濕陷性黃土地區(qū)高填方路基微型鋼管樁加固技術分析

徐志彪 （楊凌職業(yè)技術學院，陜西 咸陽 712100）

1 引言

伴隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入實施和經濟的突飛猛進，西部地區(qū)工程建設日新月異，陜西黃土地區(qū)高等級公路交通網建設迅速發(fā)展，高填方路基工程也越來越常見，且多為濕陷性黃土填方路基[1]。濕陷性黃土地區(qū)高等級公路的高填方路基發(fā)生邊坡失穩(wěn)的主要原因是在運營過程產生的濕陷變形，以及行車荷載作用下的壓縮變形，造成的不均勻下沉，嚴重影響行車安全。

在公路工程中，高填方路堤由于工程造價、環(huán)境影響、材料及施工等優(yōu)勢，在很多場地可以替代架設橋梁修建公路，在公路施工規(guī)范中，黃土地區(qū)的高填方路堤一般是指路堤邊坡高度超過20m的路堤填方工程。但由于黃土地區(qū)結構疏松多孔，一旦浸水或者增濕時強度會驟降，結構將發(fā)生大幅度的變形，即為黃土的濕陷性。高填方黃土地區(qū)在荷載、車輛荷載及雨水作用下，路堤可能會產生不均勻沉降、縱橫向裂縫、整體滑動，甚至邊坡滑塌等各種病害，給國家和人民造成極大的經濟損失[2]。因此，既有高等級公路高填方路基出現病害之后的加固技術是目前公路路基研究的重點方向。

在高填方路基進行加固時，常采用抗滑樁、擋土墻或進行邊坡錨固等方法。但由于邊坡滑移多具有突發(fā)性和災難性特點，常規(guī)處治措施加固周期長、工藝復雜、費用高而難以適應應急搶修。針對以上問題，微型鋼管樁加固技術具有施工周期較短，施工機具簡單，不影響周邊環(huán)境，加固效果好等優(yōu)點。基于以上優(yōu)點，近年來，微型鋼管樁在現有工程的基礎加固、建筑物糾偏、防震等，施工場地狹小的工程和基坑、邊坡加固方面得到了廣泛應用[3]。

目前對于微型管樁加固地基技術研究主要注重于理論研究方面，且主要針對于沿海軟土地區(qū)，對于微型鋼管樁加固黃土地區(qū)高填方路基應用效果的研究較少，尚未涉及黃土地區(qū)公路高填方路基的加固效果評價。本文針對已經發(fā)生病害的某濕陷性黃土地區(qū)高等級公路高填方路基進行加固原理及受力特性開展分析，采用微型鋼管樁進行路基加固，并對加固后的路堤進行試驗，確定微型鋼管樁最佳布設模式。通過計算分析樁—土應力分布，綜合評價微型鋼管樁加固效果，為濕陷性黃土地區(qū)高填方路基加固處理提供參考。

2 項目背景

實際公路路基加固工程中，常采用微型抗滑鋼管壓力注漿技術與微型樁進行邊坡處理加固。這種施工工藝是先布置微型鋼管樁，然后采用壓力注漿對鋼管周圍的滑坡巖土體進行注漿加固，從而形成樁、固化土復合結構，提高坡體的整體性。注漿微型抗滑鋼管樁在高填方路基加固工程中應用廣泛，微型鋼管樁屬于小直徑抗滑樁，其加固原理和傳統(tǒng)大直徑樁有較大差異，因此，本文通過試驗和計算對于其加固原理和受力特性進行分析。

本文以某黃土地區(qū)陡坡路基為研究對象，該邊坡里程為K42+600～K42+750，邊坡長約150m，坡高平均為20.5m，邊坡坡度1:0.3，厚度約15m；下部為強風化薄層狀泥灰?guī)r，厚度約5.5m。邊坡大部分近直立，局部為臺階狀，出露地層以黃土為主。

由于外部連續(xù)降雨影響，道路右側出現局部滑塌。為了研究該地區(qū)微型鋼管樁的單樁對高填方黃土路堤加固作用，在現場進行微型鋼管樁加固試驗研究。試樁試驗區(qū)采用了鉆孔樁、管樁、微型注漿鋼管樁進行地基加固處理，本文主要對微型注漿鋼管樁的加固后樁—土應力關系及加固原理進行探討分析。

3 加固方案

針對試樁試驗區(qū)采用的微型注漿鋼管樁鉆孔直徑為320mm，鋼管直徑為300mm，壁厚8mm，樁長11m。在施工現場施工15根注漿微型鋼管樁，鋼管采用鋼花管樁群成梅花形布置，樁間距0.5 m。漿液采用水泥砂漿，砂子與水泥比例為1：1，水灰比為0.75，并在各樁身不同位置安裝應變片進行試驗分析，安裝完成后，在坡頂開始分級加載。用單循環(huán)連續(xù)加載法進行試驗加載，每級荷載為預估極限承載力1/10。研究樁、土間的不均勻側向位移及對樁土荷載分擔作用的影響機理。

4 樁土應力分析

采用微型抗滑鋼管樁進行邊坡處理加固時，鋼管樁所受土壓力為被動土壓力。從試驗過程發(fā)現在抗滑樁的作用下，樁間土體受外力后樁間土會產生不均勻位移或變形，當土體的應力超過抗剪強度時，土體可能會產生剪切滑移，進而引起滑坡。在使用微型鋼管樁加固后，土體相對位移大大減小，樁間不同位置土體位移出現明顯差異，而這種不均勻位移會造成的樁—土應力復雜化。樁后土體最大主應力和樁成垂直方向，樁體承受了大部分的滑坡推力，由樁側表面到樁間土中心，土體最大主應力逐漸減小，樁承受的滑坡推力逐漸增大。而本次試驗可以明顯看出，靠近樁的部分土體位移小，遠離樁部分土體位移較大，其位移等值線類似于拱形。

