結(jié)構(gòu)圬工體積較大,不僅需要借助大型機械設(shè)備對坡體進(jìn)行二次開挖,而且需要開挖基礎(chǔ),工期較慢,施工過程中產(chǎn)生的風(fēng)險及其對周邊環(huán)境的影響較大。而本段邊坡坡頂靠近既有民房,坡腳緊鄰出行要道,不具備大型機械設(shè)備施工條件。此外,受空間限制,邊坡治理只能采用輕型支擋結(jié)構(gòu)。

綜上,針對本項目特點,需要一種施工簡便、快速、安全,占地空間小,結(jié)構(gòu)牢固的支擋結(jié)構(gòu),而傳統(tǒng)的重力式擋墻、扶壁式擋墻、懸臂式擋墻、樁板式擋墻均無法滿足邊坡治理的要求。經(jīng)過論證比選,選定微型樁輕型擋墻。

3.3.3設(shè)計參數(shù)

通過設(shè)計計算,最終確定設(shè)置1排I12工字型鋼,樁長12.0 m,樁間距0.5 m。樁身懸臂段通過焊接設(shè)置3排[20a槽鋼聯(lián)結(jié),外側(cè)澆筑300 mm厚混凝土面板進(jìn)行包裹。樁頂以下1.5 m位置設(shè)置1排直徑25 mm注漿錨桿,間距2.0 m,錨桿端部與槽鋼焊接固定。樁身嵌固段采用地質(zhì)鉆機成孔,孔徑200 mm,孔內(nèi)灌注M30水泥砂漿,采用孔底返漿法進(jìn)行施工。此外,樁身嵌固段需焊接支架,保證微型樁混凝土保護(hù)層厚度不小于4 cm。

支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面設(shè)計圖及平面設(shè)計圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面設(shè)計圖Fig.3 Design section of the structure

圖4 支護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置圖Fig.4 Plan layout of the structure

3.4 治理效果

治理方案確定后,立即開展了搶險施工,并在最短時間內(nèi)完成了全部內(nèi)容。施工工序:坡面清理→測量放線→滑塌坡面注漿錨桿預(yù)加固施工→微型樁鉆孔施工→微型樁下料及注漿施工→懸臂段槽鋼焊接施工→砼面板澆筑施工及養(yǎng)護(hù)→墻背回填施工→其他附屬設(shè)施施工。圖5為治理完工后的整體效果圖。由圖5可見,支護(hù)結(jié)構(gòu)基本恢復(fù)了原邊坡重力式擋土墻的功能,占地空間更小。在經(jīng)歷了2個雨季后,邊坡整體安全穩(wěn)定,表明微型樁輕型擋墻在治理此類邊坡是可行的。

圖5 治理后效果Fig.5 The site after treatment

4 數(shù)值分析

有限單元法對一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的處理比較方便,如各種不同邊界條件、荷載條件、巖土性狀、巖土界面等。因此,為了更好地對微型樁輕型擋墻支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形及工作性狀進(jìn)行研究,本文采用巖土工程有限元分析軟件Plaxis建立上述工程實例典型設(shè)計剖面的二維有限元模型,并對實際施工過程進(jìn)行有限元數(shù)值模擬計算,主要過程如下。

4.1 有限元模型建立及計算參數(shù)選取

土層的強度參數(shù)值取自該工程的地質(zhì)勘探報告,本構(gòu)模型采用M-C模型,地面超載取20 kPa。

采用軟件自帶的板單元分別模擬微型樁及注漿錨桿。微型樁及錨桿均視作彈性構(gòu)件,在相應(yīng)的接觸面上設(shè)置界面單元模擬結(jié)構(gòu)與土的相互作用。土層與支護(hù)結(jié)構(gòu)的界面強度折減因子Rinter取為0.67,即相應(yīng)土層抗剪強度指標(biāo)的2/3。模型邊界條件為:兩側(cè)均為無水平位移,底邊完全固定。

根據(jù)以上原則建立有限元計算模型,如圖6所示。巖土及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)分別如表1、表2所示。

表1 巖土參數(shù)Tab.1 Parameters of soils

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Parameters of retaining structures

