錨桿與鋼管樁聯合支擋結構在路基高填方加固工程中的應用研究*

張思峰，夏 沖，秦海潮，王同福，柴慶剛

(1.山東建筑大學交通工程學院，山東 濟南 250101； 2.山東省路橋集團有限公司，山東 濟南 250014；3.山東高速集團有限公司，山東 濟南 250098)

0 引言

隨著我國交通基礎設施建設的快速發展和路網建設布局的需要，山區高速公路建設規模日益增大，工程建設中常常遇到大量地形復雜的高陡填方路基工程[1-2]。相對一般路基而言，高填方路基具有填筑高度大、路基累積變形大等特點，這也往往由于設計、施工及地質水文條件的影響成為后期路基側滑的隱患點[3-4]。而路基側滑后支護方式選擇的不合理可能會造成路基垮塌，繼而造成巨大的經濟損失或人員傷亡。如何考慮工程特點從而選擇經濟、合理的高填方路基側滑失穩加固技術是一項事關公路安全運營的重大課題[5]。

雖然我國已有70余年滑坡治理的實踐經驗，但對于高填方路基的滑坡處治主要是隨著高速公路尤其是山區高速公路建設的發展而產生的[6-7]。當削坡、減載、排水、擋土墻等工程措施不足以解決問題時，采用錨桿(索)+抗滑樁或抗滑鋼管樁等類似結構的加固措施，可迅速解決邊坡加固工程問題，但目前關于其設計及應用研究的成果尚少[8]。本文依托某高填方路基滑坡處治工程實際，在介紹處治方案及施工技術的基礎上，采用現場監測的方式對其加固效果進行評價，研究成果可為類似工程的設計及施工提供借鑒。

1 工程背景及病害原因

1.1 工程概況

受2019年夏季連續長時間降雨的影響，董家口至梁山(魯豫界)公路新泰至寧陽段K14+596—K14+640路基在填筑至上路床時，右側路幅出現縱向及橫向裂縫，橫向裂縫寬0.5～1.0cm。

經現場查勘，中央分隔帶右側路幅縱向裂縫呈圓弧形，弧頂位于右側路基內側行車道內，裂縫兩端延伸至路肩邊緣，即橫向裂縫貫穿整個路基。地形上，道路左側地面高程明顯高于右側，從左至右大致呈坡度10%左右的坡面狀，右側坡體底部有匯水跡象(后期通過在路肩邊緣埋設的深層測斜管也證實原地形線附近有積水)，由于路基側滑尚處于孕育期，右側路堤坡體未見明顯臌脹，坡腳處未見明顯隆起。路基側滑段典型橫斷面如圖1所示。

圖1 路基側滑段典型橫斷面

1.2 工程地質條件

根據路基填筑后的工程地質鉆孔資料揭示，場區在勘探深度范圍內自上而下分為4層，巖土特性如下。

1)素填土層 主要填土成分為片麻巖碎屑及碎塊，取芯呈砂礫及碎塊狀，局部見短柱狀，鉆探過程中進尺較均勻，層厚9～10m。

2)粉質黏土 黃褐色，切面較粗糙，中等韌性，土質不均，局部含少量砂粒，層厚0.5～1.0m。

3)全風化片麻巖 淺灰色，原巖風化程度極強烈，礦物成分已發生蝕變，取芯呈砂土狀，風化不均，局部見少量強風化碎塊，層厚1.0～2.0m。

4)強風化片麻巖 灰黃色，原巖風化程度強烈，片麻狀構造，節理裂隙很發育，取芯呈砂礫狀及碎塊狀，一般塊徑2～6cm，取芯率70%，層頂深度一般在11.0m以下。

1.3 路基病害原因

據現場調查及勘察情況推斷，該高填土路基側滑原因主要為該路段地面線陡直多變，為高填路堤局部形成高應力區及局部應力集中提供了條件。此外，施工期間連續長時間降雨，路堤填筑材料為透水性較強的砂礫、碎石土層，連續降雨入滲導致土體含水量增加，路堤土的流變性加大且強度降低，致使路基部分往外側蠕變滑動，產生縱向裂縫。另外后期監測還發現，坡體底部有積水現象，這也是導致坡體滑動的重要原因。

