注漿與鋼管樁聯(lián)合加固在高速公路路基滑坡中的應(yīng)用

秦 龍,廖 俊,許源華

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽市 550081)

0 引言

隨著交通基建的快速發(fā)展和山區(qū)高速公路路網(wǎng)建設(shè)[1],以及成熟的施工技術(shù),使注漿加固技術(shù)和微型鋼管樁在高速公路路基病害治理中的應(yīng)用越來越廣泛。山區(qū)公路由于地形地質(zhì)條件復(fù)雜,常常遇到較多的陡坡填方路基工程,如果由于長期降雨、路基路面排水不暢等原因,使路基填料遇水軟化,抗剪參數(shù)降低、壓縮模量減小,導(dǎo)致路基沉降、邊坡側(cè)向滑移等病害,嚴(yán)重影響高速公路通行。在填方較矮的斜坡路段,針對邊坡側(cè)向滑移,如采用強(qiáng)支擋方式處置,一方面工程造價(jià)高,另一方面施工工期長,影響公路通行,此種方式不經(jīng)濟(jì)不合理;如采用注漿加固,提高路基填料的抗剪參數(shù)和壓縮模量,能有效減小路基沉降和路基邊坡滑動,具有施工周期短,工程造價(jià)低的顯著特點(diǎn)[2-3]。

在部分工程案例中,僅采用注漿加固不能有效解決邊坡側(cè)向滑移問題,注漿后的邊坡仍有潛在滑動可能,可采用微型鋼管樁進(jìn)行抗滑支擋,滿足路基邊坡穩(wěn)定性要求。文章結(jié)合工程案例,提出注漿和微型鋼管樁聯(lián)合加固在高速公路陡坡路基病害治理中的應(yīng)用。

1 注漿及微型鋼管樁加固作用機(jī)理

1.1 注漿

注漿是用氣壓、液壓或電化學(xué)原理,把某些能固化的漿液注入天然和人為裂縫或孔隙,以改善各種介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)[4],包括提高土體的抗剪強(qiáng)度、壓縮性質(zhì)、提高抗?jié)B性等,由于土體具有不均勻特點(diǎn),在注漿加固時(shí)需先進(jìn)行鉆孔,通過氣壓、液壓等方式將漿液灌入處理土層中[3-5]。

在注漿過程中,一方面漿液填充擠壓鉆孔周圍土體形成致密的圓柱土體,另一方面漿液對鉆孔周圍一定范圍內(nèi)土體進(jìn)行剪切和破壞,產(chǎn)生塑性變形的區(qū),形成劈裂縫,漿液沿著裂縫擴(kuò)散固結(jié)形成漿脈,從而在加固土體中形成有一定強(qiáng)度的網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)。這些圓柱土體與周圍土體相互作用形成復(fù)合式地基,從而提高土體的抗剪參數(shù)、壓縮模量、抗?jié)B性等物理力學(xué)性質(zhì)。

1.2 微型鋼管樁

微型鋼管樁一般是指樁徑小于400mm,長細(xì)比大于30,采用鉆孔、強(qiáng)配筋和壓力注漿施工工藝的灌注樁[6-7]。

1.2.1抗剪作用

微型鋼管樁穿過軟弱滑裂面以下一定深度進(jìn)入穩(wěn)定地層,利用鋼管和鋼筋的抗剪能力抵擋滑體的下滑力或邊坡土壓力,可提高邊坡整體穩(wěn)定性,其作用原理相當(dāng)于懸臂式抗滑樁。

微型鋼管樁所能承受的剪力R(kN)為:

(1)

式中:τ1為漿體抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,單位kPa;τ2為鋼管抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,單位kPa;d為微型鋼管樁直徑,單位m;d1為鋼管外徑,單位m;d2為鋼管內(nèi)徑,單位m。

1.2.2抗彎作用

微型鋼管樁中植入一定量的鋼筋,其具有一定的抗彎性能。由于鋼管對管內(nèi)水泥砂漿和鋼筋的變形起約束作用,使得鋼管樁在受力時(shí)的抗彎強(qiáng)度較一般鋼管混凝土結(jié)構(gòu)要高,從而可提高鋼管樁的抗彎能力,可用于抵擋滑坡的下滑力或土壓力。

微型鋼管樁的抗彎能力M(kN·m)為:

(2)

式中:E1為漿體彈性模量,單位kPa;E2為鋼管彈性模量,單位kPa;d為微型鋼管樁直徑,單位m;d1為鋼管外徑,單位m;d2為鋼管內(nèi)徑,單位m;[δ]為允許最大變形,單位m。

通過實(shí)例數(shù)據(jù)計(jì)算分析,微型鋼管樁的抗彎能力遠(yuǎn)大于其抗剪能力,因此在分析微型鋼管樁加固機(jī)理時(shí),可用微型鋼管樁的抗剪強(qiáng)度作為控制條件。

2 工程實(shí)例

2.1 概況

由于連日來暴雨集中,貴新公路都勻至新寨段YK220+980～YK221+080段中央分隔帶排水溝水排水不暢,地表水下滲,涵洞開裂,涵洞水下滲至路基,路基基底和坡腳為棄渣,如圖1、圖2所示,眾多不利的因素組合造成路基下沉開裂,發(fā)生失穩(wěn)破壞,嚴(yán)重影響高速公路通行,對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響較大。路基坡腳7～40m處有一成品油輸油管道,為了防止路基失穩(wěn)對輸油管道造成影響,需要立即開展應(yīng)急搶險(xiǎn)和永久措施加固處理。

圖1 路基邊坡全貌圖

圖2 路基邊坡開裂圖

設(shè)計(jì)思路:

