微型鋼管樁在山區(qū)公路擋墻地基加固中的應(yīng)用

■劉鍵涌

（龍巖交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，龍巖 364000）

微型鋼管樁是在小型鉆孔中放入鋼筋、鋼管后進(jìn)行壓力注漿形成的鋼管、鋼筋混凝土樁。 它所需施工場(chǎng)地小，施工機(jī)械小，沒有開挖方，不會(huì)形成較大的臨空面，施工速度快且安全，適用于施工場(chǎng)地受限的情況；施工噪聲、振動(dòng)小，適用于公害受到嚴(yán)格控制的區(qū)域；且長(zhǎng)細(xì)比大，樁身耗用材料少[1]。 隨著擋土墻在山區(qū)公路中的廣泛運(yùn)用，結(jié)合山區(qū)地勢(shì)較陡、施工場(chǎng)地較窄等特點(diǎn)，采用微型鋼管樁加固擋墻基礎(chǔ)的優(yōu)勢(shì)得以體現(xiàn)。 本文以某山區(qū)公路擋墻基礎(chǔ)采用微型鋼管樁加固為設(shè)計(jì)實(shí)例， 通過建立ABAQUS 有限元模型進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算分析，提出設(shè)計(jì)方案，以實(shí)現(xiàn)在安全可靠的同時(shí)縮短施工工期，節(jié)約工程造價(jià)。

1 工程概況

1.1 工程基礎(chǔ)概況及設(shè)計(jì)難點(diǎn)

某山區(qū)三級(jí)公路，設(shè)計(jì)速度為40 km/h，路基寬度8.5 m，瀝青混凝土路面，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)：公路-Ⅱ級(jí)，K0+605～K0+741.938 右側(cè)為設(shè)計(jì)高度3.0～11.0 m的衡重式路肩擋土墻，K0+600～K0+750 段左側(cè)為上福新村安置用地（已批復(fù)，不可多占用），故無法通過路線向左側(cè)移線優(yōu)化設(shè)計(jì)；右側(cè)為居民房（高三層、征拆費(fèi)用需85 萬元），拆遷難度大、費(fèi)用高；外側(cè)墻趾距離已建民房墻面最近僅0.70 m，基坑開挖對(duì)房屋結(jié)構(gòu)安全存在影響（村民不同意開挖），且擋墻基礎(chǔ)存在4.9 m 厚的軟弱土層，擋墻基底承載力不能滿足設(shè)計(jì)要求。 工程路線平面示意圖如圖1 所示。

圖1 路線平面示意圖

1.2 工程地質(zhì)構(gòu)造

場(chǎng)區(qū)為構(gòu)造剝蝕低山區(qū)沖溝斜坡地貌，地形為左高右低，地形標(biāo)高介于808.0～820.0 m 之間，地形較陡，自然坡度在10°～25°，植被發(fā)育。 取地表水、土質(zhì)易溶鹽分析可知，場(chǎng)地水、土對(duì)混凝土及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性， 地震基本烈度為6°，地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g，中軟-中硬場(chǎng)地土的地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。

地層情況為：（1）0～4.9 m 為粉質(zhì)黏土：淺灰黑色～雜色，濕～飽和，軟塑～可塑，成分以粉粘粒為主，含角礫約10%～20%， 少量砂粒， 角礫粒徑為2～18 mm，角礫成分為中風(fēng)化花崗巖，切面較粗糙，無搖振反應(yīng)，韌性中等，干強(qiáng)度中等，地基容許承載力值為100 kPa。 （2）4.9～7.8 m 為殘積粘性土：褐灰黃色，可塑～硬塑，成分以粉粘粒為主，含角礫約30%，少量砂粒，角礫粒徑為2～18 mm，個(gè)別為20～40 mm的碎石，角礫碎石成分為中風(fēng)化花崗巖，切面較粗糙，無搖振反應(yīng)，韌性中等，干強(qiáng)度中等，地基容許承載力值180 kPa。 （3）7.8～10.6 m 為殘積粘性土：褐灰黃色，堅(jiān)硬，成分以粉粘粒為主，含砂粒約30%，切面較光滑，無搖振反應(yīng)，韌性中等，干強(qiáng)度中等，為花崗巖風(fēng)化殘積土，采取率為90%，具遇水易軟化的特性，地基容許承載力值200 kPa。 （4）10.6～14.8 m 為全風(fēng)化花崗巖：褐黃色，巖石強(qiáng)烈風(fēng)化，巖芯呈土狀，可辨原巖結(jié)構(gòu)，巖體完整程度為極破碎，屬極軟巖， 巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)， 采取率為65%～70%，具遇水易軟化的特性，地基容許承載力值為280 kPa。