為避免該高填方路基邊坡側滑加劇，保證后續施工及公路運營后的安全，對該段路基進行加固治理已異常緊迫。

2 路基加固設計

選擇的加固治理措施要在確保道路安全的前提下節省工程投資，同時要保護周邊生態環境、縮短工期[9]。由于路堤填土下方存在相對穩定的風化片麻巖地基，故考慮采用抗滑鋼管樁的加固治理方案。

在進行邊坡未加固前的安全系數計算中，考慮到與路線走向垂直方向、原地形線位置存在自南至北方向的客水流動，故在坡體穩定性驗算中考慮原地形線上下各0.5m范圍內土體抗剪強度降低，根據條分法計算得到未加固前的典型橫斷面安全系數為0.98，坡體為不穩定狀態。根據JTG D30—2015《公路路基設計規范》規定，按照邊坡安全系數1.3計算得到邊坡剩余下滑力，該下滑力由鋼管樁及其頂部設置的錨桿共同承擔。根據計算得到的路肩處的剩余下滑力，并依據GB50936—2014《鋼管混凝土結構技術規范》進行了鋼管樁抗彎及抗剪強度的驗算，共設計鋼管樁2排，排距1.5m，樁間距1.0m。具體設計方案闡述如下。

2.1 鉆孔注漿

灌漿法是將拌制好的漿液在一定的壓力下利用注漿管注入土層中，使得漿液滲透、擠密和填充土體顆粒間的孔隙，待漿液凝固后與土體形成新的固結體，以提高地基承載力并改善其變形性能[10]。本項目設計鉆孔孔徑75～90mm，均為垂直孔，設計鉆孔深度至基巖面，鉆孔間距3m，排距3m，矩形布置，注漿壓力0.3～0.6MPa。

2.2 全長粘結錨桿

為減小鋼管樁的內力，在鋼管樁的頂部設計1排錨桿，錨桿外端頭設置在鋼管樁頂部的聯系梁中，錨桿沿桿身每隔1.5m設置對中定位支架，鋼管樁、錨桿外端頭與聯系梁混凝土澆筑在一起，錨桿采用全長粘結錨桿。

2.3 抗滑鋼管樁

對于不穩定的巖土體，抗滑樁類結構是路基加固較為有效的措施。本工程中共設計直徑237mm、壁厚8mm鋼管樁2排，分別位于路肩邊緣及路肩內，平面呈梅花形布置，底部入巖深度不少于5m。鋼管內灌注C30混凝土，外部泵送M30水泥砂漿。

2.4 混凝土聯系梁

為保證鋼管樁能夠整體受力，每排鋼管樁頂部均設置40cm×40cm聯系梁1道，從而使得錨桿+抗滑鋼管樁+樁間巖土體形成空間鋼架體系結構，增大了其承受剪力和彎矩的能力。

3 施工順序

由于原坡體已有滑動跡象，選擇合理的施工順序是保證加固工程順利實施的關鍵。本加固工程的施工流程為：鋼管樁施工→路基鉆孔注漿→錨桿施工→聯系梁施工。

3.1 鋼管樁施工

1)鉆孔 根據現場樁位控制點采用經緯儀按照設計列間距1.0m、排間距1.5m確定樁位，孔位偏差<10mm，并確定孔口標高，做好標高測量記錄，以控制孔深，鉆孔直徑為350mm。

2)鋼管樁制作及安裝 鋼管樁嚴格按照設計圖紙進行加工，樁與樁連接處預先加工坡口并采用坡口焊接，焊口外側采用比設計鋼管外徑略大的多片鋼管沿圓周均勻加固。在埋設好的鋼管內注入C30混凝土，外部采用泵送M30水泥砂漿，水泥為32.5R普通硅酸鹽水泥，注漿壓力為0.6MPa，施工完成后的鋼管樁如圖2所示(反開挖樁頭后)。

