高壓旋噴樁在處理軟土滑坡中的運(yùn)用

胡顯明

(四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610041)

0 引言

軟土滑坡指主要發(fā)育于軟弱土層中的滑坡，由于軟弱土層（如軟粘土、淤泥質(zhì)土、淤泥、泥巖質(zhì)土等）具有天然含水量大、壓縮性高、承載力低和抗剪強(qiáng)度很低等特點(diǎn)，主要由沖洪積、湖積等形成，一般呈軟塑～流塑狀態(tài)，一般軟土地區(qū)地形較為平緩，難以形成以典型斜坡發(fā)育的滑坡形式，但由于工程建設(shè)的發(fā)展，存在大量挖填方等對(duì)平緩地區(qū)的軟土進(jìn)行加載，從而形成軟土滑坡災(zāi)害。該類滑坡由于其支擋結(jié)構(gòu)持力層形成差，難以實(shí)施抗滑樁、擋墻等剛性支擋，從而選擇以提高滑帶土抗剪強(qiáng)度為主的處治措施。高壓噴射注漿法是利用工程鉆機(jī)成孔，將旋噴注漿管置于預(yù)計(jì)的加固深度，通過旋轉(zhuǎn)并提升注漿管，將預(yù)先制備好的水泥、水玻璃等材料作為主固化劑的漿液或水、空氣，通過高壓發(fā)生設(shè)備產(chǎn)生的一定壓力，從噴嘴中噴射出來，沖切、擾動(dòng)、破壞土體，把土粒和漿液強(qiáng)制拌和，漿液凝固后在土中形成一個(gè)固結(jié)體，即旋噴樁。它具有增大土體強(qiáng)度、提高土體承載力和抗剪強(qiáng)度、降低土的含水量等作用，主要適用于處理淤泥、淤泥質(zhì)土、粘性土、粉土、黃土等土體，對(duì)軟土滑坡處理具有較好的實(shí)用性。

1 滑坡工程概況

某高速公路棄土場位于川東北低山淺丘地貌區(qū)，場地選在一處第四系沖洪積形成的山間谷地，堆填區(qū)地表起伏較小，以水田、魚塘為主，地表水較為發(fā)育，主要為服務(wù)區(qū)場平棄土場地，集中棄土?xí)r間為2014年10～12月，堆填高約14m，總棄方量約20萬方。2015年8月，在雨季連日暴雨作用下，棄土場西側(cè)臨空錐坡出現(xiàn)滑坡災(zāi)害，危及坡腳機(jī)耕道及道路內(nèi)側(cè)燃?xì)夤芫€的安全，需采取處治措施。

圖1 滑坡全貌圖

據(jù)勘察，滑坡變形范圍區(qū)棄填土厚 4.4～13.5m，填料以粘土、泥巖強(qiáng)風(fēng)化碎（塊）石構(gòu)成，成分較雜，結(jié)構(gòu)松散，透水性較好。下伏地基土為軟粘土，分布厚度3.0～14.0m，其天然含水量近于飽和，以可塑～軟塑狀為主，少量呈流塑狀，具壓縮性大、承載力低的特點(diǎn)。其中：中等壓縮性軟粘土廣泛分布于棄填土下，揭露厚度3.0～7.8m，天然含水量21.4～26.4%，孔隙比0.63～0.79，液性指數(shù)0.56～0.77，壓縮系數(shù)0.2～0.31 MPa-1，允許承載力120kPa；高壓縮性粘土分布于場地中部中壓縮性粘土層之下，揭露厚度 5.5～7.3m，天然含水量 30.5～41.9%，孔隙比0.89～1.18，液性指數(shù)0.78～1.02，壓縮系數(shù)0.59～0.82MPa-1，允許承載力70kPa。

圖2 滑坡地層結(jié)構(gòu)特征

2 滑坡變形特征及成因分析

在2015年7月～8月的連日暴雨作用下，位于棄土場西側(cè)邊坡發(fā)生沉降、滑移變形，在坡體及堆頂發(fā)育多條裂縫，坡腳機(jī)耕道出現(xiàn)鼓脹裂縫，中間段道路外側(cè)魚塘地面發(fā)生隆起等變形破壞跡象，且發(fā)展迅速；在 8月強(qiáng)降雨后，該處坡體繼續(xù)發(fā)生變形，坡體裂縫密布，其中坡頂和坡體出現(xiàn)兩條橫向貫通裂縫，裂縫寬約3～10cm，局部下錯(cuò)達(dá)到30cm，橫向分別延伸30和50m；兩側(cè)出現(xiàn)多條羽狀剪切裂縫，變形區(qū)具顯著的圈椅狀特征。該滑坡變形縱向長約53m，橫向?qū)捈s94m，平均厚約8.5m，總方量約5.0萬方。