由圖1所示，選取深度為2m處土體進行應力分析，在滑坡推力作用下，微型鋼管樁承受應力要大大高于土體應力，滑坡推力主要由樁體承受。在微型鋼管樁加固后，樁間土體從樁側到樁中心最大主應力逐漸減小，形成了非常明顯的土拱，也就是滑坡推力由土體向樁體轉移。在樁的中軸線上土拱比較明顯，所受應力最大。樁后1d（d為鋼管直徑）剖面上應力有所減小，樁后2d處應力分布接近水平，說明土拱效應基本衰減至零。

圖1 不同剖面上的應力分布

5 不同深度應力分析

為了進一步分析微型鋼管樁對邊坡加固深度影響，對樁間土不同深度處的側向應力進行分析。如圖2所示，分別對土體深度為1.5m、3.5m、4.5m的x＝2d剖面上的側向應力進行分析，由圖2可知，在淺層范圍內樁體受到的側向應力明顯大于樁間土。但隨著土體深度增加，樁—土不均勻位移會逐漸減弱，土拱效應也越來越不明顯，而微型鋼管樁的樁體所受荷載也在逐漸降低，推力荷載由樁體向樁間土轉移。因此，可以看出樁間土拱效應主要是由于在微型鋼管樁約束作用下，土體顆粒相互擠壓嵌緊形成的。使用微型鋼管樁加固后，一方面可以在淺層土體范圍內起到較好的荷載分擔作用；另一方面對樁間土體位移起到了約束限制作用，從而使樁間土體承載能力得到提高。在實際工程加固過程中，可將微型鋼管樁樁頂與路面結構進行注漿粘結，這樣有利于樁體荷載分配，對邊坡土體的約束限制會大大提高，增強了邊坡的穩(wěn)定性。

圖2 在不同深度范圍內x方向應力分布

6 樁位分析

抗滑樁的布設位置有坡頂、坡面和坡腳效果不一，施工難度差別也較大，為了確定微型鋼管樁最佳的布設位置，進一步分析不同樁位的受力效果。試驗發(fā)現，在分級加載超過最大承載力后在加固前，從坡頂直至坡腳位置會出現連續(xù)的滑裂面，當在滑裂面附近進行微型鋼管樁加固后，加固位置選取在填方邊坡距離坡頂1m，僅布置一排，加固后在抗滑樁以下出現邊坡滑裂面，樁體以上部分的路基表現良好，未出現破壞。因此，可以看出微型鋼管樁加固后上部土體位移減小，加固效果很好。通過觀測，使用微型鋼管樁加固之后，路基受力均勻，在破壞位置沒有出現應力集中現象，在樁體下側滑裂面土體應力也大幅下降。加固后，邊坡安全系數也有了較大提高。

分別在距離坡頂1m和2m的位置坡面布設兩排抗滑樁后，雖然出現滑裂面范圍增大的情況，但是滑裂面破壞程度減小，特別是在采用這種布設模式之后，整個填方路基應力分布更加合理，整體穩(wěn)定性增強，邊坡安全系數比僅布置一排抗滑樁提高了20%左右。

最后在距離坡頂1m、2m和3m的位置布置三排樁，雖然此次路基剪應力分布更加合理，滑裂面破壞程度進一步減小，但是滑裂面較大，邊坡安全系數僅比雙樁提高5%左右，在綜合考慮經濟性、安全性以及施工便捷性，采用雙排梅花形布置的高填方黃土路堤邊坡路堤加固方式效果較好。

7 結語

微型鋼管樁施工比較簡單，操作方便，能有效防止高填方路基滑坡，對高填方路基加固又比較適用和經濟。在注漿加固后路基受力良好，結構穩(wěn)定，未出現開裂及滑坡的現象。對比其他加固的方法，該方法可控性強，安全穩(wěn)定性高。

在黃土地區(qū)高填方路基加固微型抗滑樁主要是通過形成樁—土復合型擋土墻，利用樁體承擔滑坡荷載、約束樁間土位移及注漿固化土體等方面，對高填方黃土路基進行加固補強。在受到滑坡推力后，樁間土將相對于樁體發(fā)生位移，在微型抗滑樁鋼管樁的約束阻力以及土體自身粘聚力和內摩擦力共同作用下，不同部位樁間土所受應力會產生差異，從而導致土體的不均勻位移。由于土體的不均勻位移會使土顆粒間相互擠壓，嵌填密實，也就是“土拱效應”，這種效應提高了黃土的密實性，增強了黃土地區(qū)的抗?jié)裣菪裕瑢τ邳S土路堤的加固作用非常明顯，能大大提高黃土路堤的抗剪切滑移能力，而且在淺層范圍內微型抗滑樁鋼管樁能承擔大部分滑坡荷載。進一步分析采用雙排梅花形布置的微型鋼管樁受力合理，加固效果較好，是最佳布設方式。因此，微型抗滑樁鋼管樁對控制邊坡穩(wěn)定性效果非常明顯，可以為高填方的黃土路基加固工藝提供很好的參考。