秦 龙,廖 俊,许源华

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳市 550081)

0 引言

随着交通基建的快速发展和山区高速公路路网建设[1],以及成熟的施工技术,使注浆加固技术和微型钢管桩在高速公路路基病害治理中的应用越来越广泛。山区公路由于地形地质条件复杂,常常遇到较多的陡坡填方路基工程,如果由于长期降雨、路基路面排水不畅等原因,使路基填料遇水软化,抗剪参数降低、压缩模量减小,导致路基沉降、边坡侧向滑移等病害,严重影响高速公路通行。在填方较矮的斜坡路段,针对边坡侧向滑移,如采用强支挡方式处置,一方面工程造价高,另一方面施工工期长,影响公路通行,此种方式不经济不合理;如采用注浆加固,提高路基填料的抗剪参数和压缩模量,能有效减小路基沉降和路基边坡滑动,具有施工周期短,工程造价低的显著特点[2-3]。

在部分工程案例中,仅采用注浆加固不能有效解决边坡侧向滑移问题,注浆后的边坡仍有潜在滑动可能,可采用微型钢管桩进行抗滑支挡,满足路基边坡稳定性要求。文章结合工程案例,提出注浆和微型钢管桩联合加固在高速公路陡坡路基病害治理中的应用。

1 注浆及微型钢管桩加固作用机理

1.1 注浆

注浆是用气压、液压或电化学原理,把某些能固化的浆液注入天然和人为裂缝或孔隙,以改善各种介质的物理力学性质[4],包括提高土体的抗剪强度、压缩性质、提高抗渗性等,由于土体具有不均匀特点,在注浆加固时需先进行钻孔,通过气压、液压等方式将浆液灌入处理土层中[3-5]。

在注浆过程中,一方面浆液填充挤压钻孔周围土体形成致密的圆柱土体,另一方面浆液对钻孔周围一定范围内土体进行剪切和破坏,产生塑性变形的区,形成劈裂缝,浆液沿着裂缝扩散固结形成浆脉,从而在加固土体中形成有一定强度的网状骨架结构。这些圆柱土体与周围土体相互作用形成复合式地基,从而提高土体的抗剪参数、压缩模量、抗渗性等物理力学性质。

1.2 微型钢管桩

微型钢管桩一般是指桩径小于400mm,长细比大于30,采用钻孔、强配筋和压力注浆施工工艺的灌注桩[6-7]。

1.2.1抗剪作用

微型钢管桩穿过软弱滑裂面以下一定深度进入稳定地层,利用钢管和钢筋的抗剪能力抵挡滑体的下滑力或边坡土压力,可提高边坡整体稳定性,其作用原理相当于悬臂式抗滑桩。

微型钢管桩所能承受的剪力R(kN)为:

(1)

式中:τ1为浆体抗剪强度设计值,单位kPa;τ2为钢管抗剪强度设计值,单位kPa;d为微型钢管桩直径,单位m;d1为钢管外径,单位m;d2为钢管内径,单位m。

1.2.2抗弯作用

微型钢管桩中植入一定量的钢筋,其具有一定的抗弯性能。由于钢管对管内水泥砂浆和钢筋的变形起约束作用,使得钢管桩在受力时的抗弯强度较一般钢管混凝土结构要高,从而可提高钢管桩的抗弯能力,可用于抵挡滑坡的下滑力或土压力。

微型钢管桩的抗弯能力M(kN·m)为:

(2)

式中:E1为浆体弹性模量,单位kPa;E2为钢管弹性模量,单位kPa;d为微型钢管桩直径,单位m;d1为钢管外径,单位m;d2为钢管内径,单位m;[δ]为允许最大变形,单位m。

通过实例数据计算分析,微型钢管桩的抗弯能力远大于其抗剪能力,因此在分析微型钢管桩加固机理时,可用微型钢管桩的抗剪强度作为控制条件。

2 工程实例

2.1 概况

由于连日来暴雨集中,贵新公路都匀至新寨段YK220+980～YK221+080段中央分隔带排水沟水排水不畅,地表水下渗,涵洞开裂,涵洞水下渗至路基,路基基底和坡脚为弃渣,如图1、图2所示,众多不利的因素组合造成路基下沉开裂,发生失稳破坏,严重影响高速公路通行,对社会经济发展影响较大。路基坡脚7～40m处有一成品油输油管道,为了防止路基失稳对输油管道造成影响,需要立即开展应急抢险和永久措施加固处理。

图1 路基边坡全貌图

图2 路基边坡开裂图

设计思路:

