微型桩群支护体系的设计优化研究

卫 生，王建军，白明洲，王子相，满高峰，马 坤

（1.山西省公路局太原分局，山西太原030012；2.中交公路规划设计院有限公司，北京100088；3.北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044）

1 概述

微型桩群支护体系作为一种新型的边坡支挡技术正在迅速发展。由于其具有施工机具轻型化、桩位布置灵活、施工速度快、对施工场地的适应性强、对环境影响小等优点，在滑坡治理领域得到了广泛应用，可单独或与其他支挡措施组合使用，尤其适用于中、小型滑坡的处治，引起了业界的广泛关注和研究[1-3]。

向波[1]、龚健等[2]、杜衍庆等[3]、AWAD[4]、Richards等[5]进行了微型钢管排桩支挡结构试验研究，分析了钢管桩排数、排距、间距对承载能力的影响特征。何晖[6]、刘雁冰[7]、花鹏[8]、涂文博[9]、吴立坚[10]采用 FLAC3D建立微型桩群加固边坡的模型，分别从变形、应力角度出发对滑坡体及微型桩结构进行定性分析。但是，关于微型桩群在水平荷载作用下桩和桩周土体的设计参数优化方面还缺乏深入的研究。

本文建立经现场原型试验验证可靠的有限元模型对微型桩群设计过程中桩、土参数进行定性分析，以指导微型桩群的设计参数的选定。位移发展趋势是判断滑坡体稳定状态的主要指标之一，而桩顶位移又直接影响到微型桩群的工作性能，文中微型桩群设计参数分析主要以位移为衡量标准。

2 建立数值模型

2.1 几何模型

采用M idas/GTS有限元软件建立三维有限元模型，模拟在水平荷载作用下微型桩群的变形特征。模型由粉质粘土、强风化泥岩、微型桩构成，均采用三维实体单元模拟；桩土及桩岩接触采用三维接触单元模拟。微型桩群采用矩形布置，其中桩间距1.0m，排间距0.5m，桩长8m，桩径150mm。划分网格后有限元模型及微型桩群见图1。

图1 三维有限元模型

2.2 材料参数

本文通过数值模拟结果与现场试验实测数据拟合后，反算桩间土体的物理力学属性，各组成部分的主要物理力学参数见表1。

2.3 边界条件及荷载

表1 物理力学参数

模型侧面、前面、后面和底面分别施加位移边界条件，即侧面限制水平位移，前后面限制纵向位移，底面固定，限制水平、纵向和垂直位移。模型上表面为自然地表，取自由边界。计算中所采用的水平荷载大小为临界水平荷载75kPa。

3 桩参数优化分析

3.1 桩间距影响分析

桩间距是微型桩群支挡体系设计中十分重要的参数，桩间距的取值对微型桩体系的工作性能有着直接的影响。模型中分别从桩间距取值0.45～1.95m进行针对性的分析研究，各排桩桩顶位移与桩间距的关系曲线如图2所示。

图2 各排桩桩顶位移与桩间距的关系曲线

由图2可知，微型桩桩间距的变化对微型桩群的支挡效果有直接的影响。当微型桩桩间距在0.45～1.95m变化时，随着桩间距的减小，微型桩桩顶整体位移逐渐减小。另外，桩间距由1.95m降到1.05m的过程中，三排桩桩顶位移分别降低了1.5mm、1.5mm、1.4mm；而由1.05m降至0.45m的过程中，三排桩桩顶位移分别降低了2.2mm、2mm、1.8mm，表明选取桩间距为3～7D（D为桩径）可以显著减小桩顶位移并提高滑坡治理的效果。综合考虑施工的方便，建议微型桩组合设计时，桩间距选为3～7倍桩径。

3.2 排间距影响分析

排间距取值大小直接关系到整个微型桩群的工作性能，因此，模型中分别从排间距取值为0.3～1.95m进行针对性的分析研究，各排桩桩顶位移与排间距的关系曲线见图3。

从计算结果可知，当微型桩排间距为0.3m时，计算模型不收敛，坡体发生失稳破坏，所以以下主要讨论排间距为0.45～1.95m时的计算结果。随着排间距的增大，第1排桩桩顶位移逐渐变大，但增量较小；第2、3排桩桩顶位移逐渐减小，且第3排桩的位移减量大于第2排。分析其原因，由于没设盖顶梁使得微型桩群没有发挥其整体效用，滑坡推力的承担以第1排桩为主，依次是第2、3排。各排桩桩顶位移比与排间距的关系见表2，随着排间距的增加，第1排桩桩顶位移与第3排桩的比值逐渐增大；排间距由0.45m增至1.95m的过程中，第1排桩桩顶位移与第3排桩的比值增大了2.31倍。

因此，微型桩结构不同于一般的大直径抗滑桩，类似于桩土共同承载的复合结构。微型桩排间距取值直接影响了微型桩群的工作性能，排间距过小，会导致微型桩群整体抗弯刚度降低，会发生整体倾覆破坏；排间距过大，虽然一定程度上提高了微型桩群的抗弯刚度，但会使微型桩群工作性能降低，造成第1排桩承担较大的滑坡推力，使得桩土无法进行有效的共同作用，最终发生失稳破坏。