圖2 反開挖樁頭后的鋼管樁

3.2 路基鉆孔注漿

1)鉆孔 首先依據現場控制點準確放置施工軸線和鉆孔孔位，鉆孔孔徑75～90mm，均采用垂直孔，鉆孔采用干成孔法，如出現塌陷、遇到塊石等情況改用硬質合金鉆頭，泥漿循環護壁鉆進，鉆孔位置與設計位置的偏差不得大于5cm。

2)漿液制備 注漿采用水泥粉煤灰漿液，漿液配合比為：水泥∶粉煤灰=4∶1，水灰比為0.5～0.55，水泥為R32.5復合硅酸鹽水泥。

3)注漿 注漿前先在地面埋設變形觀測點，防止在注漿過程中地面產生過量變形而破壞已填筑路基。鉆孔封口深度≥1.5m，注漿壓力0.3～0.6MPa。施工過程中嚴格監控地面高程及水平位移變化，避免路基發生側移。為防止漿液沿原有裂縫冒出，注漿前首先將現有裂縫用漿液充填密實，當達到設計灌漿壓力并穩定15min后，即可終止注漿。

3.3 錨桿施工

1)錨桿定位及鉆孔 依據現場標高控制點用水準儀按照設計間距1.2m確定錨桿位置，孔位偏差≤100mm。錨桿與水平夾角40°，錨桿必須保證入巖5m，成孔直徑≥100mm。

2)錨桿制作與安裝 錨桿采用φ32的II級螺紋鋼，沿桿身每隔1.5m設置對中定位支架，以保證鋼筋有足夠的混凝土保護層厚度。清孔完畢后，將制作好的錨桿放入孔中，并檢查錨桿外露長度及位置，確保錨桿外端頭能與鋼管樁及后期施工的聯系梁焊接。

3)錨孔注漿 錨孔注漿采用泵送M30水泥漿，水灰比0.4∶1，水泥為32.5R的普通硅酸鹽水泥，注漿壓力0.5～1.0MPa。

3.4 聯系梁施工

在鋼管樁和錨桿施工完畢后進行聯系梁施工。首先在鋼管樁的施工軸線上開挖一斷面尺寸≥40cm×40cm的槽，清理浮土后按照設計要求配置雙層鋼筋，每層5根φ20鋼筋，箍筋為φ6mm@25cm，鋼筋與鋼管焊接在一起，然后利用自然土體作為模板直接澆筑C30混凝土。每20m設1道伸縮縫，縫寬2cm，縫內填塞瀝青麻筋。

4 現場應力及位移監測

4.1 監測元件布置及埋設

監測設計本著關鍵部位優先、兼顧全面的原則，將監測儀器重點埋設在主滑動區位置。在監測儀器選擇上，以確保對聯合加固結構的關鍵部位及應力、位移等參數進行全面監測為目的，最終實現對加固效果的科學評價。

監測內容如下：①樁前土壓力監測 開展支護結構土壓力監測，對于確保路基運營安全十分重要，為監測施工過程中及工后鋼管樁所受主動土壓力的變化，本監測中共埋設4支振弦式土壓力計，均位于鋼管樁頂部以下1.0m處，距路面頂部1.6m。②坡體深層位移監測 采用測斜儀并通過2個深層測斜孔監測坡體內部變形規律，測斜管埋設過程中應確保其中一對導槽與坡體位移方向一致。③錨桿軸力監測 為監測錨桿軸力變化，避免由于錨桿軸力過大引起局部支護結構失穩，在距離錨桿外端頭1.5m處將錨桿截斷，采用直螺紋套筒方式軸向連接振弦式軸力計，共布置3處。③聯系梁應變監測 在內側聯系梁受壓面中間位置的主筋上綁扎振弦式應變計，用于監測聯系梁內混凝土應變變化規律，應變監測共布置3個斷面。所有監測儀器的平面布置如圖3所示。

