微型樁在路基滑移治理中的應用

牟 丹

(山西省交通規劃勘察設計院有限公司 太原市 030032)

0 引言

在我國的多山地區，修建公路往往會形成許多的公路路基邊坡。由于地形的特殊性，公路路基邊坡常常會出現開裂、滑移等多種問題，影響道路的正常使用，甚至造成嚴重的安全事故。因此路基邊坡問題一直是困擾公路行業的大難題。

在公路填方路基邊坡中，即便設計單位采取多種措施來保證路堤邊坡的穩定性，但實際施工質量往往難以達到設計要求，從而引發各種各樣的路堤邊坡問題。針對已經發生的路堤邊坡治理問題，眾多學者做了大量的研究[1-5]。以某填方路基邊坡為研究對象，結合路基滑移規模情況，對斜坡填方路基失穩問題提出采用微型鋼管樁加固的治理措施，旨在為設計和施工提供一定的參考。

1 工程概況

1.1 工程地質概況

該地區主要為湖相沉積，其表層為較厚的黏土層，且具有一定的膨脹性。根據地勘報告顯示，該工程區的主要地層情況如下：

(1)地表為雜填土，平均層厚為1.5m，堆載時間短，稍濕，松散程度高。

(2)1.5～4.0m深度范圍內為典型的膨脹土，其主要成分為鈣質結核黏土，軟塑～硬塑狀，含有一定的鈣質結核，膨脹性中等。

(3)4.0～6.0m范圍內為強風化砂質泥巖，風化裂隙發育，結構面清晰度一般，巖體的大部分結構已經破壞，構造層理不清晰，裂隙切割嚴重。

(4)6.0m以下為中等風化的砂質泥巖，節理裂隙一般發育，成短柱狀，部分成塊狀。

該工程區土體的力學參數如表1所示。

表1 巖、土物理力學指標建議值表

1.2 設計方案

擬建公路為城市次干路，雙向6車道，紅線寬度30m，填方高度約為15m，第一級坡高7m，第二級坡高8m，中間設置2m寬的碎落平臺。根據地質勘查情況和道路設計標高，此處的路基采取了如下設計方案：

清除表層1.5m厚的雜填土，并反挖設抗滑錯臺，錯臺寬度為2m，高度不得小于0.5m，并對填方路基進行分層碾壓。根據總體規劃，填方邊坡為臨時邊坡，隨著后期地塊開發，該填方邊坡將會消失。因此坡面僅做了噴播植草防護。

其具體措施如圖1所示。

圖1 填方路基典型斷面圖

2 路基滑移原因分析及治理措施

2.1 滑坡原因分析

由于后期地塊開挖時間延遲，在經歷了多次強降雨之后，道路路基產生了變形。道路路面產生了拉裂縫，坡腳處填土出現了一定的隆起鼓脹變形。組織專家進行現場踏勘之后，認為連續長時間的強降雨是誘發此次路基變形的主要因素。由于原膨脹土土層較厚，力學性能尚可，設計方案認為填土后即將膨脹土進行了覆蓋，從而忽視了膨脹土具有膨脹性的潛在危害。由于道路兩側的地塊遲遲未進行開發，此次強降雨導致土體飽水程度增大，從道路兩側土體逐漸浸入路基下部的膨脹土層。膨脹土遇水抗剪強度大幅降低，同時土體產生膨脹，導致在填土界面形成了較弱的滑動面，路堤發生水平位移，并在坡腳處發生應力釋放，從而引起隆起變形。

根據地勘報告，受地表水浸泡過后的膨脹土抗剪強度為11kPa和7°，利用大型巖土有限元計算軟件Midas GTS NX的SRM強度折減法計算模塊，利用地勘報告建議巖土參數，模型底部約束水平和豎向位移，模型側面可發生豎向沉降，因此僅約束其水平向位移，建立了現狀路基的穩定性分析模型，計算得到其現狀路堤邊坡的安全系數為1.1，處于欠穩定狀態，其潛在滑面如圖2所示。

圖2 現狀路堤的滑移變形圖

通過圖2可以看出，沿膨脹土層界面形成了潛在的滑動帶，并向上延伸至填方土體內，填方路基形成了從路面到路基坡腳處的貫通潛在滑動面，在坡腳處產生了應力釋放變形，這也與現場的變形情況吻合。可見膨脹土層的強度降低是引起滑移的原因。

2.2 處治方案效果分析

根據現場變形情況，擬采用15m長微型鋼管樁注漿加固的處理措施，并輔以打設深層排水孔，增設截水溝避免地表水繼續浸泡路堤，提高膨脹土的抗剪強度。為了得到經濟合理的加固方案，擬定了如表2所示的幾種加固方案。

表2 治理方案參數表

在有限元分析中，對于注漿加固通常采用提高結構或者土體的彈性模量及抗剪強度來等效代替。從安全的角度出發，暫不考慮注漿對原始土體的加固效果，僅考慮微型樁對路堤邊坡的加固效果，認為經過截排水處理后膨脹土能恢復到浸泡前的抗剪強度，因此在有限元模型中的膨脹土抗剪強度取22kPa和11°。

