谢红建，万力

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州贵阳550002)

微型桩在临时边坡支护中的应用

谢红建，万力

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州贵阳550002)

微型桩作为一种新型的支挡结构，施工快捷且经济合理，常用于边坡支挡中。该文运用结构力学和弹性地基梁理论，并以贵阳市环城路某段边坡工程为案例，讨论了不同形式的微型桩在计算时的受力方式和运用条件，得出微型桩的位移和内力。考虑桩土相互作用的原则，工程最终采用了双排钢管桩进行支挡，为边坡阻滑结构的设计提供了合理的依据，并得出一些有益的结论。

岩质边坡；微型桩；平面刚架；Winkler地基假定；稳定性

在公路和房屋建设过程中有关边坡加固的方法有多种，其中微型桩因其施工快捷方便且经济合理，已成为一种新型的边坡加固的支挡方法。笔者通过文献调研并参与某边坡的微型桩设计，研究双排微型桩的受力特点，建立考虑桩间土的简化计算模型，以期提高微型桩的设计水平，并总结一些经验供同行参考。

1 工程概况

工程位于贵阳市环城路K8+590～K9+010段路面右侧边坡，其中K8+800处有一长链25.244m，边坡的实际长度为445.244m。由于路线走向和岩层走向基本平行，开挖后形成了人工顺层岩质边坡。边坡总体的设计方案是清方+锚固，即考虑削方后，在坡面采用预应力锚索支挡，坡脚采用抗滑桩和预应力锚索结合的方式，桩间设置桩间墙。坡顶合适位置设置截水沟，坡面设置排水孔，原则是要将坡顶地表水、坡体的入渗水及时可靠排走。

在K8+800位置，从坡脚至坡顶距离约63.1m，坡体有软弱夹层分布，在坡顶有一输电铁塔，为一级边坡。由于在冬季施工中，预应力锚索锚固段强度上升很慢，故抗滑桩的作用仅为悬臂桩。在开挖抗滑桩以下路基时，为保证输电铁塔的安全，同时为满足冬季施工、工期、造价，在坡顶先进行临时支挡，以后再进行预应力锚索张拉，临时措施采用微型钢管桩（见图1）。本文仅考虑钢管桩的设计。

2 边坡体工程地质条件概况

本文仅介绍K8+800剖面的工程地质条件。

原边坡的地形中部陡峭，上部和下部较平缓，清方沿着层面进行，清方后的坡面角度为30°。

2.2 地层岩性

根据勘探结果，清方后边坡下伏三叠系改茶组(Tgc)薄至中厚层白云岩，局部夹泥岩。

中风化白云岩：灰白色，紫红色，中～厚层状，隐晶质结构，节理裂隙较发育，节理裂隙局部被铁质浸染，钙质胶结，属较硬岩。岩体较完整，结构面结合一般。根据《建筑边坡工程技术规范》GB50330-2002附录A边坡岩体类型为III类。

中风化泥岩：薄层状，泥质胶结，岩芯破碎，岩质软，钻探岩芯呈碎屑状、沙状、碎块状、圆饼状，岩体不完整，结合很差，岩体类型为Ⅳ类。现场主要分布在坡面下6m的位置。

2.3 地质构造

2.1.1 镁基复盐的选择与比例的确定 用EDTA滴定Mg-EBT时，Ba-EBT络合物在Mg-EDTA存在时可发生置换反应转化为Ba-EDTA和Mg-EBT。镁基复盐Mg-EDTA络合物的存在有利于实现EDTA滴定SO24-，使滴定终点更加清晰。这或可由于Mg-EDTA本身做为一种络合复盐，其较高的稳定常数（K=108.69）更易发生络合反应而使不稳定的Ba-EBT（K=102.0） 转 化 为 Ba-EDTA（K=107.76） 和 Mg-EBT（K=107.0）等更为稳定的络合物，从而实现快速定量滴定。这一结论也从侧面验证了Mg-EDTA络合物在反应体系中存在的必要性和优越性。

岩层走向为335°，倾向为245°，倾角30°，岩层走向与边坡走向交角小于30°为顺向边坡。边坡发育两组裂隙：第①组N15°W／NE∠67°（构成后缘裂缝，竖向切割边坡）、第②组

N55°E／NW∠75°（侧向切割边坡）。

图1 K8+800标准剖面图

2.4 水文地质条件

经现场水文调查，地下水主要为节理裂隙水，受大气降雨补给。稳定地下水位低于开挖的路基以下，对支护设计没有影响。根据岩土工程勘察报告，地下水对混凝土结构物有硫酸盐、镁离子和总矿化度等微腐蚀性；对钢筋混凝土结构中钢筋有氯盐微腐蚀性，按《工业建筑防腐蚀设计规范》GB 50046－2008第3.1.9条“微腐蚀环境可按正常环境进行设计，可不作抗腐蚀性设计”。

