微型樁在臨時邊坡支護中的應用

謝紅建，萬力

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州貴陽550002)

微型樁在臨時邊坡支護中的應用

謝紅建，萬力

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州貴陽550002)

微型樁作為一種新型的支擋結構，施工快捷且經濟合理，常用于邊坡支擋中。該文運用結構力學和彈性地基梁理論，并以貴陽市環(huán)城路某段邊坡工程為案例，討論了不同形式的微型樁在計算時的受力方式和運用條件，得出微型樁的位移和內力。考慮樁土相互作用的原則，工程最終采用了雙排鋼管樁進行支擋，為邊坡阻滑結構的設計提供了合理的依據(jù)，并得出一些有益的結論。

巖質邊坡；微型樁；平面剛架；Winkler地基假定；穩(wěn)定性

在公路和房屋建設過程中有關邊坡加固的方法有多種，其中微型樁因其施工快捷方便且經濟合理，已成為一種新型的邊坡加固的支擋方法。筆者通過文獻調研并參與某邊坡的微型樁設計，研究雙排微型樁的受力特點，建立考慮樁間土的簡化計算模型，以期提高微型樁的設計水平，并總結一些經驗供同行參考。

1 工程概況

工程位于貴陽市環(huán)城路K8+590～K9+010段路面右側邊坡，其中K8+800處有一長鏈25.244m，邊坡的實際長度為445.244m。由于路線走向和巖層走向基本平行，開挖后形成了人工順層巖質邊坡。邊坡總體的設計方案是清方+錨固，即考慮削方后，在坡面采用預應力錨索支擋，坡腳采用抗滑樁和預應力錨索結合的方式，樁間設置樁間墻。坡頂合適位置設置截水溝，坡面設置排水孔，原則是要將坡頂?shù)乇硭⑵麦w的入滲水及時可靠排走。

在K8+800位置，從坡腳至坡頂距離約63.1m，坡體有軟弱夾層分布，在坡頂有一輸電鐵塔，為一級邊坡。由于在冬季施工中，預應力錨索錨固段強度上升很慢，故抗滑樁的作用僅為懸臂樁。在開挖抗滑樁以下路基時，為保證輸電鐵塔的安全，同時為滿足冬季施工、工期、造價，在坡頂先進行臨時支擋，以后再進行預應力錨索張拉，臨時措施采用微型鋼管樁（見圖1）。本文僅考慮鋼管樁的設計。

2 邊坡體工程地質條件概況

本文僅介紹K8+800剖面的工程地質條件。

原邊坡的地形中部陡峭，上部和下部較平緩，清方沿著層面進行，清方后的坡面角度為30°。

2.2 地層巖性

根據(jù)勘探結果，清方后邊坡下伏三疊系改茶組(Tgc)薄至中厚層白云巖，局部夾泥巖。

中風化白云巖：灰白色，紫紅色，中～厚層狀，隱晶質結構，節(jié)理裂隙較發(fā)育，節(jié)理裂隙局部被鐵質浸染，鈣質膠結，屬較硬巖。巖體較完整，結構面結合一般。根據(jù)《建筑邊坡工程技術規(guī)范》GB50330-2002附錄A邊坡巖體類型為III類。

中風化泥巖：薄層狀，泥質膠結，巖芯破碎，巖質軟，鉆探巖芯呈碎屑狀、沙狀、碎塊狀、圓餅狀，巖體不完整，結合很差，巖體類型為Ⅳ類。現(xiàn)場主要分布在坡面下6m的位置。