(1)阻止地表水流入路基,需加寬加長道路左側(cè)排水溝,排水溝砂漿抹面。

(2)對變形開裂的路基進(jìn)行注漿處理。

(3)距坡腳7～40m外分布有西南成品油管道,為防止路基整體失穩(wěn)影響管道安全,坡腳采用微型鋼管樁進(jìn)行支擋。

2.2 工程地質(zhì)條件

場區(qū)地處貴州高原南部山區(qū)向廣西丘陵過渡的斜坡地帶,地面坡度13°～26°,屬構(gòu)造侵蝕-剝蝕中低山地貌。

場區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺黔南臺陷貴定南北向構(gòu)造變形區(qū),以擠壓型的南北向構(gòu)造為主,發(fā)育少量北東向構(gòu)造和近東西向的弧型構(gòu)造。路基段處于獨(dú)山斷層之東盤。如圖3所示,受斷層影響,巖層產(chǎn)狀發(fā)生變化,總體傾向南東,巖層產(chǎn)狀綜合產(chǎn)狀125°∠20°;弱風(fēng)化巖石節(jié)理裂隙少量發(fā)育,其節(jié)理裂隙產(chǎn)狀:240°∠80°、140°∠82°。本段路基出露巖性主要為石炭系下統(tǒng)巖關(guān)組二段(C1y2)灰?guī)r局部夾薄層炭質(zhì)頁巖。路基填料主要為灰?guī)r碎石夾粉質(zhì)黏土,碎石粒徑2～10cm,碎石含量約60%～70%。

圖3 YK221+000工程地質(zhì)橫斷面圖

2.3 邊坡穩(wěn)定性分析及下滑力計(jì)算

2.3.1邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》路堤邊坡地基穩(wěn)定性分析包括路堤自身穩(wěn)定性分析、路堤與地基整體穩(wěn)定分析和路堤沿軟弱層滑動穩(wěn)定性分析,其具體計(jì)算原理如下[8]。

路堤自身穩(wěn)定性、路堤和地基的整體穩(wěn)定性計(jì)算分析采用簡化Bishop法,滑面均為圓弧型,相應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)(Fs)計(jì)算公式為:

(3)

(4)

式中:bi為第i個(gè)土條寬度,單位m;αi為第i個(gè)土條底滑面的傾角,單位(°);ci和φi為第i個(gè)土條滑弧所在土層的粘聚力和內(nèi)摩擦角,單位kPa和(°);mαi為系數(shù);Wi為第i個(gè)土條重力,單位kN;Qi為第i個(gè)土條垂直方向外力,單位kN。巖土體參數(shù)見表1。

表1 巖土體參數(shù)表

2.3.2剩余下滑力計(jì)算

根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2015),路堤沿斜坡地基滑動的穩(wěn)定性安全系數(shù)K=1.3,根據(jù)典型斷面YK221+000,計(jì)算得剩余下滑力N=185kN/m。

3 治理措施

(1)啟動施工安全方案,對行車道實(shí)行交通管制,暫時(shí)封閉外側(cè)行車道。

(2)對行車道裂縫及中央分隔帶裂縫立即采用砂漿封面,以防止雨水滲入裂縫而引起路基失穩(wěn)。

(3)綜合各防護(hù)方案并從優(yōu)選取,采用鋼花管注漿和鋼管樁聯(lián)合加固,增加路基整體強(qiáng)度和邊坡穩(wěn)定性。

3.1 注漿加固設(shè)計(jì)

鋼花管采用外徑Φ76mm,壁厚5mm的普通鋼管。鋼管前端加工成錐形,尾部焊接Φ8鋼筋加勁箍,管壁四周鉆眼直徑為8mm漏漿孔。花管呈梅花型布置,間距為2.0m?；ü荛L度為路面至原地面以下150cm,注漿縱向長度為100m,橫向?qū)挾葹槁坊行闹劣覀?cè)18m。采用M20純水泥漿灌注,42.5普通硅酸鹽水泥,水灰比1:1,注漿壓力控制在0.5～2MPa。

3.2 微型鋼管樁設(shè)計(jì)

鋼管樁長H=9m,直徑d=130mm,鋼管外徑=108mm,鋼管內(nèi)徑=103mm,漿體抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.7MPa,鋼管的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為130MPa,漿體彈性模量E1為2.5×104MPa,鋼管彈性模量E2為2.06×105MPa。取樁頂最大位移量δ為10mm。計(jì)算得到鋼管樁抗剪承受能力為130.22kN。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,需在第一級平臺位置設(shè)置三排鋼管樁,樁徑130mm,樁長9m,樁間距為2m,呈梅花形布置,如圖4所示。

圖4 注漿與鋼管樁聯(lián)合加固橫斷面設(shè)計(jì)圖

4 結(jié)論

(1)根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算及工程類比分析,注漿加固后路基填土的抗剪強(qiáng)度得到一定提高,可以增加填土路基的穩(wěn)定性,但仍不能滿足路基穩(wěn)定性安全系數(shù)要求。

(2)經(jīng)過注漿加固后的路基填土和滑動面的抗剪強(qiáng)度得到提高,根據(jù)工程類比得到提高后的抗剪參數(shù),計(jì)算得出的剩余下滑力為322kN/m,可采用微型鋼管樁進(jìn)行支擋。

(3)經(jīng)過注漿與鋼管樁聯(lián)合加固的斜坡填土路基穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.40,滿足規(guī)范要求的安全系數(shù),在保證安全的條件下,設(shè)計(jì)方案更合理、更經(jīng)濟(jì)。

(4)采用注漿與鋼管樁聯(lián)合加固治理方案,可以有效縮短施工周期,減少施工對高速公路通行的影響,促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。