3 钢管桩计算分析

一般计算微型桩内力时有两种分析方法:一种是简化的结构力学分析法，包括地基系数法;另一种是考虑桩-桩周共同作用的数值计算方法，其中有限元法较为常见。由于数值分析方法需要采用界面单元考虑桩与岩石之间的摩擦作用，进而反应微型桩的桩身摩阻力分布和传递，由于目前对钢管桩与岩石相互作用需要通过室内试验(离心模型试验)及现场试验来确定受力模型和参数，试验的费用较高，且采用界面单元来模拟桩与桩周的收敛特征也是一大难点，故微型桩的数值模拟方面的文献较少。本文将采用基于结构力学的分析方法。

高压输电铁塔位于坡顶，底面尺寸为4m×4m。钢管桩为双排排桩，间排距为1m，方向平行于第一组裂隙的走向，共计16排，后排桩距离铁塔约4m的位置。钢管桩沿路线长16m。钢管桩采用直径146mm、厚度为8mm的钢管，微型桩的顶部在纵横向采用槽钢焊接，钢管桩的钻孔直径为180mm，并用C30细石混凝土在有压下充填微型桩及浇筑承台，见图2。

图2 坡顶钢管桩位置

3.1 钢管桩推力的计算

其推力计算同抗滑桩的滑坡推力，为偏于安全，不考虑桩前提供的被动土压力。同时由于铁塔位于坡顶，且施工期为冬季，雨水少，排水措施和地面固化能消除雨水的影响，故按常规工况考虑。其推力分别按侧向岩石压力及沿泥岩层面下滑的剩余下滑力进行计算，并取计算的最大值，即按《建筑边坡工程规范》GB50330-2002条款6.3.4第3项和条款5.2.4，取边坡稳定性安全系数为1.35进行反算所得。计算所得每延米的钢管水平推力设计值65.2 kN。

3.2 钢管桩内力计算

微型钢管桩的计算可分为以下几种计算模型（图3），模型A为单桩或横向连接刚度较小情况下的悬臂梁模型，通常地基的刚度远大于微型桩的刚度，边界条件可假定在滑面位置0处嵌固；模型B为横向连接刚度较大情况下的刚架模型，边界条件仍假定在滑面位置0处嵌固，但是它不能反应桩间岩体的有利作用；模型C参考《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012双排桩的刚架模型，以水平刚度系数考虑桩土之间的相互作用，在桩的底部同样设置弹簧来模拟岩体对桩的竖向作用，偏于安全，不考虑桩前岩体作用；模型D同模型C，只是考虑了桩前岩体作用。模型C和模型D本质上为弹性地基梁，由于自由度较多，采用结构软件进行计算。

图3 微型钢管桩计算模型

（1）按照模型A[1]，不考虑桩前抗力，将桩简化为承受均布荷载的悬臂梁，假定桩承受的滑坡推力为T（kN/m），则上图的q=T*b/H，对于本边坡，其H值最大为6.0m，间距b为1.0m，视滑床O点为固定段，则按结构力学知识得出在q作用下桩顶的水平位移为：

δ=q*H4/8/E/I<[δ]，如果[δ]过大，表明桩已经发生破坏。故可得qmax=8 x E x I x[δ]/H4，取C30的混凝土弹性模量为3.0x104N/mm2，I为3.14xD4/64=3.14x1804/64＝51503850，[δ]取为10mm，H＝6000mm，则qmax=0.135N/mm=0.135kN/m，单根桩能承受的下滑力为0.74 kN。当[δ]取为100mm，下滑力为7.5 kN，承受的剪力也为7.5kN。小于微型桩的水平推力设计值。

其抗剪能力计算如下，采用钢结构中的锚栓计算模式，取Q235钢的抗剪设计强度为125 N/mm2，钢管的面积取为3.14x146x8＝3667.5mm2，钢管桩的抗剪强度为125x3667.5＝458437N，约为458 kN。

由模型A计算知，在微型桩处于悬臂状态下，其抗弯能力

远小于其抗剪能力(除非滑面以上的岩体是稳定的，相当于在界面处纯抗剪，否则钢管桩的水平抗滑能力不大），仅能提供较小的抗滑能力。

（2）由于采用模型A的悬臂桩受力状态不能满足设计要求，故可采取模型B[1-2]来进行设计，计算中假定联系梁与微型桩为刚接，桩前土体的抗力(被动土压力或者剩余下滑力)忽略不计，且按平面刚架考虑。由于微型桩位于岩石中，同抗滑桩的矩形分布模式一样，微型桩的水平推力设计值按高度均匀分布。通过力学计算，其最大弯矩为99.7 kN.m，最大剪力为53.9 kN，均分布后排桩的滑动面位置。其最大位移为0.626m，发生在桩顶位置。

