微型樁在廣西百色膨脹土邊坡中的應(yīng)用研究

□ 龐毅玲

1 引言

我國膨脹土分布地域廣泛，與其相對應(yīng)的治理手段巧妙多樣，可因地制宜。而西南地區(qū)的膨脹土治理工程尤其以南寧市、崇左市寧明縣、百色市等地最為典型。膨脹土由于其特殊的礦物成分往往具有高收縮性、崩解性和多裂隙性，這使得膨脹土邊坡發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的概率極高。

殷宗澤等提出膨脹土邊坡的地質(zhì)災(zāi)害具有淺層性、牽引性、平緩性、長期性、季節(jié)性和方向性六個(gè)特點(diǎn)[1]。筆者認(rèn)為在膨脹土邊坡治理時(shí)需從以上六個(gè)方面入手。劉龍武等通過對膨脹土邊坡的巖土分布模式的分析提出滑坡受二元結(jié)構(gòu)活動(dòng)帶控制。將邊坡進(jìn)行巖土分層來分析邊坡的滑動(dòng)機(jī)理[2、3、4]。提出在邊坡治理工程中，一般采用擋墻、抗滑樁、噴錨支護(hù)等，而在膨脹土邊坡中再采用這些支擋手段時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)支擋失效而再次發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的現(xiàn)象。范秋雁等追蹤了廣西地區(qū)部分膨脹巖土滑坡治理工程，總結(jié)了膨脹土邊坡治理中的部分技術(shù)盲區(qū)。尤其在工程設(shè)計(jì)時(shí)合理選用物理參數(shù)尤為重要[5]。

近年來微型樁技術(shù)在邊坡治理中的應(yīng)用逐漸普遍起來。微型樁技術(shù)主要指的是直徑小于300mm，長細(xì)比一般大于30的各類樁式支擋結(jié)構(gòu)。此類結(jié)構(gòu)具有布置靈活、施工簡便等特點(diǎn)。孫書偉等在研究微型樁加固邊坡時(shí)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)微型樁布置在邊坡中上部時(shí)，加固效果最優(yōu)，而且微型樁還能夠進(jìn)行削剪處理且不會(huì)影響邊坡安全系數(shù)[6、7]。而微型樁錨固穩(wěn)定時(shí)，樁身自由段以彈性彎曲變形為主，能夠適應(yīng)膨脹土的部分脹縮性能。另外，當(dāng)微型樁按照一定的邏輯順序設(shè)置時(shí)，又能形成群樁效應(yīng)， 進(jìn)一步加固邊坡。

綜上所述，微型樁在膨脹土邊坡防護(hù)工程中，邊坡穩(wěn)定性對微型樁的物理參數(shù)敏感性較強(qiáng)。且在不同的膨脹土邊坡破壞模式上，邊坡穩(wěn)定對微型樁的各個(gè)物理參數(shù)敏感性強(qiáng)弱又不盡相同。因此，本文結(jié)合中國南方電網(wǎng)百色局百色變電站及串補(bǔ)站膨脹土邊坡出現(xiàn)的滑坡病害實(shí)例，在分析研究膨脹土邊坡的滑坡特征及致滑因素基礎(chǔ)上，提出利用微型樁加固膨脹土邊坡的治理手段，通過數(shù)值模擬研究分析了微型樁各物理參數(shù)對加固邊坡效果的影響。

2 工程概況

中國南方電網(wǎng)百色局500kV百色變電站、串補(bǔ)站地處百色城區(qū)西南側(cè)，分別于2002年和2005年投運(yùn)。由于百色變電站和串補(bǔ)站周圍土層為膨脹土，變電站以及串補(bǔ)站護(hù)坡、擋墻均出現(xiàn)了病害：部分護(hù)坡出現(xiàn)開裂，部分設(shè)備區(qū)存在變形。

表1 邊坡病害勘察結(jié)果

對變電站和串補(bǔ)站病害邊坡勘察顯示：串補(bǔ)站周圍邊坡共發(fā)生2處小型滑塌，均為挖方邊坡的變形破壞。其中，西南側(cè)HP1滑坡、東側(cè)HP2滑坡的勘察結(jié)果如表1所示。

此外，HP1坡腳整體傾斜，坡腳漿砌石擋墻（水溝）已經(jīng)嚴(yán)重變形、破壞，局部“頂住”對面的散水，將水溝堵塞，局部坡面已經(jīng)剪切、隆起。坡頂和坡面都出現(xiàn)了5mm～40mm不等的裂縫，最大裂縫長度約30m，部分坡底排水溝內(nèi)抹平表層脫落，砌筑塊石擠出，破壞嚴(yán)重。HP2坡腳擋墻出現(xiàn)整體垮塌，局部出現(xiàn)整體解體式破壞，整體水平位移較大，已露出護(hù)坡底層黃土，坍塌土方已將站外排水溝堵塞。坡頂和坡面出現(xiàn)寬4mm～35mm不等的裂縫，最大裂縫長度約15m，砌筑塊石擠出，破壞嚴(yán)重。為了防止雨水進(jìn)入坡體，臨時(shí)采用彩條布進(jìn)行覆蓋坡面處理，如圖1所示。