建立微型樁加固填方路堤邊坡的有限元模型，如圖3所示。通過分析計算得到了鋼管樁治理方案的穩定性結果。

圖3 微型樁治理路堤滑坡有限元模型

(1)安全系數

提取不同樁徑、不同縱向設置間距的微型樁加固路堤邊坡的穩定性分析結果，其安全系數如圖4所示。

圖4 不同加固方案下的路堤安全系數對比圖

從圖4可以看出，當鋼管樁的縱向設置間距相同時，不同樁徑的鋼管樁加固下，直徑108mm的鋼管樁比直徑95mm的鋼管樁安全系數略高，究其原因，從式(1)剛度計算可以看出，當壁厚相同時，108mm鋼管比95mm鋼管剛度大，能夠提供更大的抗滑力。

(1)

當樁徑為95mm、縱向間距為1.0m、1.5m、2.0m時，其對應的安全系數依次為1.34、1.32和1.29，安全系數減小率依次為1.49%和2.27%。

當樁徑為108mm時，縱向間距為1.0m、1.5m、2.0m時，其對應的安全系數依次為1.35、1.33和1.31，安全系數減小率依次為1.41%和1.58%，由此可看出當間距從1.0m增大到1.5m時安全系數變化不大，當從1.5m增大到2.0m時安全系數減小幅度相對較大。從路堤邊坡的穩定性系數可以看出，當鋼管樁直徑為108mm時，路堤邊坡的穩定性系數均能滿足《城市道路路基設計規范》中安全系數不小于1.3的規定。

通過分析路堤邊坡的安全系數可以看出，當樁徑為108mm、縱向間距1.5m時，安全系數能夠滿足規范要求，同時兼顧安全儲備和工程造價的因素，因此擬定采用108mm、縱向間距1.5m方案進行治理。

進一步對比原始狀態和治理方案的塑性區分布可以看出，在未治理前，路堤邊坡的潛在滑動面從路堤坡腳沿膨脹土界面往后延伸至路面，形成了貫通的滑動面，呈現出比較規則的圓弧狀滑面，這也印證了較均勻的土質邊坡容易形成圓弧狀的滑動面。而在治理后，路堤邊坡的最危險滑動面形狀與治理前類似，但是由于有鋼管樁的存在，阻斷了滑動面進一步往后延伸的可能性，而在后緣的路堤中形成了多級的小型滑動面，但并沒有完全進入塑性狀態，通過鋼管樁的抗滑阻力有效地隔斷了滑動面的發展，提高了路堤邊坡的穩定性。

(2)鋼管樁內力分析

通過圖5可以看出，鋼管樁所受的軸力從樁頂到樁底呈現出先增大后減小的變化趨勢，并在靠近強風化巖層界面處取得最大值。究其原因，在強風化巖層以上土體壓縮模量小，且絕大部分是填土，在沉降過程中對鋼管樁產生向下的壓力，因此表現出鋼管樁軸力逐漸增大的變化趨勢。而鋼管樁進入強風化巖層及以下時，巖層壓縮模量大，鋼管樁相對巖層向下移動，巖層對鋼管樁形成向上的摩擦力，從而使得鋼管樁的軸力隨深度增加而逐漸減小。由此也可以看出鋼管樁同時起到了摩擦和端承的作用。

圖5 直徑108mm鋼管樁軸力云圖

從圖6可以看出，鋼管樁的彎矩并沒有呈現出明顯的變化趨勢，并且數值都很小。分析其原因，這是因為鋼管樁懸臂段較短，受到的內側橫向推力較小，側向土壓力對鋼管樁產生的彎矩也較小。這也說明了該路堤邊坡目前發生的是坡腳處的牽引式滑動。若僅作截排水措施不設鋼管樁，通過有限元計算得到路堤邊坡的安全系數為1.21，雖然能夠保證路堤穩定但是不能滿足規范要求。通過上述的分析可知，經過截排水措施提高了坡腳處路堤的抗剪強度，同時鋼管樁有效地降低了內側土體對坡腳處土體的擠壓，從而提高了整體的穩定性。

圖6 直徑108mm鋼管樁彎矩云圖

3 結語

以某路基變形為對象，結合路堤變形規模及路堤邊坡周圍地塊的實際情況，提出了采用微型鋼管樁注漿加固的治理方案，得到了以下主要的結論：

(1)路堤周邊地塊未開發，導致兩側地表水下滲浸泡填土，膨脹土抗剪強度降低是引起路堤變形的主要因素。

(2)直徑108mm鋼管樁比直徑95mm鋼管樁加固下的安全系數略高，間距從1m增大到1.5m比間距從1.5m增大到2m的安全系數降低幅度小。

(3)鋼管樁的軸力呈現出先增大后減小的變化趨勢，所受的彎矩較小，同時表現出端承樁和摩擦樁的特性。