圖3 監測儀器布置平面

4.2 監測結果分析

1)樁側土壓力監測結果分析

4支土壓力計在施工期間所受壓力的變化曲線如圖4所示。由圖可以看出，除3號土壓力計外，其余土壓力計變化曲線基本重合，主要反映了土壓力計埋設后隨基層、面層施工而產生的側向土壓力變化。6月16日土壓力增長較多，主要是因為下面層剛鋪筑完成，且6月中旬連續多日降雨，鋼管樁所受土壓力有所增長，而后逐漸趨于平穩。3號土壓力計雖在埋設后有少許增長，但土壓力變化幅度不超過0.1MPa，且逐漸恢復正常值，說明坡體在鋼管樁的支擋作用下逐漸達到一應力平衡狀態，也說明了鋼管樁的支護效果明顯。

圖4 土壓力變化曲線

2)坡體深層位移變化分析

深層測斜儀是通過預先埋設在坡體內的具有一定柔性的測斜管與路基同步傾斜產生的傾角來監測坡體側向變形的高精度儀器，精度可達0.1mm。

位于坡體主滑動區的2號測斜管隨深度和時間的變化曲線如圖5所示。由于埋設測斜管時，基層及面層尚未施工，為保證路面鋪筑完成后能夠正常測試，4月21日埋設的2根測斜管上部1.0m均為懸空狀態，其在基層及面層鋪筑過程中施工機械的影響下，側向位移變化較大，但并不反映坡體實際水平位移量。自4月21日埋設測斜管到7月24日，除表層1.5m范圍外，最大位移發生在距孔口15.0m位置處(即原地形線附近)，最大位移量3.25mm，主要發生于5月15日以后，此后位移量未再繼續增加，這與土壓力計反映的規律基本一致。另外此處變形較大還由于在此位置存在坡體積水現象，測斜儀滑到此位置時有明顯的遇水聲音。鑒于此，建議施工單位在路線南側坡腳處增設截排水設施，防止客水經原地形坡面流經路基底部。

圖5 2號測斜孔位移-深度變化曲線

3)錨桿軸力變化分析

針對錨桿軸力的監測點共布置3個，其中1號測點由于后期施工被破壞。2號及3號軸力計隨時間變化曲線如圖6所示。由圖6可以看出，錨桿軸力的增長主要發生于5月15日前，但5月1日前錨桿外端頭并未與鋼管樁連接，為全長注漿以后的自由狀態，其張拉力增長主要與桿體注漿、沿斜向鉆孔的重力分力等因素有關。5月1日—5月15日，受水穩層施工等因素影響，張拉力有所增長，但后期隨著支護結構的完工，張拉力趨于平穩且有所下降。

圖6 錨桿軸力-時間曲線

4)聯系梁混凝土應變數據分析

本監測系統中共布置位于聯系梁受壓面上的應變計3支，1～3號應變計隨時間的變化曲線如圖7所示。由圖7可以看出，隨時間的推移，應變計所記錄的聯系梁內混凝土的應變逐漸減小并趨于平穩，這是由于聯系梁為一被動受力結構，其應變的增大與鋼管樁的變形密切相關，從上述監測數據分析可以看出，由于鋼管樁+錨桿的聯合支擋結構已完全控制住了坡體的繼續滑移，因此聯系梁內混凝土的應變也逐漸趨于穩定。

圖7 聯系梁混凝土應變-時間曲線

5 結語

1)實踐表明，采用抗滑鋼管樁+錨桿+鉆孔注漿的聯合加固技術對高填方路基進行加固，可有效提高路基抗側滑能力。

2)路基加固施工過程中建立動態監測系統，通過對樁前土壓力、錨桿軸力、坡體深層位移等指標的現場監測，可為施工開展提供及時的反饋信息，對于驗證原設計方案的科學性及后期高填方路基的安全運營都有著極其重要的作用。

3)本文的路基加固設計方案、施工步驟及動態監測方案可為類似工程的設計、施工及運營管理提供借鑒。