圖1 病害邊坡現(xiàn)場

另根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果顯示：該區(qū)域黏土的自由膨脹率δef為35.0%～63.5%，平均值為53.59%；按《廣西膨脹土地區(qū)建筑勘察設(shè)計(jì)施工技術(shù)規(guī)程》（DB45/T 396—2007）判定該黏土為中等膨脹性土。其物理指標(biāo)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

3 微型樁加固膨脹土邊坡機(jī)理分析

3.1 膨脹土邊坡的滑坡特征及致滑因素分析

膨脹土主要由含有蒙脫石、伊利石及高嶺土等礦物成分而表現(xiàn)出劇烈的脹縮性。因此，膨脹土邊坡中的表層土壤在大氣環(huán)境影響下，土壤中的水分逐漸蒸發(fā)，導(dǎo)致其含水率也逐漸降低，形成向土層下部發(fā)展的裂隙。而裂隙的形成是膨脹土邊坡病害的控制因素。

一方面裂隙形成的深度決定了滑坡體的厚度。實(shí)際上，當(dāng)出現(xiàn)降雨時(shí)，雨水往往是通過邊坡裂隙滲入到邊坡土層。在裂隙形成的深度范圍的土層含水率增加更為明顯，表現(xiàn)出更大的膨脹變形、產(chǎn)生更大的膨脹壓力，其物理強(qiáng)度下降得更為明顯。但是在裂隙深度范圍以外的土層雨水滲入量較小，土體的膨脹性表現(xiàn)相對較弱[3、8]。裂隙在膨脹土邊坡發(fā)展深度是有限的，這個(gè)發(fā)展范圍也被稱為膨脹土邊坡的大氣影響深度。在膨脹土邊坡出現(xiàn)滑坡時(shí)，大氣影響深度便表現(xiàn)為滑坡的淺層性。

另一方面，裂隙的形成位置決定了滑坡體的體量或者滑坡病害的嚴(yán)重程度。大多數(shù)膨脹土邊坡的滑坡體最開始并不是從邊坡頂部形成的。此類邊坡往往是先從邊坡中部形成滑坡體，然后又在此類邊坡的牽引性作用下邊坡上部才逐漸形成滑坡體。楊文琦等通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)裂隙出現(xiàn)在邊坡中部時(shí)邊坡的安全系數(shù)往往小于裂隙出現(xiàn)在邊坡頂部的情況[9]。同時(shí)，有學(xué)者還發(fā)現(xiàn)使用微型樁在邊坡中部布置時(shí)效果最好[10、11]。

圖2 膨脹土邊坡滑坡特征示意圖

表2 膨脹土室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)論

結(jié)合中國南方電網(wǎng)百色局500kV百色變電站、串補(bǔ)站邊坡的破壞模式，可以分析得到其失穩(wěn)機(jī)理為：該邊坡表面土層結(jié)構(gòu)松散，透水性強(qiáng)，在大氣降水和蒸發(fā)作用下，巖土體含水量變化較大，膨脹土易產(chǎn)生濕脹干縮循環(huán)作用，巖土體的原始結(jié)構(gòu)逐漸破壞，裂隙逐漸發(fā)展。遇到降雨天氣時(shí)，雨水通過裂隙滲入使得土體抗剪強(qiáng)度降低，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。另根據(jù)邊坡的變形特征分析，邊坡目前總體上處于蠕動(dòng)變形—滑動(dòng)階段，在雨季處于基本穩(wěn)定—不穩(wěn)定狀態(tài)。由于邊坡穩(wěn)定性較差，需盡快展開治理，在暴雨或持續(xù)降雨工況下，邊坡土體飽和，自重荷載加大，滑帶土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)將降低，邊坡體將發(fā)生變形破壞并且極有可能發(fā)生邊坡整體失穩(wěn)快速下滑，對串補(bǔ)站的正常運(yùn)行帶來不利影響。

表3 模型參數(shù)表

3.2 微型樁加固機(jī)理

在邊坡加固技術(shù)中，無論是針對淺層滑坡還是中厚層滑坡，抗滑樁無疑是一種較為有效的手段[12]。同樣，微型樁加固邊坡時(shí)也利用了“將樁身穿過滑坡體并錨固在穩(wěn)定層中”這一加固機(jī)理。雖然在一定程度上微型樁可以簡單地理解為尺寸縮小的抗滑樁，但微型樁與抗滑樁的加固機(jī)理卻不盡相同。