图3 各排桩顶位移与排间距关系图

表2 各排桩桩顶位移比与排间距的关系

3.3 锚固段长度影响分析

锚固段长度的确定同样关系到整个微型桩群的工作性能，取值过小会导致结构不能起到很好的抗滑作用，取值过大会造成钻孔深度、钢材用量等的增加导致不必要的浪费。因此，计算模型中保持微型桩自由段长度为3m，锚固段长度取值由1.0～5.0m进行针对性的分析研究，各排桩桩顶位移与锚固段长度的关系曲线如图4所示。由图4可知，随着锚固段长度的增加，桩顶位移出现“减小—增大—减小”交替现象；当锚固段长度占桩长的比例由25%增加到45%时，各排桩桩顶位移分别由7.31mm、6.34mm、5.56mm降至6.69mm、5.73mm、5.0mm，降幅达8.5%、9.5%、10.2%。在整个位移变化曲线中，最明显的拐点出现在锚固长度占桩长45%时，之后继续提高比例至50%，出现位移反弹现象，但幅度较小，当进一步增大锚固段比例至60%，桩顶位移又呈现较小幅度的降低。因此，锚固段长度的选取宜选全部桩长的33.3%～45.5%。

3.4 微型桩复合弹性模量影响分析

微型桩的断面形式有很多种类，比如钢管、钢管周围焊接钢筋以及钢轨等。不同的断面形式代表不同的抗弯刚度，模型中采用改变微型桩弹性模量的方法改变其抗弯刚度，分析研究抗弯刚度与桩顶位移的关系。模型中弹性模量取值由180～220GPa，各排桩桩顶位移与弹性模量的关系曲线如图5所示。

图4 桩顶位移与锚固段长度间关系图

在实际设计中可参考《钢管混凝土结构技术规程》（CECS 28-2012），复合弹性模量可采用下式计算：

式中：Ea、Ec、Er——钢管、钢管内混凝土、钢筋的弹性模量；

Aa、Ac、Ar——钢管、钢管内混凝土、钢筋的截面面积。

由图5可知，随着弹性模量的提高，桩顶位移逐渐减小，表明微型桩的抗弯能力有所提高。弹性模量由170GPa提高到230GPa的过程中，各排桩桩顶位移减少了7.9%、8.7%、9.1%，降幅较小，说明依靠提高微型桩抗弯刚度来大幅增强其抗滑能力是不经济的。

图5 弹性模量改变与桩顶位移的关系

4 土体参数优化分析

微型桩群设计时，土的各项力学指标是主要计算依据，如内聚力、摩擦角等。土质不同，其各项指标也相差较大，不同土质的土体在不同的注浆技术参数下进行注浆后，其各项物理力学指标将得到不同程度的改善，实际工程中若仍采用原状土体的物理力学参数进行设计不尽合理。

在微型桩注浆施工过程中，对桩周土体性能起到重要作用的影响因素有：土体类型与物理特性、注浆参数和注浆材料。模型中采用改变微型桩群范围内土体的弹性模量、重度、粘聚力、内摩擦角的方式，定性分析桩周土体力学参数改变与桩顶位移的关系。模型中土体参数取值参见表3，各排桩桩顶位移与土体参数改善率的关系曲线如图6所示。由图6可知，随着桩周土体物理力学参数的改善，各排桩桩顶位移呈减小的趋势。桩顶位移减小的幅度，第1排最大，依次是第2排、第3排。

表3 注浆后桩周土体假设参数表

图6 桩周土体改善率与桩顶位移关系图

5 结论

基于经现场原型试验验证可靠的有限元模型对微型桩群设计过程中，所要考虑的敏感性桩、土参数进行定性分析，总结了微型桩群承受水平荷载作用下的变形规律，得出以下结论：

（1）在进行微型桩群的工程设计时，建议微型桩锚固段长度设为全部桩长的33.3%～45.5%，最佳桩间距为3～7倍桩径。

（2）微型桩群排间距取值直接影响了微型桩群的工作性能，排间距过小，会导致微型桩群整体抗弯刚度降低，会发生整体倾覆破坏；排间距过大，造成第1排桩承担较大的滑坡推力，使得桩土无法进行有效的共同作用，最终发生失稳破坏。

（3）随着微型桩抗弯刚度的增大，各排微型桩桩顶位移降幅较小，说明提高微型单桩的抗弯刚度对提升微型桩群抗滑能力的效果不明显且不经济。

（4）通过压力注浆的方法提高微型桩桩周土体的物理力学性质，对提升微型桩群的抗滑能力降低桩顶位移效果明显。

[1] 向波，马建林，何云勇，等.微型钢管排桩支挡结构原型试验研究[J].岩土工程学报，2013，35（11）：2131-2138.

[2] 龚健，陈仁朋，陈云敏，等.微型桩原型水平荷载试验研究[J].岩石力学与工程学报，2004,23（20）：3541-3546.

[3] 杜衍庆，白明洲，邱树茂，等.集约式微型桩群水平承载性能试验研究[J].岩石力学与工程学报，2015，34（4）：821-830.

[4] AWAD M D R.Lateral Load Tests on Mini-piles[J].Islamic University Journal，1999，7（1）:15-33.

[5] Richards JD，Rothbauer M J.Lateral Loads on Pin Piles（Micropiles）[C]//Proceedings of Sessions of the GeosupportConference:Innovation and Cooperation in Geo.Reston:Geotechnical Special Publication，ASCE，2004：158-174.

[6] 何晖，杨更社，范叩鑫.微型桩加固堆积层膨胀土滑坡桩间土拱效应试验研究[J].西安工业大学学报，2013.

[7] 刘雁冰.微型桩加固膨胀土滑坡机理研究[D].西安工业大学，2012.

[8] 花鹏.侧向荷载作用下微型斜桩工作性状研究[D].合肥工业大学，2013.

[9] 涂文博.边坡微型抗滑桩群空间分析理论研究[D].西南交通大学，2010.

[10] 吴立坚，谭冬生，洪政.微型桩—锚索系统加固边坡影响因素分析[J].铁道工程学报，2014（6）：24-30.