微型钢管桩在处治滑坡工程中的运用

2016-08-16苟栋元

四川水泥 2016年2期

苟栋元

(1招商局重庆交通搞科研设计院有限公司，重庆 400067 2山区道路工程与防灾减灾技术国家地方联合工程实验室，重庆 400067)（3.国家山区公路工程技术中心，重庆 400067)

微型钢管桩在处治滑坡工程中的运用

苟栋元1，2,3

微型钢管桩因其提高滑坡自身稳定性显著、布置灵活、施工便利及治理费用较低等优点，目前已大量应用于滑坡治理的工程实践中。本文以重庆市某高速公路隧道仰坡边坡滑坡为例，提出了较为完整的微型钢管在治理思路和治理方案。经过长时间的运营，该滑坡达到了稳定状态，验证了注浆微型钢管桩的加固效果，表明其治理措施是可靠和可行的，为类似滑坡治理的设计与施工提供了参考。

滑坡治理；微型钢管桩；抗剪强度；稳定性

0 前言

微型钢管桩作为微型桩中的一种新型结构，自上世纪50 年代由意大利人Fernando Lizi 提出后，近年来在边坡加固中得到广泛的应用[1]。与传统的抗滑桩相比，其优点在于[2-4]：①圬工工程量少，工程造价低，经济性好；②具有一般抗滑桩的作用；③施工速度快且较安全，对于抢险加固工程可以争取宝贵的时间；④适宜性强，布置形式灵活。

为指导工程实践，本文通过研究微型钢管桩加固机理，并结合工程实例探讨微型钢管桩在滑坡治理中的加固效果。理论研究和实际应用均表明，微型钢管桩结合其他措施的综合方案发挥了良好的加固作用。

1 微型钢管桩抗滑机理

微型钢管桩作为抗滑桩用于边坡加固具有以下特点。

（1）通过微型钢管桩灌注的浆液渗入到钻孔周围的土体中，水泥浆充满岩土体的孔隙，并与岩土体发生充分混合，改善了滑体、滑带、滑床土体的物理力学性质，提高了岩土体的内摩擦角和粘聚力，增大了摩阻力，从而使得处治区域岩土体的完整性和整体强度得到提高。

（2）用微型钢管桩进行加固时，由于其间距小，再加上微型钢管桩对桩间土体的加固作用，使得加固区域发生局部溜滑的可能性大为降低。

（3）微型钢管桩一般是成排布置，具有空间刚架体系特点。当微型钢管桩以网状密布在在滑坡体中时，在受到桩后的横向滑坡推力作用后，它对桩间和邻近土体具有改造和加固作用，使土体强度得到提高。由于桩与桩之间间隔较小，整个钢管群桩可看一个修筑在土体中的三维网状结构。该结构利用钢管的抗剪、抗拉、抗压及其桩间土的组合效应, 可以有效的阻止滑体沿滑面滑动，从而对桩间土体的变形起到了约束和框箍作用，使桩和土能形成一个整体共同承担外部的荷载。

（4）微型钢管桩桩群方法的使用，受力分析时可看作一个复合地基或地下连续钢筋混凝土墙，其最大特点是将滑坡中的一部分滑动体加固成抗滑体来达到对滑坡治理的目的。通常在受力分析时把桩与土结合在一起考虑，由该复合结构共同承受滑坡推力的作用。该受力模型类似于钢筋混凝土结构体系，桩间岩土体代表混凝土，而钢管桩则代表混凝土中的钢筋，在结构类似于挡土墙结构。由于钢管桩在土体中起到加筋的作用，土的刚度发生了变化，使其桩的变形显著减少。

2 工程概况

重庆某高速公路隧道进口左侧滑坡，地貌类型属构造剥蚀低山地貌，地势北东高南西低，坡向约188°，坡角一般25～40°。滑坡后部为消防水池，东侧为民房，前部为隧道入口。坡体地面高程为608～663m，相对高差约55m，坡长约125m。坡脚地面高程为608m，为滑坡前缘的临空面。

根据该区域地质资料和滑坡工程地质勘察揭示，滑坡地段主要分布第四系坡、残积土，下伏地层为侏罗系中统沙溪庙组（J2S）泥岩、夹层状砂岩及其风化层。场区地下水类型主要为第四系松散堆积层的孔隙水和基岩中的裂隙水，均受大气降水补给，地表径流条件较差，地表水容易渗入坡内，补给地下水，雨季地下水较丰富。

该滑坡平面形态呈“长舌状型”，前缘高程608.0～609.0m，后缘高程657.2～

663.1 m。平均纵向长约105m，平均横向宽约40m，面积约0.5×104m2，滑体平均厚度约6m，体积约2.55×104m3，为小型中层土质滑坡。据目前滑体总体变形，滑坡主滑方向与坡向基本一致，约为188°。

图1 滑坡全貌图

3 滑坡成因分析

滑坡位置原为斜坡地形，滑坡体为崩坡积块石土含、混、夹碎块石，局部架空现象明显，结构松散，渗水性较好，大气降雨易于入渗；大气降雨持续渗入后，增大了滑坡的下滑力；而滑坡前缘隧道的开挖形成了高10m的临空面，降低了斜坡体的稳定性，使得前缘抗滑力减少。再加上当地民房的修建，削高填低，破坏和改变了滑坡区所处斜坡体的原始地貌形态，增加了地表水向下的渗透，降低滑坡体的安全储备。当边坡下滑力大于抗滑力，引起滑坡的变形、开裂。

