微型樁群支護體系的設計優化研究

衛 生，王建軍，白明洲，王子相，滿高峰，馬 坤

（1.山西省公路局太原分局，山西太原030012；2.中交公路規劃設計院有限公司，北京100088；3.北京交通大學土木建筑工程學院，北京100044）

1 概述

微型樁群支護體系作為一種新型的邊坡支擋技術正在迅速發展。由于其具有施工機具輕型化、樁位布置靈活、施工速度快、對施工場地的適應性強、對環境影響小等優點，在滑坡治理領域得到了廣泛應用，可單獨或與其他支擋措施組合使用，尤其適用于中、小型滑坡的處治，引起了業界的廣泛關注和研究[1-3]。

向波[1]、龔健等[2]、杜衍慶等[3]、AWAD[4]、Richards等[5]進行了微型鋼管排樁支擋結構試驗研究，分析了鋼管樁排數、排距、間距對承載能力的影響特征。何暉[6]、劉雁冰[7]、花鵬[8]、涂文博[9]、吳立堅[10]采用 FLAC3D建立微型樁群加固邊坡的模型，分別從變形、應力角度出發對滑坡體及微型樁結構進行定性分析。但是，關于微型樁群在水平荷載作用下樁和樁周土體的設計參數優化方面還缺乏深入的研究。

本文建立經現場原型試驗驗證可靠的有限元模型對微型樁群設計過程中樁、土參數進行定性分析，以指導微型樁群的設計參數的選定。位移發展趨勢是判斷滑坡體穩定狀態的主要指標之一，而樁頂位移又直接影響到微型樁群的工作性能，文中微型樁群設計參數分析主要以位移為衡量標準。

2 建立數值模型

2.1 幾何模型

采用M idas/GTS有限元軟件建立三維有限元模型，模擬在水平荷載作用下微型樁群的變形特征。模型由粉質粘土、強風化泥巖、微型樁構成，均采用三維實體單元模擬；樁土及樁巖接觸采用三維接觸單元模擬。微型樁群采用矩形布置，其中樁間距1.0m，排間距0.5m，樁長8m，樁徑150mm。劃分網格后有限元模型及微型樁群見圖1。

圖1 三維有限元模型

2.2 材料參數

本文通過數值模擬結果與現場試驗實測數據擬合后，反算樁間土體的物理力學屬性，各組成部分的主要物理力學參數見表1。

2.3 邊界條件及荷載

表1 物理力學參數

模型側面、前面、后面和底面分別施加位移邊界條件，即側面限制水平位移，前后面限制縱向位移，底面固定，限制水平、縱向和垂直位移。模型上表面為自然地表，取自由邊界。計算中所采用的水平荷載大小為臨界水平荷載75kPa。

3 樁參數優化分析

3.1 樁間距影響分析

樁間距是微型樁群支擋體系設計中十分重要的參數，樁間距的取值對微型樁體系的工作性能有著直接的影響。模型中分別從樁間距取值0.45～1.95m進行針對性的分析研究，各排樁樁頂位移與樁間距的關系曲線如圖2所示。

圖2 各排樁樁頂位移與樁間距的關系曲線

由圖2可知，微型樁樁間距的變化對微型樁群的支擋效果有直接的影響。當微型樁樁間距在0.45～1.95m變化時，隨著樁間距的減小，微型樁樁頂整體位移逐漸減小。另外，樁間距由1.95m降到1.05m的過程中，三排樁樁頂位移分別降低了1.5mm、1.5mm、1.4mm；而由1.05m降至0.45m的過程中，三排樁樁頂位移分別降低了2.2mm、2mm、1.8mm，表明選取樁間距為3～7D（D為樁徑）可以顯著減小樁頂位移并提高滑坡治理的效果。綜合考慮施工的方便，建議微型樁組合設計時，樁間距選為3～7倍樁徑。

3.2 排間距影響分析

排間距取值大小直接關系到整個微型樁群的工作性能，因此，模型中分別從排間距取值為0.3～1.95m進行針對性的分析研究，各排樁樁頂位移與排間距的關系曲線見圖3。

從計算結果可知，當微型樁排間距為0.3m時，計算模型不收斂，坡體發生失穩破壞，所以以下主要討論排間距為0.45～1.95m時的計算結果。隨著排間距的增大，第1排樁樁頂位移逐漸變大，但增量較小；第2、3排樁樁頂位移逐漸減小，且第3排樁的位移減量大于第2排。分析其原因，由于沒設蓋頂梁使得微型樁群沒有發揮其整體效用，滑坡推力的承擔以第1排樁為主，依次是第2、3排。各排樁樁頂位移比與排間距的關系見表2，隨著排間距的增加，第1排樁樁頂位移與第3排樁的比值逐漸增大；排間距由0.45m增至1.95m的過程中，第1排樁樁頂位移與第3排樁的比值增大了2.31倍。

因此，微型樁結構不同于一般的大直徑抗滑樁，類似于樁土共同承載的復合結構。微型樁排間距取值直接影響了微型樁群的工作性能，排間距過小，會導致微型樁群整體抗彎剛度降低，會發生整體傾覆破壞；排間距過大，雖然一定程度上提高了微型樁群的抗彎剛度，但會使微型樁群工作性能降低，造成第1排樁承擔較大的滑坡推力，使得樁土無法進行有效的共同作用，最終發生失穩破壞。