微型樁具有樁徑小、長細(xì)比大等特點(diǎn)。在進(jìn)行邊坡加固時(shí)，微型樁通常布置成微型樁群。其布置方式主要有規(guī)則布置和梅花形布置兩種形式[13、14、15]，如圖3所示。而在微型樁的施工工藝方面，主要有重力灌注、加壓灌注、二次灌注以及多次重復(fù)灌注等多種工藝。

圖3 微型樁的兩種布置形式

結(jié)合微型樁的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及布置規(guī)則和施工工藝，其加固機(jī)理主要包括如下幾點(diǎn)：首先，微型樁對黏土邊坡的主要作用包括擠密作用和微型樁群效應(yīng)，因而微型樁加固的邊坡巖土性質(zhì)在宏觀表現(xiàn)上得到提高。也正是由于微型樁的這種效應(yīng)，微型樁最初還被劃分為土工加筋技術(shù)類；其次，當(dāng)微型樁采用多次灌注施工工藝時(shí)，二次灌注漿體在壓力作用下在土體內(nèi)部流動(dòng)并結(jié)硬。這些結(jié)硬的二次注漿體一方面提高了微型樁樁身周圍土體的強(qiáng)度，另一方面注漿體堵塞了土體中的部分縫隙，阻止了水在土體內(nèi)部的滲流。因此，微型樁在加固膨脹土邊坡時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢。除此之外，微型樁對施工場地要求不高，其施工機(jī)具普遍較小、振動(dòng)較弱。因而，施工過程中對邊坡的人為擾動(dòng)微弱，更有利于邊坡的穩(wěn)定性。

4 微型樁設(shè)計(jì)參數(shù)分析

4.1 模型的建立

假定圍巖性質(zhì)為連續(xù)、均質(zhì)及各向同性，不考慮構(gòu)造應(yīng)力，初始地應(yīng)力場為自重應(yīng)力，模型采用摩爾庫倫屈服準(zhǔn)則。模型邊坡尺寸主要參照廣西百色變電站膨脹土邊坡進(jìn)行建立，總共分為3層土，其中坡高為11m，模型總高度（z方向）為20m，模型水平方向（x方向）長度為30m，縱向（y方向）長度40m，對模型四周跟邊界施加法向位移約束，模型參數(shù)如表3所示。

4.2 微型樁加固設(shè)計(jì)參數(shù)分析

微型樁加固邊坡在許多工程中取得了良好的效果，但是微型樁加固邊坡的設(shè)計(jì)參數(shù)往往很難確定，過強(qiáng)的設(shè)計(jì)參數(shù)雖然能取得良好的效果，但是容易造成不必要的浪費(fèi)；設(shè)計(jì)參數(shù)太弱了，不能達(dá)到理想的效果。微型樁錨固穩(wěn)定時(shí)，樁身自由段以彈性彎曲變形為主，能夠適應(yīng)膨脹土的部分脹縮性能。以百色變電站邊坡為原型，主要以變形為主要的分析依據(jù)，建立不同錨固深度、不同微型樁直徑、不同樁間距的微型樁邊坡加固模型，通過分析邊坡的變形、微型樁的位移等，得到依托工程的最優(yōu)的工程設(shè)計(jì)參數(shù)。

4.2.1 微型錨固長度分析

微型錨固長度的確定是微型樁設(shè)計(jì)最重要的部分，這不僅涉及微型樁治理效果問題，更影響到工程造價(jià)，為了研究微型樁錨固長度對加固效果的影響規(guī)律，選取微型樁自由端長度Ha與錨固長度Hb的比值分別為0、0.8、1.0、1.2、1.4進(jìn)行分析，不同錨固長度下邊坡的水平位移云圖如圖4所示，錨固長度與邊坡最大位移的關(guān)系曲線圖如圖5所示。

圖4 不同錨固長度邊坡水平位移云圖

圖5 錨固長度與邊坡水平位移關(guān)系曲線圖

由圖4（a）可以看出，當(dāng)不施加微型樁的情況下，邊坡的位移從坡頂至坡腳逐漸增加，其中坡腳的水平位移較大，有失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。由圖4（b—e）可以看出，當(dāng)施加微型樁后，邊坡的最大水平位移主要集中在微型樁附近，并且隨著微型樁的嵌入深度增加，邊坡的最大水平位移主要集中在微型樁上方，主要是隨著嵌入深度的增加，微型樁能提供更大的抗滑力，更好地約束邊坡的位移。由圖5可知，隨著嵌入深度的增加，邊坡的最大水平位移逐漸減少，當(dāng)Hb/Ha大于1.2之后，邊坡的最大水平位移的減少量相對較少，說明增加錨固長度不會(huì)一直提高邊坡的穩(wěn)定性。