2 設(shè)計(jì)方案

擋墻基礎(chǔ)處理方案分析：（1）擴(kuò)大基礎(chǔ)配鋼筋網(wǎng)+換填石渣， 經(jīng)基底換填夯實(shí)后一般路段可滿足設(shè)計(jì)要求，但臨近居民房屋段基坑開挖對(duì)房屋結(jié)構(gòu)存在安全隱患，不宜采用。 （2）水泥粉煤灰碎石樁（CFG 樁）、粉噴樁、漿噴樁、粒料樁、預(yù)應(yīng)力混凝土薄壁管樁及現(xiàn)澆混凝土大直徑管樁所需機(jī)械施工場(chǎng)地較大， 該段擋墻位于斜坡上且路基寬度較窄，施工機(jī)械較難擺放、操作空間受限；僅局部擋墻基礎(chǔ)段采用樁基處理，工程量較小，大型機(jī)械進(jìn)出場(chǎng)費(fèi)用較高， 經(jīng)濟(jì)可比性及適用性差， 不適宜采用。（3）人工挖孔樁+托梁所需施工工期較長(zhǎng)，不能滿足施工工期要求。 （4）微型鋼管樁所需施工場(chǎng)地小，施工機(jī)械小，且沒有開挖方，不會(huì)形成較大的臨空面，工期短且適用性強(qiáng)，能滿足本項(xiàng)目工期短、地形較陡、施工場(chǎng)地小且臨近房屋的施工要求。

根據(jù)微型鋼管樁的特點(diǎn)， 確定如下設(shè)計(jì)方案（圖2）：（1）根據(jù)左側(cè)上福新村地塊標(biāo)高優(yōu)化路線縱坡，路線縱坡采用7%（滿足路線平包豎及最大合成坡度的要求），縮短擋墻長(zhǎng)度，降低擋土墻高度（擋墻高度為3.0～10.0 m），減小擋墻對(duì)基礎(chǔ)承載力的要求，并相應(yīng)減少擋墻砌體數(shù)量，節(jié)約工程造價(jià)。（2）與房屋臨近段擋墻基礎(chǔ)采用微型鋼管樁加固設(shè)計(jì)（縱橫向間距為50 cm，樁長(zhǎng)為10 m），管頂設(shè)置50 cm 鋼筋砼蓋梁，并與擋墻基礎(chǔ)連續(xù)澆筑，其余段落采用擴(kuò)大基礎(chǔ)配鋼筋網(wǎng)（高1 m，根據(jù)不同高度側(cè)寬1 m～1.5 m）+換填3 m 石渣， 夯實(shí)換填后墻高＞9 m，地基承載力不得小于180 kPa，墻高≤9 m，地基承載力不得小于150 kPa。 （3）墻后地面橫坡為1∶5～1∶2.5 的土質(zhì)斜坡，應(yīng)先清除表層土（厚0.3 m）后，再挖臺(tái)階，臺(tái)階寬度≥2.0 m，階面向內(nèi)傾斜4%。

圖2 微型鋼管樁加固擋墻設(shè)計(jì)圖

3 微型鋼管樁加固擋墻穩(wěn)定性有限元分析

根據(jù)有限元的基本原理，在強(qiáng)度折減法中邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)定義為巖土的實(shí)際抗剪強(qiáng)度與臨界破壞時(shí)折減后剪切強(qiáng)度的比值，即定義的安全系數(shù)可以通過調(diào)整巖土的強(qiáng)度指標(biāo)c 和φ， 如公式（1）、（2）所示，用折減的內(nèi)摩擦角和粘聚力進(jìn)行模擬仿真計(jì)算，剛好達(dá)到邊坡臨界破壞極限時(shí)的折減系數(shù)為邊坡安全系數(shù)Fs[2]。

式中，c 和φ 為土體所能提供的抗剪強(qiáng)度；Cm和φm為維持平衡所需要的或土體實(shí)際發(fā)揮的抗剪強(qiáng)度；Fv為強(qiáng)度折減系數(shù)。

3.1 模型建立

假定為平面應(yīng)變問題，圖3 描述擋墻的有限元計(jì)算全結(jié)構(gòu)幾何模型。 模型的左右側(cè)為水平向位移約束、豎直向自由，底側(cè)為豎直和水平向位移均約束，模擬土體在上表面有10 kPa 荷載及自重荷載作用下土體的壓密沉降[3]。

圖3 有限元計(jì)算幾何模型

模型中， 土體均視為Mohr-Coulomb 理想彈塑性材料，微型鋼管樁和擋土墻視為線彈性體，材料參數(shù)如表1 所示。

表1 材料參數(shù)

