浅谈钢管桩群在土岩混合边坡中的应用

发表时间:2020/12/31   来源:《科学与技术》2020年9月第26期   作者:严小宝
[导读] 微型桩具有施工简便、施工快速、布置灵活、抗滑能力较强的特点,在山区边坡( 滑坡) 加固中得到了广泛的应用。
        严小宝
        中国十七冶集团有限公司北京工程设计分公司  北京  102218

        【摘要】  微型桩具有施工简便、施工快速、布置灵活、抗滑能力较强的特点,在山区边坡( 滑坡) 加固中得到了广泛的应用。与抗滑桩、锚(索)杆、挡土墙支挡结构相比,既满足了经济效益又确保了环境效益,作为新型支挡结构在抗滑工程中的应用日益增多。对于小型的土岩混合滑坡,钢管桩群的实施,能得到很好的作用效果以及经济效益。
        通过在桩顶设置连系梁,使各桩联合作业形成整体,可提高抗滑能力,依据坡面地形将钢管桩群按“品字”布置,桩顶设置连系梁。使整个钢管桩群形成一个整体,增加了钢管桩群的抗弯能力。
        
        【关键词】 钢管桩群  土岩混合边坡  桩顶连系梁
        
        1 国内对微型桩的研究现状
        微型桩技术(Micropile)20世纪50年代由意大利人Lazzi[1]提出,最初主要用于欧洲历史性建筑物和纪念碑的加固,后来逐步推广到北美及其它地区。微型桩的直径一般小于300 mm,为小口径的钻孔灌注桩。从滑坡推力而论,对于推力较大的滑坡,微型桩一般作为辅助加固方法采用或作为提高安全储备被采用,对于中小型滑(边)坡,微型桩组合结构能起到很好的工程治理效果和经济效益[2]。
        闫金凯、殷跃平[3]等进行了滑坡微型桩群桩加固工程模型试验研究,以黄土为滑坡介质,采用土压力盒和位移计等测试手段,完成一系列微型桩与滑坡体相互作用的模型试验,研究微型桩加固滑坡体的承载机理、受力情况及破坏模式。研究结果可为微型桩的设计提供一定的科学依据。
        微型桩群具有良好的抗滑效果,试验中微型桩群的承载力略小于普通抗滑桩,可以代替普通抗滑桩用于边坡加固。微型桩的设计以单桩的抗弯承载力为控制指标,在此基础上分析微型桩所能提供的最大抗滑力[4]。
        对贵黄高速公路K15+960~K15+992段进行了钢花管桩施工试验[5],贵黄高速公路滑坡段治理施工完成后,路面无新开裂缝,路基也无滑移现象,取得了较好的防护效果,既保证了贵黄高速公路的安全运营,也保证了贵清线蒿芝塘Ⅱ号桥的顺利施工。
        通过试验研究发现,采用框架梁连接的微型桩组合结构,其抗滑机理除了表现在微型桩组合结构增强了滑带的抗剪能力外,各排微型桩还承受了较大的弯矩和土体抗力作用,通过桩—土相互作用形成的抗滑体具有较强的联合抗压和抗滑能力[6]。本文依据对某高速公路互通边坡CK0+125~CK0+414段进行了钢管桩群+桩顶连系梁施工试验,该滑坡段治理施工完成后,边坡整体稳定,取得了较好的防护效果,保证了高速公路的安全运营。
        2 计算方法
        微型桩变形及内力计算可采用弹性分析法[7],对于较完整的岩质滑坡,计算微型桩内力时,可假定作用于微型桩群的水平推力均匀分布于各排微型桩上,其他滑坡,各排微型桩所承担推力的比值可通过地区经验、试验及数值分析确定。
        滑坡推力在不同排微型桩间的分配具有以下规律:当施加的水平荷载较小时,前排微型桩分配到的水平力最大,后排微型桩最小;但随着受荷水平的提高,这种分配关系会发生改变,当受荷水平达到一定程度时,各排微型桩所受水平力趋于相同;当受荷水平超过某一特定值时,后排微型桩分配到的水平力最大,前排微型桩次之;中排微型桩最小。然而,滑面以下的抗力则主要由后排桩的桩后土体提供,与荷载水平无关。
        对于本文设置的微型桩组合结构,微型桩在空间上并没有呈交叉布置,其理论相对容易。
        (1)计算滑坡推力时,把微型桩看作整体。有微型桩承台的组合结构工作时其整体性非常明显。滑坡推力平均分配到各排钢管桩群上。
        (2)先计算微型桩滑面以上部分的内力,微型桩在滑面处的内力(弯矩、剪力),滑面以下的部分可采用m 法、c 法、k 法。
        (3)忽略桩土之间的相互作用,微型桩不发生横向变形。
        (4)微型桩承台[8]是刚性的。微型桩承台一般由混凝土浇注而成,其刚度相对于微型桩很大,不考虑群桩效应的存在,可视为不变形体。在桩与承台的衔接处,各节点的位移相等。
        3 工程实例
        3.1 工程概况
        某高速互通边坡CK0+125~CK0+414段右侧边坡高25.4m,坡面以粉质黏土、含碎石粉质黏土和强风化玄武岩为主,属岩土混合边坡。局部覆盖层厚度较大,本区地层主要为上部为二叠系上统峨眉山组玄武岩(P2β),坡面残积层主要为粉质粘土。在钻孔揭露深度范围内,地层结构自上而下分为如下:
        粉质粘土(Q4el+dl):残坡积为主,可塑状,液限较高,粘性较好。全场分布,厚度1.7~13.0m,平均厚度5.17m。
        含碎石粉质黏土(Q4el):褐黄色,可塑状,碎石含量占20%左右,成分为石英砂岩,粒径2~10cm,棱角状。
        强风化玄武岩(P2β):灰褐色、深灰色,碎裂状构造,结构大部分破坏,岩芯呈砂状、少许碎块状,锤击声哑,易击碎,干钻不易钻进。
        中风化玄武岩(P2β):深灰色,碎块状构造,隐晶-细晶结构,岩体较破碎,岩芯碎块状、少许短柱状,锤击声脆,RQD 一般为15~25%。岩体基本质量等级为Ⅳ级。
        施工单位在完成第一级边坡防护后,开挖完第二级边坡(从上往下数),雨季时,边坡没有发生变化,待雨季结束后,第二级边坡坡脚发生渗水,第二级边坡坡顶开裂,并把上一级边坡拱形骨架拉裂,出露的岩土层主要为含碎石粉质黏土。
     3.2 常规处治方案
        现场踏勘后对现状边坡重新进行计算,对于该边坡采用挡土墙固脚+宽平台+缓边坡处理方案,边坡高度为32.2m,具体如下:
        第一级边坡在坡脚设置挡土墙固脚,挡土墙尺寸为墙高H=7.5m,墙顶宽B=2.9m,出露地面6m,埋深1.5m,基础嵌入基岩,第二级边坡坡率为1:1.75,坡面采用锚杆框架梁防护,锚杆长L=9m,锚杆为φ32的螺纹钢筋,平台宽2m,第三级边坡边坡坡率为1:1.75,坡面采用锚杆框架梁防护,锚杆长L=9m,锚杆为φ32的螺纹钢筋,平台宽8m(将边坡分为两个部分),第四级边坡坡率为1:1.75,坡面采用锚杆三维网植草防护,并在第二级边坡坡脚渗水处设置仰斜式深层排水管,将边坡渗水引出,计算得出天然工况下稳定安全系数为1.38,暴雨工况下安全系数为1.22。满足规范要求。
        施工单位在开挖至第三级边坡时,第二级边坡的中下部渗水严重,将第三级边坡坡顶8m宽平台拉裂,并在中下部剪出,形成一个小型浅层滑坡。
        3.3 钢管桩群处治方案
        该岩土混合边坡,岩土体较为松散,坡脚渗水形成小型滑坡,采用抗滑桩支挡时,施工周期长,造价高,桩间形成土拱效应较差;采用抗滑挡墙治理时,挡墙基础埋置较深,承载力不满足要求,并且在施工的过程中存在一定的安全风险;若继续放缓边坡,占地面积大,该滑坡的边缘有居民住房,拆迁经济费用高。
        针对这种较为破碎的散体结构的岩土体,易采用钢管桩群【1】加固处治方案,在第三级边坡的平台处设置钢管桩,钢管桩采用Φ108mm,壁厚6mm,梅花形布置,间距1.5m,钢管桩中部插入三根Φ22的螺纹钢筋,对钢管桩内注浆(水灰比建议为:水:水泥+粉煤灰=1:1~1:1.5),注浆压力初步控制在0.2~0.5MPa,在钢管桩顶现浇钢筋混凝土承台,形成顶板连接线钢管桩群。
 