4 滑坡稳定性分析

对前缘隧道仰坡变形采用圆弧形滑动面，采用“Bishop法”计算其稳定性；对滑坡整体稳定性、局部

稳定性采用基于极限平衡理论的折线型滑动面进行计算。计算结果如下：

表1 滑坡稳定性计算结果表

滑坡稳定性计算表明，滑体在天然工况下处于基本稳定状态，在暴雨工况下处于欠稳定～基本稳定状态。在集中强降雨的影响下，土体变形将进一步加剧，可能导致边坡整体失稳，将导致该高速公路的交通中断，严重威胁导高速公路的运营安全。

综上所述，目前该滑坡正处于滑动变形阶段，未来在地表水入渗及施工扰动影响下，其稳定性将进一步降低，存在产生滑移风险，应及时采取有效的综合治理措施。

5 滑坡治理设计

5.1 滑坡治理方案比选

该滑坡治理方案必须考虑的因素：（1）对该滑坡的治理必须是永久性的，具有较高的控制变形能力；（2）不对隧道仰坡及拱圈结构造成破坏；（3）由于村道公路路面仅有3m宽，大型机械无法作业施工，故必须采用设备简单，施工工艺不复杂的治理方案；（4）治理方案必须工期短，造价相对较低；（5）尽量减少施工对下方高速公路运营安全的威胁。

基于此，本项目治理提出了两个方案，即：（1）钢管桩+锚杆格子梁+截排水的方案。（2）抗滑桩+锚杆格子梁+截排水的方案。由于本项目为隧道上方边坡滑坡，由于抗滑桩的施工对隧道的影响不明确，且造价相对较高，为减少或避免施工对隧道结构安全造成威胁，加快施工进度和降低工程造价，经综合比选采用钢管桩+锚杆格子梁的方案。

5.2 滑坡治理设计

本文仅对钢管桩的设计做探讨，其他设计措施不予探讨。

（1）微型钢管桩的设计考虑的因素

微型钢管桩的桩长、桩径、桩距、砂浆强度等因素直接对微型钢管桩的布置造成直接影响。在设计时，应根据计算结果，采用工程类比法进行钢管桩设计；同时还应根据坡体岩土结构类型、岩体性质、嵌固段的锚固力大小、坡体布桩后产生的群桩效应等，结合相应的设计规范的要求等确定合适的桩长及桩间距[5]。

（2）微型钢管桩的力学计算

经计算，断面1微型桩设置处在暴雨工况下滑坡最大推力的水平分力277KN/m；断面2微型桩设置处在暴雨工况下滑坡最大推力的水平分力473KN/m。

本文按滑面抗剪条件对滑坡治理后的稳定性进行验算[6]，不考虑注浆加固后复合土体的作用，按最不利原则考虑滑坡推力由钢管全部承担，计算公式如下：

式中：

Rs——抗剪断设计安全系数，一般取1.2；

[τ]——钢管抗剪强度（125 MPa）；

A——钢管截面积（m2/m）；

Fx2——设计工况滑坡推力的水平分力（KN/m）；

经计算，最不利断面微型桩钢管截面面积为54.5 cm2。

（3）微型钢管桩的布置

本项目在滑坡中部（机耕道附近）设置3排钢管桩支档措施，在滑坡前部设置4排钢管桩支档措施。钢管桩进入中等风化基岩深度5m-8m，间距1.5m，采用梅花形布置，孔径130mm，内置108×6mm钢管和3根φ22HRB400钢筋，注浆采用M30水泥浆。施工时，钢管桩应低于路面50cm，以保证机耕道的通行。详见图1。

（4）抗剪断安全校核

根据规范要求，按暴雨工况校核抗剪断安全系数，计算公式如下：

式中：

Rj——抗剪断校核安全系数；

n——每米微型桩数量；

[τ]——钢管抗剪强度（125 MPa）；

A——钢管截面积（m2/m）；

Fx3——校核工况下滑坡推力的水平分力（KN/m）；

经计算，最不利断面微型桩抗剪断校核安全系数1.22＞1.2，满足规范要求。

图2 治理平面布置图

图3 治理断面布置图

（5）边坡加固后稳定性评价

在工程实践中，由于微型钢管抗滑桩的特殊布置方式，使得桩与桩、桩与土、土与土的相互作用成为了影响桩微型钢管桩设计的主要因素，这给桩的稳定性分析及设计都带来较大困难。目前微型钢管桩的设计尚未形成一套较为成熟的理论

[7-9]，对桩——土的共同作用还不能做出准确的分析，因此桩及土的许多参数都是依据实践经验来选取。

本项目将钢管桩及土体看做复合地基，计算安全系数取2.5，经计算得微型钢管桩在天然工况下的综合粘聚力c=127KPa，综合摩擦角φ= 18.6°，在饱和工况下的粘聚力c=126KPa，综合摩擦角φ= 17.5°。稳定性分析计算时，不同条块其粘聚力和摩擦角取值不同，微型钢管桩加固条块，采用综合粘聚力及摩擦角，其余非加固区域条块采用土样的粘聚力和摩擦角。工程措施实施后，坡体安全系数为1. 17，满足防治工程最小安全系数1.15的要求。