根據(jù)地表宏觀變形破壞跡象，可將變形體分為強(qiáng)變形區(qū)與中等變形區(qū)（見圖3），其中：①強(qiáng)變形區(qū)位于坡體橫向裂縫嚴(yán)重下沉段（裂縫下錯(cuò) 15～30cm），其對(duì)應(yīng)坡腳魚塘產(chǎn)生隆起，隆起高1.0～1.5m；坡腳護(hù)腳墻與機(jī)耕道上縱向裂縫密布，一般寬0.5～5cm，局部裂縫寬達(dá)15cm，裂縫密度1條/1～3m，鉆孔揭露該區(qū)域下伏地基土存在厚5.5～7.3m的高壓縮性粘土，其壓縮性高、承載力極底。該區(qū)域各宏觀變形跡象在7月底至9月初間均在發(fā)展，8月29日至9月8日觀測的平均下沉速率達(dá) 2.0cm/天。②中等變形區(qū)域位于強(qiáng)變形區(qū)兩側(cè)區(qū)域，其坡體未見下錯(cuò)裂縫，僅坡頂分布橫向裂縫，機(jī)耕道及護(hù)腳墻上縱向裂縫較發(fā)育，裂縫寬約 0.1～3.0cm，裂縫密度 1條/5～10m，機(jī)耕道外側(cè)魚塘未見明顯隆起，鉆孔揭露該變形區(qū)域下伏地基土為中壓縮性粘土，其壓縮性較高、承載力較低，宏觀變形跡象未見顯著擴(kuò)展。

上述變形特征表明，該棄土場變形是有降雨誘發(fā)的滑坡災(zāi)害，且坡體宏觀變形發(fā)育程度與棄土場下伏地基土性質(zhì)相關(guān)，表現(xiàn)為強(qiáng)變形區(qū)下伏分布厚5.5～7.3m、呈軟塑～流塑狀態(tài)的高壓縮性軟粘土，中等變形區(qū)下伏分布厚度較大的可塑～軟塑狀態(tài)的中等縮性軟粘土。

因此，棄土場地基土層性質(zhì)是上覆滑坡變形發(fā)育的主要控制因素。其變形機(jī)理為：受棄土堆填的加載，下伏軟土地基土在豎向壓力作用下，因其承載力、抗剪強(qiáng)度不足，地基土受力破壞，出現(xiàn)顯著的沉降變形，并在荷載作用下向側(cè)方臨空區(qū)產(chǎn)生擠壓變形，引起上覆棄土體及坡機(jī)耕道產(chǎn)生橫向位移變形，最終在魚塘內(nèi)形成隆起，進(jìn)行形成滑坡災(zāi)害（見圖3）。

圖3 滑坡變形分區(qū)

3 滑坡治理方案及效果評(píng)價(jià)

3.1 治理方案對(duì)比分析

根據(jù)該棄土場滑坡的形成機(jī)理，擬采用四個(gè)方案對(duì)其進(jìn)行處治，就各方案的具體措施及優(yōu)缺點(diǎn)論述、對(duì)比見表1。

表1 某高速公路棄土場軟土滑坡治理方案分析

從經(jīng)濟(jì)與技術(shù)性方面分析清方減載為最優(yōu)方案，但因該方案涉及到無法新增棄土場的問題，無法實(shí)施。故綜合分析后，高壓旋噴樁加固地基方案最為合理可行。

3.2 處治設(shè)計(jì)

根據(jù)滑坡變形機(jī)理和治理方案，擬通過有效的提高下伏地基土承載力和抗剪能力，最大程度將上覆填土自重傳遞到基巖之上，控制土體橫向變形，達(dá)到治理的效果。設(shè)計(jì)采用高壓旋噴樁技術(shù)提高地基土強(qiáng)度。