2.3 地質構造

2.1.1 鎂基復鹽的選擇與比例的確定 用EDTA滴定Mg-EBT時，Ba-EBT絡合物在Mg-EDTA存在時可發(fā)生置換反應轉化為Ba-EDTA和Mg-EBT。鎂基復鹽Mg-EDTA絡合物的存在有利于實現(xiàn)EDTA滴定SO24-，使滴定終點更加清晰。這或可由于Mg-EDTA本身做為一種絡合復鹽，其較高的穩(wěn)定常數(shù)（K=108.69）更易發(fā)生絡合反應而使不穩(wěn)定的Ba-EBT（K=102.0） 轉 化 為 Ba-EDTA（K=107.76） 和 Mg-EBT（K=107.0）等更為穩(wěn)定的絡合物，從而實現(xiàn)快速定量滴定。這一結論也從側面驗證了Mg-EDTA絡合物在反應體系中存在的必要性和優(yōu)越性。

巖層走向為335°，傾向為245°，傾角30°，巖層走向與邊坡走向交角小于30°為順向邊坡。邊坡發(fā)育兩組裂隙：第①組N15°W／NE∠67°（構成后緣裂縫，豎向切割邊坡）、第②組

N55°E／NW∠75°（側向切割邊坡）。

圖1 K8+800標準剖面圖

2.4 水文地質條件

經現(xiàn)場水文調查，地下水主要為節(jié)理裂隙水，受大氣降雨補給。穩(wěn)定地下水位低于開挖的路基以下，對支護設計沒有影響。根據(jù)巖土工程勘察報告，地下水對混凝土結構物有硫酸鹽、鎂離子和總礦化度等微腐蝕性；對鋼筋混凝土結構中鋼筋有氯鹽微腐蝕性，按《工業(yè)建筑防腐蝕設計規(guī)范》GB 50046－2008第3.1.9條“微腐蝕環(huán)境可按正常環(huán)境進行設計，可不作抗腐蝕性設計”。

3 鋼管樁計算分析

一般計算微型樁內力時有兩種分析方法:一種是簡化的結構力學分析法，包括地基系數(shù)法;另一種是考慮樁-樁周共同作用的數(shù)值計算方法，其中有限元法較為常見。由于數(shù)值分析方法需要采用界面單元考慮樁與巖石之間的摩擦作用，進而反應微型樁的樁身摩阻力分布和傳遞，由于目前對鋼管樁與巖石相互作用需要通過室內試驗(離心模型試驗)及現(xiàn)場試驗來確定受力模型和參數(shù)，試驗的費用較高，且采用界面單元來模擬樁與樁周的收斂特征也是一大難點，故微型樁的數(shù)值模擬方面的文獻較少。本文將采用基于結構力學的分析方法。

高壓輸電鐵塔位于坡頂，底面尺寸為4m×4m。鋼管樁為雙排排樁，間排距為1m，方向平行于第一組裂隙的走向，共計16排，后排樁距離鐵塔約4m的位置。鋼管樁沿路線長16m。鋼管樁采用直徑146mm、厚度為8mm的鋼管，微型樁的頂部在縱橫向采用槽鋼焊接，鋼管樁的鉆孔直徑為180mm，并用C30細石混凝土在有壓下充填微型樁及澆筑承臺，見圖2。

圖2 坡頂鋼管樁位置

3.1 鋼管樁推力的計算

其推力計算同抗滑樁的滑坡推力，為偏于安全，不考慮樁前提供的被動土壓力。同時由于鐵塔位于坡頂，且施工期為冬季，雨水少，排水措施和地面固化能消除雨水的影響，故按常規(guī)工況考慮。其推力分別按側向巖石壓力及沿泥巖層面下滑的剩余下滑力進行計算，并取計算的最大值，即按《建筑邊坡工程規(guī)范》GB50330-2002條款6.3.4第3項和條款5.2.4，取邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.35進行反算所得。計算所得每延米的鋼管水平推力設計值65.2 kN。