圖3 各排樁頂位移與排間距關系圖

表2 各排樁樁頂位移比與排間距的關系

3.3 錨固段長度影響分析

錨固段長度的確定同樣關系到整個微型樁群的工作性能，取值過小會導致結構不能起到很好的抗滑作用，取值過大會造成鉆孔深度、鋼材用量等的增加導致不必要的浪費。因此，計算模型中保持微型樁自由段長度為3m，錨固段長度取值由1.0～5.0m進行針對性的分析研究，各排樁樁頂位移與錨固段長度的關系曲線如圖4所示。由圖4可知，隨著錨固段長度的增加，樁頂位移出現“減小—增大—減小”交替現象；當錨固段長度占樁長的比例由25%增加到45%時，各排樁樁頂位移分別由7.31mm、6.34mm、5.56mm降至6.69mm、5.73mm、5.0mm，降幅達8.5%、9.5%、10.2%。在整個位移變化曲線中，最明顯的拐點出現在錨固長度占樁長45%時，之后繼續提高比例至50%，出現位移反彈現象，但幅度較小，當進一步增大錨固段比例至60%，樁頂位移又呈現較小幅度的降低。因此，錨固段長度的選取宜選全部樁長的33.3%～45.5%。

3.4 微型樁復合彈性模量影響分析

微型樁的斷面形式有很多種類，比如鋼管、鋼管周圍焊接鋼筋以及鋼軌等。不同的斷面形式代表不同的抗彎剛度，模型中采用改變微型樁彈性模量的方法改變其抗彎剛度，分析研究抗彎剛度與樁頂位移的關系。模型中彈性模量取值由180～220GPa，各排樁樁頂位移與彈性模量的關系曲線如圖5所示。

圖4 樁頂位移與錨固段長度間關系圖

在實際設計中可參考《鋼管混凝土結構技術規程》（CECS 28-2012），復合彈性模量可采用下式計算：

式中：Ea、Ec、Er——鋼管、鋼管內混凝土、鋼筋的彈性模量；

Aa、Ac、Ar——鋼管、鋼管內混凝土、鋼筋的截面面積。

由圖5可知，隨著彈性模量的提高，樁頂位移逐漸減小，表明微型樁的抗彎能力有所提高。彈性模量由170GPa提高到230GPa的過程中，各排樁樁頂位移減少了7.9%、8.7%、9.1%，降幅較小，說明依靠提高微型樁抗彎剛度來大幅增強其抗滑能力是不經濟的。

圖5 彈性模量改變與樁頂位移的關系

4 土體參數優化分析

微型樁群設計時，土的各項力學指標是主要計算依據，如內聚力、摩擦角等。土質不同，其各項指標也相差較大，不同土質的土體在不同的注漿技術參數下進行注漿后，其各項物理力學指標將得到不同程度的改善，實際工程中若仍采用原狀土體的物理力學參數進行設計不盡合理。

在微型樁注漿施工過程中，對樁周土體性能起到重要作用的影響因素有：土體類型與物理特性、注漿參數和注漿材料。模型中采用改變微型樁群范圍內土體的彈性模量、重度、粘聚力、內摩擦角的方式，定性分析樁周土體力學參數改變與樁頂位移的關系。模型中土體參數取值參見表3，各排樁樁頂位移與土體參數改善率的關系曲線如圖6所示。由圖6可知，隨著樁周土體物理力學參數的改善，各排樁樁頂位移呈減小的趨勢。樁頂位移減小的幅度，第1排最大，依次是第2排、第3排。

表3 注漿后樁周土體假設參數表

圖6 樁周土體改善率與樁頂位移關系圖

5 結論

基于經現場原型試驗驗證可靠的有限元模型對微型樁群設計過程中，所要考慮的敏感性樁、土參數進行定性分析，總結了微型樁群承受水平荷載作用下的變形規律，得出以下結論：

（1）在進行微型樁群的工程設計時，建議微型樁錨固段長度設為全部樁長的33.3%～45.5%，最佳樁間距為3～7倍樁徑。

（2）微型樁群排間距取值直接影響了微型樁群的工作性能，排間距過小，會導致微型樁群整體抗彎剛度降低，會發生整體傾覆破壞；排間距過大，造成第1排樁承擔較大的滑坡推力，使得樁土無法進行有效的共同作用，最終發生失穩破壞。

（3）隨著微型樁抗彎剛度的增大，各排微型樁樁頂位移降幅較小，說明提高微型單樁的抗彎剛度對提升微型樁群抗滑能力的效果不明顯且不經濟。

（4）通過壓力注漿的方法提高微型樁樁周土體的物理力學性質，對提升微型樁群的抗滑能力降低樁頂位移效果明顯。

[1] 向波，馬建林，何云勇，等.微型鋼管排樁支擋結構原型試驗研究[J].巖土工程學報，2013，35（11）：2131-2138.

[2] 龔健，陳仁朋，陳云敏，等.微型樁原型水平荷載試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2004,23（20）：3541-3546.

[3] 杜衍慶，白明洲，邱樹茂，等.集約式微型樁群水平承載性能試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2015，34（4）：821-830.

[4] AWAD M D R.Lateral Load Tests on Mini-piles[J].Islamic University Journal，1999，7（1）:15-33.

[5] Richards JD，Rothbauer M J.Lateral Loads on Pin Piles（Micropiles）[C]//Proceedings of Sessions of the GeosupportConference:Innovation and Cooperation in Geo.Reston:Geotechnical Special Publication，ASCE，2004：158-174.

[6] 何暉，楊更社，范叩鑫.微型樁加固堆積層膨脹土滑坡樁間土拱效應試驗研究[J].西安工業大學學報，2013.

[7] 劉雁冰.微型樁加固膨脹土滑坡機理研究[D].西安工業大學，2012.

[8] 花鵬.側向荷載作用下微型斜樁工作性狀研究[D].合肥工業大學，2013.

[9] 涂文博.邊坡微型抗滑樁群空間分析理論研究[D].西南交通大學，2010.

[10] 吳立堅，譚冬生，洪政.微型樁—錨索系統加固邊坡影響因素分析[J].鐵道工程學報，2014（6）：24-30.