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

特征點(diǎn)選用擋墻的頂點(diǎn)，安全系數(shù)通過特征點(diǎn)位移來確定， 從而得出其位移與折減系數(shù)的關(guān)系，如圖4 所示。 圖中擋墻頂點(diǎn)位移隨折減系數(shù)的增大而增大； 當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)為1.343 時(shí)頂點(diǎn)位移急劇變化，產(chǎn)生了2.834 m 的位移（圖5）,此時(shí)邊坡的塑性區(qū)已貫穿，已失去穩(wěn)定（圖6），通過頂點(diǎn)位移與折減系數(shù)的關(guān)系和塑性區(qū)形態(tài)，最終得出邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.343>1.300，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

圖4 擋墻頂點(diǎn)位移與強(qiáng)度折減系數(shù)的關(guān)系

圖5 強(qiáng)度折減系數(shù)為1.343 時(shí)的位移

圖6 強(qiáng)度折減系數(shù)為1.343 時(shí)的塑性區(qū)

4 微型鋼管樁施工要求

微型鋼管樁施工要求如下：（1）測(cè)量放線后，進(jìn)行微型鋼管樁施工，并采用XY-150 型地質(zhì)鉆機(jī)或多功能履帶鉆機(jī)成孔，成孔直徑180 mm，鉆孔水平間距為500 mm×500 mm 梅花型布置。 （2）管身采用Q345 外徑φ146 無縫鋼管，管壁厚為5.0 mm；注漿材料采用復(fù)核硅酸鹽PC32.5R 水泥，漿體強(qiáng)度等級(jí)為M20，水灰比0.45～0.54。 （3）成孔要求：鋼管樁成孔有效直徑不小于180 mm， 鋼管從取芯套管中心放入；樁位允許偏差±50 mm，垂直度允許偏差±0.5%；成孔深度應(yīng)超鉆50 cm 并清除孔內(nèi)沉渣，隨即安放微型鋼管。 （4）鋼管安放完畢，注漿管下至管底，回填粒徑10～30 mm 的碎礫石， 并采用水泥砂漿進(jìn)行封口，間隔2 d 后開始注漿。 （5）為了增加注漿的可灌性，可在漿液中加入復(fù)合型減水早強(qiáng)劑（水泥用量0.3%～0.5%）；采用葉式機(jī)械攪拌機(jī)攪拌，漿液應(yīng)連續(xù)均勻攪拌，且在攪拌均勻過篩后，再泵送壓注。（6）鋼管應(yīng)優(yōu)先選用通長(zhǎng)管材，若受到材料供應(yīng)影響，需要互相焊接，焊接的應(yīng)確保上下節(jié)垂直，對(duì)口的間隙宜為2～3 mm， 并采用3φ16 鋼筋進(jìn)行幫條加勁焊接，且接頭處應(yīng)置于基坑上部。（7）鋼管樁采用二次灌注漿，第一次采用常壓注漿，待鉆孔內(nèi)滿漿后進(jìn)行二次補(bǔ)漿（壓力≮3.0 MPa，注漿量≮55 kg/m）。 當(dāng)注漿壓力無法達(dá)到時(shí)，注漿量＞90 kg/m 即可停止注漿。 鋼管樁灌漿完畢后需進(jìn)行保護(hù)，漿液初凝前不得搖動(dòng)。

5 工程造價(jià)比較

經(jīng)優(yōu)化路線縱坡后，K0+690.253～K0+705.443右側(cè)路肩擋土墻基礎(chǔ)處理采用微型鋼管樁方案與征拆房屋（擴(kuò)大基礎(chǔ)配鋼筋網(wǎng)+換填石渣）方案進(jìn)行比選（表2），結(jié)果顯示微型鋼管樁方案節(jié)約工程造價(jià)35.4 萬元，成效顯著。

表2 K0+690.253～K0+705.443 右側(cè)路肩擋土墻基礎(chǔ)處理比較結(jié)果

6 結(jié)語

研究結(jié)果顯示：（1）微型鋼管樁所需的施工場(chǎng)地小、施工機(jī)械小、適用性強(qiáng)，能滿足山區(qū)公路地勢(shì)較陡、施工場(chǎng)地受限的使用情況。 （2）微型鋼管樁沒有開挖方，不會(huì)形成較大的臨空面，施工速度快且比較安全，在不良路基段且臨近建筑物的擋墻地基加固處理中，對(duì)臨近建筑物的影響小，能確保建筑物的使用安全，避免房屋拆遷，節(jié)約工程造價(jià)。 （3）應(yīng)用ABAQUS 有限元進(jìn)行公路擋墻基礎(chǔ)微型鋼管樁加固穩(wěn)定性分析，計(jì)算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.343>1.300，滿足相關(guān)規(guī)范要求。（4）通過某山區(qū)公路擋墻地基采用微型鋼管樁加固處理的工程實(shí)例，實(shí)踐證明在不良路基段且臨近建筑物的擋墻地基采用微型鋼管樁加固處理（地基承載力≥350 kPa）是可行的，且安全可靠、工期短，工后效果良好（總沉降量≤200 mm）。