圖6 有限元計算模型Fig.6 Finite element model

4.2 計算結(jié)果分析

4.2.1水平位移分析

圖7是支護(hù)結(jié)構(gòu)周邊地層水平位移分布。從圖7可以看出:地層中水平位移最大值出現(xiàn)在坡體中下部靠近臨空面位置,最大值約35.5 mm。圖8是微型樁水平位移分布。從圖8可以看出:微型樁產(chǎn)生的水平位移呈近似“凸肚”型分布,頂部受錨桿約束,位移較小,最大水平位移發(fā)生在靠近樁懸臂段中部位置;樁嵌固段水平位移衰減較快,樁端水平位移最小值約15.0 mm。

圖7 地層位移分布Fig.7 The displacement distribution in the soils

圖8 微型樁水平位移分布Fig.8 The horizontal displacement distribution of the micropiles

需指出的是,本項目邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)平面呈“L”型分布,計算時未考慮加強筋的聯(lián)結(jié)效應(yīng),以及兩側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)對彼此形成相互約束效應(yīng),造成計算位移較實際發(fā)生位移偏大。因此,位移計算結(jié)果是偏于安全的。但實際工程中若遇到某一側(cè)支護(hù)邊長較大,建議在懸臂段中下部設(shè)置錨桿控制位移。

4.2.2微型樁內(nèi)力分析

微型樁樁身彎矩及剪力分布如圖9所示。從圖9可以看出:與位移分布圖類似,微型樁樁身彎矩仍呈“凸肚”型分布,最大彎矩出現(xiàn)在樁懸臂段中部偏下位置,最大值約60 kN。而微型樁剪力在受荷段變化較大,錨桿作用位置存在突變,嵌固段剪力迅速衰減;最大剪力出現(xiàn)在地面位置附近,極值為40.3 kN/m;剪力為0時,彎矩有極值,符合理論規(guī)律。

圖9 微型樁內(nèi)力分布Fig.9 The internal forces distribution of the micropiles

與2節(jié)理論值相比,彎矩數(shù)值計算結(jié)果較理論值偏大約18%,而剪力數(shù)值計算結(jié)果遠(yuǎn)小于理論值。究其原因,主要是數(shù)值模擬計算未考慮樁身加強筋的聯(lián)結(jié)效應(yīng),以及兩側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)對彼此形成相互約束效應(yīng),導(dǎo)致計算得到位移及樁身彎矩值偏大。同時,表明該支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞模式可能主要為微型樁抗彎能力達(dá)到極限而引起的傾覆破壞,一般不會發(fā)生樁身剪切破壞。

4.2.3微型樁受土壓力分析

圖10是微型樁受主、被動土壓力分布。從圖10可以看出:樁側(cè)的主、被動土壓力均呈近似直線分布,從上至下逐漸增大。嵌固段主動土壓力與被動土壓力近似相等,主動土壓力最大值為104.0 kPa,被動土壓力的最大值為100.0 kPa。

圖10 微型樁受土壓力分布Fig.10 The distribution of earth pressures acting on the micropiles

4.3 設(shè)計參數(shù)優(yōu)化分析

綜合上述分析,微型樁抗彎能力和錨桿對支護(hù)結(jié)構(gòu)整體安全穩(wěn)定的影響較大,因此有必要對其設(shè)計參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。本文采用數(shù)值模擬分析的方法,對微型樁輕型擋墻支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模擬,從控制支擋結(jié)構(gòu)水平位移的角度為其優(yōu)化設(shè)計提供相關(guān)依據(jù)。

4.3.1微型樁剛度

為考察微型樁剛度對支護(hù)結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的影響,設(shè)置多組微型樁的剛度參數(shù)(0.5倍、1.0倍、1.5倍、2.0倍),其余參數(shù)保持一致,得到各組參數(shù)下微型樁水平位移分布曲線,如圖11所示。

圖11 微型樁水平位移隨樁剛度變化曲線Fig.11 The horizontal displacement distribution of the micropiles with different stiffness