 

        通过建立有限元模型,分析微型桩加固的位移、应力等主要受力内容, 以对设计方案进行合理性评估。
        4 结论
        基于钢管微型桩加固边坡的破坏实例,采用有限元方法进行验证,对钢管桩群治理小型滑坡的作用进行了研究,以及初步揭示了钢管桩群的整体受力情况,可以得到以下结论:
        (1)采用钢管桩群对滑坡体加固后,使整个滑坡体趋于稳定,减少了开挖坡脚形成临空面带来的滑坡体进一步变形、扩大的风险,接下来只需要将边坡渗水引出,形成新的排水通道,完善滑坡体的截排水系统,整个滑坡体完成治理。
        (2)内插钢筋的钢管桩群布置,凭借钢管的强大抗剪和抗弯特性,能迅速对边坡进行加固,防止边坡进一步变形开裂,对钢管内注水泥浆,浆液渗透到松散的土体中,对松散的滑坡体进行了改良,增加了滑坡体的自稳性。
        (3)采用桩顶设置钢筋混凝土承台,使桩顶位移受到控制,桩与桩、桩与岩土层更加紧密的联系在一起,改善了单根钢管桩受力不利的状态,使整个钢管桩群形成一个整体,增加了钢管桩群的抗弯能力。
        (4)钢管桩与抗滑桩、锚(索)杆、挡土墙支挡结构相比,既满足了经济效益又确保了环境效益,
参考文献
        [1] JURAN H,BENSLIMANE A,BRUCE D A.Slope stabilization by micropile reinforcement[J].Landslides,1996:1718—1726.
        [2]王恭先.滑坡防治工程中的关键技术及其处理方法[J].岩石力学与工程学报,2005,24 (21):3827.
        [3]闫金凯,殷跃平,门玉明等.滑坡微型桩群桩加固工程模型试验研究[J].土木工程学报,2011,44(4):120-128.
        [4]孙书伟,朱本珍,马惠民,杨让宏,微型桩群与普通抗滑桩抗滑特性的对比试验研究[J].岩土工程学报,2009,31(10):1565—1570.
        [5]孙祺华,钢花管微型桩在路基边坡加固防护中的应用[J].公路交通技术,2013(5):18—20.
        [6]李安洪,周德陪,冯君,张继春.顺层岩质边坡稳定性分析于与支挡防护设计[M].北京:人民交通出版社,2011.
        [7]微型桩组合结构抗滑机理模型试验研究.中国铁道科学[J].2015,36(1):19-23.
        [8]王树丰,门玉明. 滑坡灾害微型桩连梁的作用[J].灾害学,2010,25(2) :45 -48.
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