（1）樁型選擇

根據(jù)地基土性質(zhì)，旋噴段樁徑取為0.5m，長度根據(jù)中、高壓縮性土的土層厚度取為4.0～14.0m。旋噴漿液水灰比：1：1，采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5級(jí)的普通硅酸鹽水泥，水泥用量380kg/m，適當(dāng)添加水玻璃或氯化鈣等早強(qiáng)、速凝劑，旋噴樁樁體7d后抗壓強(qiáng)度不小于1.5MPa，28d后抗壓強(qiáng)度不小于5MPa。

（2）單樁承載力

旋噴樁單樁承載力按下式的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中：

up——樁的周長（m）；

qsi——樁周土側(cè)阻力特征值（kPa）；

lpi——樁長范圍內(nèi)第i層土的厚度（m）；

αp——樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)；

qP——樁端承載力特征值（kPa），可采用承載力允許值。

fspa——地基處理后的復(fù)合地基承載力修正值（kPa），可取該處設(shè)計(jì)豎向荷載值Q進(jìn)行試算。

根據(jù)樁身材料要求，（1）式計(jì)算出的單樁承載力需滿足以下兩式：

由于下伏基巖承載力較好，旋噴樁單樁承載力主要受控于樁身強(qiáng)度，其中：位于中壓縮性粘土層中的旋噴樁單樁承載力為 545.42kN；位于高壓縮性粘土層中的旋噴樁，根據(jù)填土厚度不同承載力在393.07～482.77kN之間。

（3）樁間距

由于處理后的修正地基承載力需大于上覆荷載，因此根據(jù) fspa≥Q，可計(jì)算旋噴樁樁間距。其中：

式中：

fspa——復(fù)合地基承載力修正值（kPa）；

fspk——為復(fù)合地基承載力特征值（kPa）；

d——為上覆土層厚度（m）。

fspk按下式計(jì)算：

式中：

λ——單樁承載力發(fā)揮系數(shù)；

Ra——單樁豎向承載力特征值（kPa）；

Ap——樁的截面積（m2）；

β——樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)；

m——為面積置換率，m=(πd2/4)/s2，s為按矩形布置的樁間距（m）；

fsk——為樁間土地基承載力特征值。

旋噴樁樁間距計(jì)算結(jié)果見下表：

表2 旋噴樁處理樁間距計(jì)算結(jié)果表

3.3 治理效果評(píng)價(jià)

根據(jù)處治原理，對(duì)地基土承載力進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果見表3，處理后軟土地基承載力滿足上部荷載要求，達(dá)到了處理效果。

表3 滑坡治理后下伏地基承載力驗(yàn)算結(jié)果表

對(duì)于治理后的滑坡穩(wěn)定性，采用高壓噴射灌漿固結(jié)體和原滑帶土的綜合等效強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算評(píng)價(jià)。根據(jù)極限平衡反算，原滑帶土等效強(qiáng)度參數(shù)為c=12.2kPa,φ=3°；旋噴樁加固體抗剪強(qiáng)度取 c=0.3MPa，φ=20°，在滑坡主斷面范圍內(nèi)共計(jì)16根旋噴樁，綜合樁間距為2.2m，采用處理面積等效，估算其綜合等效抗剪強(qiáng)度為：c=24.65kPa，φ=3.75°，采用極限平衡法計(jì)算得出處理后滑坡穩(wěn)定系數(shù)為1.45，滿足安全等級(jí)要求。

4 結(jié)論

(1)某高速公路棄土場，受棄土堆填的加載，下伏軟土地基土在豎向壓力作用下，因其承載力、抗剪強(qiáng)度不足，地基土受力破壞，出現(xiàn)顯著的沉降變形，并在荷載作用下向側(cè)方臨空區(qū)產(chǎn)生擠壓變形，引起上覆棄土體及坡機(jī)耕道產(chǎn)生橫向位移變形，進(jìn)行形成滑坡災(zāi)害。

(2)軟土滑坡受力學(xué)性質(zhì)差、含水量高等特性，傳統(tǒng)抗滑樁、擋墻等以剛性支擋為主的工程措施難以實(shí)施，利用柔性高壓旋噴樁有效的提高下伏地基土承載力和抗剪能力，最大程度將上覆填土自重傳遞到基巖之上，控制土體橫向變形，達(dá)到治理效果。