由模型B计算知，由于微型桩的刚度小，在按平面刚架计算时，其顶部的位移过大，前排桩对后排桩的约束不大。其变形模式仍同悬臂桩。

（3）按照模型C，同时为了控制桩顶位移，在桩顶位置布置锚杆的方式来控制位移。同时桩土之间的相互作用采用水平弹簧模拟。

根据岩性及地层情况，白云岩的地基系数采用K= 320000kN/m3其弹性模量考虑到岩体结构中裂隙的影响，取为岩石弹性模量的0.05～0.1倍，即取为1GPa，按《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012公式4.12.3，钢管桩的排距为1.0m，桩直径为0.146m，故桩间土的水平刚度系数为kc=1000000/(1-0.146)=1.17x106 kN/m3，考虑到规范公式适用于土质，大于白云岩的地基系数采用K=320000 kN/m3，故桩间的水平刚度系数，在滑动面以下取为320000kN/m3，在滑动面以上100000 kN/m3（考虑一定的折减）。

另按《建筑边坡工程技术规范》GB 50330—2002式7.2.5，计算桩顶锚杆所得的水平刚度为33.1MN/m（自由段长度为6.1m，锚杆采用两根直径28三级钢，倾角为25°），考虑到锚杆的间距为2.0，取单位宽度内的锚杆的水平刚度为16.55 MN/m；另外按GB 50330—2002条款7.2.6，由于锚杆无自由段，可以按刚性杆件计算，即取水平刚度系数很大进行计算，本次计算中采用水平刚度为16.55 MN/m进行计算。

对于圆形桩的计算宽度，规范上的公式为b0=0.9(1.5d+ 0.5)=0.615m，一些国内文献考虑到钢管桩直径较小，取计算宽度为3d＝0.45m，故取0.45m较0.615m更偏于安全。

通过杆系有限元软件midas/civil进行以上的模拟（图4），最大水平位移1.7cm，发生在滑面以上约3m的位置。最大弯矩17.1kN.m，最大剪力为30 kN，均位于滑面以下0.8m的位置。最大轴力为21.5 kN(一拉一压，前排桩受拉，后排桩受压)，锚杆力为32.3 kN。按钢结构设计规范计算微型桩的强度和稳定性，均能满足要求。

图4 计算结果(位移、弯距、剪力)

（4）按模型D，是考虑桩前的有利支撑，采用弹簧模拟（参数同模型C）。计算最大弯矩为0.1 kN.m，最大剪力为1.1kN。最大位移0.08mm。可见桩前在岩体完整的条件下，钢管桩的受力很小。

该工程已经完工通车运行约半年，后期坡体已采用锚索支挡，坡顶未出现险情。钢管桩作为临时支挡，在坡体锚索无法张拉的情况下，保障了铁塔地基稳定性。

4 结论

通过以上分析，钢管桩最终设计采用模型C，并得出以下结论。

（1）采用多排微型桩优于单排桩，能增加水平刚度，前后排钢管在拉弯和压弯的受力状态下提供抵抗力矩；另外增加顶部约束，有利于钢管桩运行下的变形和受力。如模型C比模型B受力性能好。

（2）对于平面刚架微型桩体系，剪力和弯矩的最大值均出现在滑面附近，可以进行局部加强。

（3）钢管桩的水平刚度较小，变形不容易控制，如果在桩前和桩间进行一些补强，桩的受力性能将有较大提高。如模型D。

（4）钢管桩由于抗剪能力较强，抗弯能力较弱，故适合高度不大的边坡。

[1]孙书伟.顺层高边坡开挖松动区研究及微型桩加固边坡的内力计算[D].铁道科学研究院，2006.

[2]户巧梅.微型桩加固边坡的内力计算[D].长安大学，2009.

责任编辑：孙苏，李红

Application of Micro-pile in Temporary Slope Support

As a new support structure,micro-pile is rapidly constructed and low cost,so it is often applied in slope support.Based on the structural mechanics and elastic subgrade theory and through a case study of a slope project on the ring road in Guiyang,the stress modes and application requirements of differently-shaped micro-piles under calculation are discussed to get the displacement and internal force of micro-pile.Giving the pile-soil interaction principle,double rows of steel pipe piles are adopted to support in this project,offering reasonable basis for landslide blocking design and some beneficial conclusions.

rock slope;micro-pile;planar steel frame;Winkler foundation assumption;stability

TU457

A

1671-9107（2013）06-0030-03

2013-05-09

谢红建(1977-)，男，湖北襄阳人，硕士，工程

师，主要从事岩土工程勘察设计与岩土工程数值分析。万力(1976-)，男，湖南澧县人，本科，高级工程师，主要从事岩土工程勘察设计治理、工程地质与水文地质工作。

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.06.030