圖6為樁頂水平位移與錨固長度關(guān)系曲線圖，樁頂水平位移隨著錨固長度的增加，樁頂?shù)乃轿灰浦饾u減少，當(dāng)Hb/Ha大于1.2之后，樁頂?shù)乃轿灰茰p少的速度開始降低，當(dāng)錨固長度到達(dá)一定的數(shù)值后，增加錨固長度并不能有效地增加加固效果，建議該工程Hb/Ha取1.2。

圖6 錨固長度樁頂水平位移關(guān)系曲線圖

4.2.2 微型樁直徑分析

為了研究微型樁直徑對加固效果的影響規(guī)律，選取直徑分別為180mm、200mm、220mm、240mm進(jìn)行分析，不同微型樁直徑與邊坡水平位移的關(guān)系曲線圖如圖7所示。

圖7 微型樁直徑與邊坡水平位移關(guān)系曲線圖

由圖7可知，微型樁的直徑越大，邊坡的水平位移越小，兩者之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，當(dāng)微型樁直徑大于220mm后，微型樁直徑的增加對于邊坡的水平位移減少效果逐漸降低，過大的微型樁直徑對于邊坡的加固效果并不明顯。

不同微型樁直徑條件下，微型樁的直徑與樁頂?shù)奈灰脐P(guān)系曲線如圖8所示。從圖中可以看出，隨著微型樁直徑的增加，微型樁樁頂?shù)奈灰撇粩鄿p低，兩者呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)，但是微型樁直徑大于220mm后，降低速率明顯降低，結(jié)合邊坡水平位移與微型樁直徑的關(guān)系，建議本工程微型樁直徑取220mm。

圖8 微型樁直徑與樁頂水平位移關(guān)系曲線圖

4.2.3 微型樁間距分析

為了研究微型樁樁間距對加固效果的影響規(guī)律，選取微型樁的樁間距分別為0.8m、1m、1.2m、1.4m進(jìn)行分析，不同微型樁間距與邊坡位移的關(guān)系曲線圖如圖9所示。

由圖9可知，微型樁的間距越小，邊坡的水平位移越小，兩者之間呈現(xiàn)正相關(guān)，當(dāng)微型樁間距小于1m后，微型樁間距的減小對邊坡的水平位移減少效果逐漸降低，過小的微型樁間距對于邊坡的加固效果并不明顯。

圖9 微型樁直徑與邊坡水平位移關(guān)系曲線圖

微型樁樁間距與樁頂?shù)奈灰脐P(guān)系曲線如圖10所示。從圖10可以看出，隨著微型樁樁間距的增加，微型樁樁頂?shù)奈灰撇粩嘣龃?，兩者呈現(xiàn)出正相關(guān)，間距大于1m后，增長速度加快，結(jié)合邊坡水平位移與微型樁樁間距的關(guān)系，建議本工程微型樁樁間距取1m。

圖10 微型樁樁間距與樁頂水位移關(guān)系曲線圖

5 結(jié)語

本文結(jié)合中國南方電網(wǎng)百色局百色變電站及串補(bǔ)站膨脹土邊坡出現(xiàn)的滑坡情況進(jìn)行滑坡機(jī)理分析，并通過Midas-GTS NX研究論證了微型樁加固方案，主要得到如下結(jié)論：

1.膨脹土邊坡表層土壤含水率變化劇烈，自然脹縮后的裂隙發(fā)展。當(dāng)降雨暴增土體強(qiáng)度陡降，邊坡穩(wěn)定性變?nèi)酰嘛L(fēng)險(xiǎn)增大。但膨脹土邊坡滑坡體的形成主要受坡面上的裂隙發(fā)展深度、形成位置等因素控制。當(dāng)坡面裂隙在邊坡中部位置發(fā)展時(shí)對邊坡最不利。

2.微型樁嵌入長度越大越有利于邊坡的穩(wěn)定，當(dāng)Hb/Ha大于1.2，邊坡的最大水平位移的減少量相對較少，建議本工程Hb/Ha的值取1.2。

3.微型樁的直徑越大對于邊坡的穩(wěn)定越有利，當(dāng)直徑大于220mm后，加固增強(qiáng)效果減弱，建議本工程微型樁直徑取220mm。

4.微型樁的樁間距越小對于邊坡的穩(wěn)定越有利，當(dāng)樁間距小于1.0m之后，加固增強(qiáng)效果減弱，建議本工程微型樁樁間距取1.0m。