3.2 鋼管樁內力計算

微型鋼管樁的計算可分為以下幾種計算模型（圖3），模型A為單樁或橫向連接剛度較小情況下的懸臂梁模型，通常地基的剛度遠大于微型樁的剛度，邊界條件可假定在滑面位置0處嵌固；模型B為橫向連接剛度較大情況下的剛架模型，邊界條件仍假定在滑面位置0處嵌固，但是它不能反應樁間巖體的有利作用；模型C參考《建筑基坑支護技術規(guī)程》JGJ120-2012雙排樁的剛架模型，以水平剛度系數(shù)考慮樁土之間的相互作用，在樁的底部同樣設置彈簧來模擬巖體對樁的豎向作用，偏于安全，不考慮樁前巖體作用；模型D同模型C，只是考慮了樁前巖體作用。模型C和模型D本質上為彈性地基梁，由于自由度較多，采用結構軟件進行計算。

圖3 微型鋼管樁計算模型

（1）按照模型A[1]，不考慮樁前抗力，將樁簡化為承受均布荷載的懸臂梁，假定樁承受的滑坡推力為T（kN/m），則上圖的q=T*b/H，對于本邊坡，其H值最大為6.0m，間距b為1.0m，視滑床O點為固定段，則按結構力學知識得出在q作用下樁頂?shù)乃轿灰茷椋?/p>

δ=q*H4/8/E/I<[δ]，如果[δ]過大，表明樁已經發(fā)生破壞。故可得qmax=8 x E x I x[δ]/H4，取C30的混凝土彈性模量為3.0x104N/mm2，I為3.14xD4/64=3.14x1804/64＝51503850，[δ]取為10mm，H＝6000mm，則qmax=0.135N/mm=0.135kN/m，單根樁能承受的下滑力為0.74 kN。當[δ]取為100mm，下滑力為7.5 kN，承受的剪力也為7.5kN。小于微型樁的水平推力設計值。

其抗剪能力計算如下，采用鋼結構中的錨栓計算模式，取Q235鋼的抗剪設計強度為125 N/mm2，鋼管的面積取為3.14x146x8＝3667.5mm2，鋼管樁的抗剪強度為125x3667.5＝458437N，約為458 kN。

由模型A計算知，在微型樁處于懸臂狀態(tài)下，其抗彎能力

遠小于其抗剪能力(除非滑面以上的巖體是穩(wěn)定的，相當于在界面處純抗剪，否則鋼管樁的水平抗滑能力不大），僅能提供較小的抗滑能力。

（2）由于采用模型A的懸臂樁受力狀態(tài)不能滿足設計要求，故可采取模型B[1-2]來進行設計，計算中假定聯(lián)系梁與微型樁為剛接，樁前土體的抗力(被動土壓力或者剩余下滑力)忽略不計，且按平面剛架考慮。由于微型樁位于巖石中，同抗滑樁的矩形分布模式一樣，微型樁的水平推力設計值按高度均勻分布。通過力學計算，其最大彎矩為99.7 kN.m，最大剪力為53.9 kN，均分布后排樁的滑動面位置。其最大位移為0.626m，發(fā)生在樁頂位置。

由模型B計算知，由于微型樁的剛度小，在按平面剛架計算時，其頂部的位移過大，前排樁對后排樁的約束不大。其變形模式仍同懸臂樁。

（3）按照模型C，同時為了控制樁頂位移，在樁頂位置布置錨桿的方式來控制位移。同時樁土之間的相互作用采用水平彈簧模擬。

根據(jù)巖性及地層情況，白云巖的地基系數(shù)采用K= 320000kN/m3其彈性模量考慮到巖體結構中裂隙的影響，取為巖石彈性模量的0.05～0.1倍，即取為1GPa，按《建筑基坑支護技術規(guī)程》JGJ120-2012公式4.12.3，鋼管樁的排距為1.0m，樁直徑為0.146m，故樁間土的水平剛度系數(shù)為kc=1000000/(1-0.146)=1.17x106 kN/m3，考慮到規(guī)范公式適用于土質，大于白云巖的地基系數(shù)采用K=320000 kN/m3，故樁間的水平剛度系數(shù)，在滑動面以下取為320000kN/m3，在滑動面以上100000 kN/m3（考慮一定的折減）。