(1)阻止地表水流入路基,需加宽加长道路左侧排水沟,排水沟砂浆抹面。

(2)对变形开裂的路基进行注浆处理。

(3)距坡脚7～40m外分布有西南成品油管道,为防止路基整体失稳影响管道安全,坡脚采用微型钢管桩进行支挡。

2.2 工程地质条件

场区地处贵州高原南部山区向广西丘陵过渡的斜坡地带,地面坡度13°～26°,属构造侵蚀-剥蚀中低山地貌。

场区位于扬子准地台黔南台陷贵定南北向构造变形区,以挤压型的南北向构造为主,发育少量北东向构造和近东西向的弧型构造。路基段处于独山断层之东盘。如图3所示,受断层影响,岩层产状发生变化,总体倾向南东,岩层产状综合产状125°∠20°;弱风化岩石节理裂隙少量发育,其节理裂隙产状:240°∠80°、140°∠82°。本段路基出露岩性主要为石炭系下统岩关组二段(C1y2)灰岩局部夹薄层炭质页岩。路基填料主要为灰岩碎石夹粉质黏土,碎石粒径2～10cm,碎石含量约60%～70%。

图3 YK221+000工程地质横断面图

2.3 边坡稳定性分析及下滑力计算

2.3.1边坡稳定性分析

根据《公路路基设计规范》路堤边坡地基稳定性分析包括路堤自身稳定性分析、路堤与地基整体稳定分析和路堤沿软弱层滑动稳定性分析,其具体计算原理如下[8]。

路堤自身稳定性、路堤和地基的整体稳定性计算分析采用简化Bishop法,滑面均为圆弧型,相应的稳定系数(Fs)计算公式为:

(3)

(4)

式中:bi为第i个土条宽度,单位m;αi为第i个土条底滑面的倾角,单位(°);ci和φi为第i个土条滑弧所在土层的粘聚力和内摩擦角,单位kPa和(°);mαi为系数;Wi为第i个土条重力,单位kN;Qi为第i个土条垂直方向外力,单位kN。岩土体参数见表1。

表1 岩土体参数表

2.3.2剩余下滑力计算

根据《公路路基设计规范》(JTG D30—2015),路堤沿斜坡地基滑动的稳定性安全系数K=1.3,根据典型断面YK221+000,计算得剩余下滑力N=185kN/m。

3 治理措施

(1)启动施工安全方案,对行车道实行交通管制,暂时封闭外侧行车道。

(2)对行车道裂缝及中央分隔带裂缝立即采用砂浆封面,以防止雨水渗入裂缝而引起路基失稳。

(3)综合各防护方案并从优选取,采用钢花管注浆和钢管桩联合加固,增加路基整体强度和边坡稳定性。

3.1 注浆加固设计

钢花管采用外径Φ76mm,壁厚5mm的普通钢管。钢管前端加工成锥形,尾部焊接Φ8钢筋加劲箍,管壁四周钻眼直径为8mm漏浆孔。花管呈梅花型布置,间距为2.0m。花管长度为路面至原地面以下150cm,注浆纵向长度为100m,横向宽度为路基中心至右侧18m。采用M20纯水泥浆灌注,42.5普通硅酸盐水泥,水灰比1:1,注浆压力控制在0.5～2MPa。

3.2 微型钢管桩设计

钢管桩长H=9m,直径d=130mm,钢管外径=108mm,钢管内径=103mm,浆体抗剪强度设计值为1.7MPa,钢管的抗剪强度设计值为130MPa,浆体弹性模量E1为2.5×104MPa,钢管弹性模量E2为2.06×105MPa。取桩顶最大位移量δ为10mm。计算得到钢管桩抗剪承受能力为130.22kN。

根据计算结果,需在第一级平台位置设置三排钢管桩,桩径130mm,桩长9m,桩间距为2m,呈梅花形布置,如图4所示。

图4 注浆与钢管桩联合加固横断面设计图

4 结论

(1)根据设计计算及工程类比分析,注浆加固后路基填土的抗剪强度得到一定提高,可以增加填土路基的稳定性,但仍不能满足路基稳定性安全系数要求。

(2)经过注浆加固后的路基填土和滑动面的抗剪强度得到提高,根据工程类比得到提高后的抗剪参数,计算得出的剩余下滑力为322kN/m,可采用微型钢管桩进行支挡。

(3)经过注浆与钢管桩联合加固的斜坡填土路基稳定性安全系数为1.40,满足规范要求的安全系数,在保证安全的条件下,设计方案更合理、更经济。

(4)采用注浆与钢管桩联合加固治理方案,可以有效缩短施工周期,减少施工对高速公路通行的影响,促进社会经济的发展。