從圖11可以看出:微型樁剛度參數(shù)對位移影響主要體現(xiàn)在樁身懸臂段。0.5倍剛度參數(shù)工況下,樁身懸臂段水平位移急劇增大,呈折線形分布,且不可控;最大位移出現(xiàn)在樁頂位置,此時微型樁很可能由于抗彎剛度不足,懸臂段發(fā)生折斷破壞,整個支護(hù)結(jié)構(gòu)傾覆。而在1.0倍、1.5倍、2.0倍剛度參數(shù)3種工況下,微型樁水平位移變化趨勢類似,均呈“凸肚”型分布,最大值均發(fā)生在懸臂段中部偏下位置,且沿深度方向數(shù)值上差異不大,且均可控。

因此,微型樁剛度參數(shù)對支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移影響明顯,過小的剛度容易引起支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形過大導(dǎo)致的失穩(wěn)破壞,而一味增大剛度值并不會顯著改變位移分布規(guī)律及位移大小。在生產(chǎn)實踐中,需加強計算與比選,以選取最合理的型鋼截面形式。

4.3.2樁身錨桿

為研究錨桿設(shè)計數(shù)量對支護(hù)結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的影響,本次設(shè)置3種不同工況,即不設(shè)置錨桿、設(shè)置1排錨桿和設(shè)置2排錨桿,得到不同工況條件下樁身位移分布曲線,如圖12所示。錨桿具體參數(shù)見表2。

圖12 微型樁水平位移隨錨桿數(shù)量變化曲線Fig.12 The horizontal displacement distribution of the micropiles with different number of anchors

從圖12可以看出:錨桿排數(shù)主要影響微型樁樁身懸臂段水平位移分布規(guī)律,而嵌固段位移分布基本不受影響。當(dāng)不設(shè)置錨桿時,樁身水平位移呈折線形分布,最大值發(fā)生在樁頂,且不可控。當(dāng)樁頂位置設(shè)置1排錨桿時,水平位移迅速收斂,受錨桿約束作用呈“凸肚”型分布。當(dāng)設(shè)置2排錨桿時,位移分布規(guī)律與1排錨桿類似,但數(shù)值進(jìn)一步減小,減小幅度不明顯。

工程實踐表明,對于此類支護(hù)結(jié)構(gòu),當(dāng)支護(hù)高度在5.0 m左右時,建議在樁身設(shè)置1排錨桿便可較好限制樁身水平位移。當(dāng)支護(hù)高度進(jìn)一步增加時,則需根據(jù)實際情況適當(dāng)增加錨桿數(shù)量或調(diào)整錨桿間距。

5 結(jié)論

本文提出了一種微型樁輕型擋墻結(jié)構(gòu),其在邊坡治理工程中具備安全可靠、結(jié)構(gòu)型式靈活多變、圬工體積小、施工速度快以及經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點。采用有限元數(shù)值計算方法,對支護(hù)結(jié)構(gòu)位移、微型樁內(nèi)力、樁側(cè)土壓力分布等規(guī)律進(jìn)行分析,并結(jié)合工程實例,得出以下結(jié)論:

1)微型樁輕型擋墻具備布置靈活,施工簡便、造價低等特點,特別適用于周邊環(huán)境復(fù)雜,且需快速施工的搶險工程等項目。

2)微型樁輕型擋墻工作機理為:墻背土壓力首先作用于面板,然后傳遞給微型樁及樁身錨桿,兩者協(xié)同作用,共同抵抗墻背水平土壓力。其破壞模式可能為:微型樁復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)抗彎能力達(dá)到極限值而導(dǎo)致整體傾覆破壞。

3)微型樁樁身水平位移及彎矩均呈“凸肚”型分布,最大值出現(xiàn)在樁懸臂段中部位置附近。剪力值在受荷段變化較大,且在錨桿作用位置存在突變,最大值出現(xiàn)在地面附近。彎矩與剪力值在嵌固段均迅速衰減至最小值。

4)設(shè)計參數(shù)優(yōu)化分析結(jié)果表明:微型樁剛度對樁身懸臂段水平位移影響明顯,但一味增大剛度并不會顯著減小水平位移值。樁身嵌固段水平位移分布規(guī)律受剛度影響小。樁身錨桿對水平位移影響較大,當(dāng)不設(shè)置錨桿時,樁身水平位移呈近似折線形分布,最大位移出現(xiàn)在樁頂位置。