另按《建筑邊坡工程技術規(guī)范》GB 50330—2002式7.2.5，計算樁頂錨桿所得的水平剛度為33.1MN/m（自由段長度為6.1m，錨桿采用兩根直徑28三級鋼，傾角為25°），考慮到錨桿的間距為2.0，取單位寬度內的錨桿的水平剛度為16.55 MN/m；另外按GB 50330—2002條款7.2.6，由于錨桿無自由段，可以按剛性桿件計算，即取水平剛度系數(shù)很大進行計算，本次計算中采用水平剛度為16.55 MN/m進行計算。

對于圓形樁的計算寬度，規(guī)范上的公式為b0=0.9(1.5d+ 0.5)=0.615m，一些國內文獻考慮到鋼管樁直徑較小，取計算寬度為3d＝0.45m，故取0.45m較0.615m更偏于安全。

通過桿系有限元軟件midas/civil進行以上的模擬（圖4），最大水平位移1.7cm，發(fā)生在滑面以上約3m的位置。最大彎矩17.1kN.m，最大剪力為30 kN，均位于滑面以下0.8m的位置。最大軸力為21.5 kN(一拉一壓，前排樁受拉，后排樁受壓)，錨桿力為32.3 kN。按鋼結構設計規(guī)范計算微型樁的強度和穩(wěn)定性，均能滿足要求。

圖4 計算結果(位移、彎距、剪力)

（4）按模型D，是考慮樁前的有利支撐，采用彈簧模擬（參數(shù)同模型C）。計算最大彎矩為0.1 kN.m，最大剪力為1.1kN。最大位移0.08mm。可見樁前在巖體完整的條件下，鋼管樁的受力很小。

該工程已經完工通車運行約半年，后期坡體已采用錨索支擋，坡頂未出現(xiàn)險情。鋼管樁作為臨時支擋，在坡體錨索無法張拉的情況下，保障了鐵塔地基穩(wěn)定性。

4 結論

通過以上分析，鋼管樁最終設計采用模型C，并得出以下結論。

（1）采用多排微型樁優(yōu)于單排樁，能增加水平剛度，前后排鋼管在拉彎和壓彎的受力狀態(tài)下提供抵抗力矩；另外增加頂部約束，有利于鋼管樁運行下的變形和受力。如模型C比模型B受力性能好。

（2）對于平面剛架微型樁體系，剪力和彎矩的最大值均出現(xiàn)在滑面附近，可以進行局部加強。

（3）鋼管樁的水平剛度較小，變形不容易控制，如果在樁前和樁間進行一些補強，樁的受力性能將有較大提高。如模型D。

（4）鋼管樁由于抗剪能力較強，抗彎能力較弱，故適合高度不大的邊坡。

[1]孫書偉.順層高邊坡開挖松動區(qū)研究及微型樁加固邊坡的內力計算[D].鐵道科學研究院，2006.

[2]戶巧梅.微型樁加固邊坡的內力計算[D].長安大學，2009.

責任編輯：孫蘇，李紅

Application of Micro-pile in Temporary Slope Support

As a new support structure,micro-pile is rapidly constructed and low cost,so it is often applied in slope support.Based on the structural mechanics and elastic subgrade theory and through a case study of a slope project on the ring road in Guiyang,the stress modes and application requirements of differently-shaped micro-piles under calculation are discussed to get the displacement and internal force of micro-pile.Giving the pile-soil interaction principle,double rows of steel pipe piles are adopted to support in this project,offering reasonable basis for landslide blocking design and some beneficial conclusions.

rock slope;micro-pile;planar steel frame;Winkler foundation assumption;stability

TU457

A

1671-9107（2013）06-0030-03

2013-05-09

謝紅建(1977-)，男，湖北襄陽人，碩士，工程

師，主要從事巖土工程勘察設計與巖土工程數(shù)值分析。萬力(1976-)，男，湖南澧縣人，本科，高級工程師，主要從事巖土工程勘察設計治理、工程地質與水文地質工作。

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.06.030