柔性钢花管注浆结构加固松散堆积体路基的机理与设计方法研究
2019-03-13黄蛟黄吉国
黄蛟 黄吉国
摘 要：为弄清柔性钢花管注浆结构加固松散堆积体路基机理与承载变形特征，文章基于具体工程实践开展研究，发现注浆大幅度提高了堆积体颗粒间内摩擦角φ和粘结力C，与桩构成的复合地基由于桩间土拱效应增强和桩土耦合作用，更进一步提高了堆积体路基的承载与抗变形能力。通过假设与构建计算模型，提出了最大桩应力、桩间距、桩排距及桩周加固体沉降计算方法，为该新型结构的设计提供了理论依据与遵循。
关键词：桩土复合地基;加固机理;土拱效应;耦合作用;设计计算
中图分类号：U418.5 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）05-0094-04
1 概述
钢花管注浆是将微型钢管与注浆技术结合而成的一种新型结构，近来大量应用于堆积体路基病害处治、滑坡治理和危岩体加固等工程[1]，但对这种新结构的理论研究远落后于工程实践，特别是对其加固机理、桩土耦合作用、受力变形特征与设计计算方法等方面更是研究甚少，目前大都停留在经验阶段，已严重制约了该结构的推广应用。本文基于具体工程实践，开展了钢花管注浆结构加固松散堆积体路基的机理与设计方法研究[2]。
通过现场对实体工程的观察与实验分析，结合其它类似研究成果，发现钢花管注浆提高了松散堆积体密实度，内摩擦角φ增大，同时浆液与松散颗粒凝结成整体，粘结力C得到大幅度提升，另一方面还由于钢花管与桩周加固体的相互耦合作用，进一步增强了桩土复合地基的承载和抗变形的能力。
本文还将具有半刚性特征的柔性钢花管桩间加固体视为线弹性体，利用桩土复合地基理论计算桩承载力与桩周加固体沉降变形[3]，并基于桩土耦合作用最大时桩布置成等边三角形模型计算桩间距与桩排距，同时还结合具体工程实践，提出了设计应遵循的基本原则与一般优化方法。
2 桩土复合地基的形成与加固机理
2.1 钢花管注浆加固堆积体方法
松散堆积体路基病害通常以滑动失稳、沉陷变形、开裂崩塌等主要形式呈现，一般由内因和外因引起[1]。钢花管注浆处治技术就是通过微型钢管（D<100mm）壁上螺旋布置的小孔（d=6mm）将水泥浆液注入大孔隙、松散的堆积体内，并把松散颗粒凝结成整体，与钢管混凝土桩一同构成竖向承载力和横向抗弯拉（剪）刚（强）度很大的复合地基方法，主要目的是解决松散堆积体承载力不足、滑动失稳和沉陷变形等工程建设中的不良地质问题。通常用于结构物地基加固、滑坡崩塌治理、深基坑开挖支护，甚至可用于隧道等地下工程危岩体加固。加固方法一般先按设计资料进行孔位放样，然后用潜孔钻机成孔，制作并安装钢花管，采用二次注浆法灌注水泥浆液，最后进行质量检验与效果评估，满足设计要求后即可清理现场并为后续施工作准备。
2.2 桩土复合地基的形成机理
松散堆积体大孔隙和渗透性强的特点，可以最大限度发挥柔性钢花管注浆效果。一方面高压浆液会通过钢管壁上的小孔高速射向周围松散体，在高速流动浆液的作用下，松散颗粒会被劈裂移动到外围低压空间，由于周围其它颗粒的阻碍约束就只能发生挤密效应，從而实现了增大颗粒间内摩擦角φ，提高地基承载能力的目的。同时流动浆液还会在加固范围内充填松散颗粒大部分孔隙，使其密实度增加，承载力和抗变形能力进一步得到提升。另一方面，由于注浆材料的粘结作用，使原本松散的岩土体颗粒（C=0）凝结成了整体（C>0），从而大大增强了松散堆积体的抗压与抗剪强度，抵抗变形的能力自然得到很大提升。文献[4]通过实验建模用ANSYS软件进行有限元分析，得出的微型钢管组合桩水平位移随加固体粘结力C、摩擦角φ、弹性模量Es增大成下降趋势，并且粘结力C对微型钢管桩影响最大，摩擦角φ影响最小的结论就充分说明了注浆加固的显著效果。与此同时，钢花管混凝土桩本身具有很高的抗压和抗弯剪强度，随着梅花型布置的钢花管桩排数的增加，其结构整体刚度得到大大加强，与注浆体共同构成了整体复合地基，从而大幅度提高了松散堆积体的地基承载力和抗变形能力。
2.3 复合地基中桩土的耦合效应
工程实践中的钢花管桩通常按梅花型布置成群桩，这样的框架结构体系，除与注浆加固体共同提供很高的竖向承载力外，结构本身的抗剪强度和抗弯刚度还能够阻止整个堆积体的滑动，并能使桩间土形成土拱效应，从而限制桩间注浆体的侧向位移和变形。另一方面，桩间加固体则为钢花管提供有力支撑，限制其侧向位移和变形，降低了钢管桩的失稳风险，从而大大提高了钢管桩的抗压和其抗弯（剪）能力。因此，在车辆等外荷载作用下桩土间的相互耦合作用提高了松散堆积体路基的整体承载能力和抗变形能力。
3 钢花管注浆结构设计分析
理论和实践均表明，钢花管桩用于加固堆积体路基（主要解决蠕变变形与承载力不足）与治理滑坡时，其受力状态完全不同，因此设计计算方法也不一样。加固堆积体路基时，除了承受桩上填土与汽车等竖向荷载外，有时还要承受水平向的滑坡推力（存在滑动时），因此竖向承载力和变形是设计的控制指标，其抗滑稳定性只通过验算满足要求即可。当用于边坡滑动、崩塌或深基坑支护时，钢花管桩主要承受滑体的水平推力，其抗弯（剪）能力是设计研究的重点[3，4]。
本文以贵州G210线桐梓崇溪河至蒙渡桥公路改扩建工程K2023+500～K2023+560段松散堆积体路堤滑坡治理（以下简称示范工程）为例，提出了钢花管注浆结构的设计分析方法。
示范工程钢管桩用于路基挡土墙下堆积体加固，主要解决地基承载力不足问题，其竖直方向主要承受来自桩承台、挡土墙、路基填土和汽车荷载等方面的力，因此，其地基承载力和变形是控制设计的关键指标。
由于钢花管属于微型桩系列，长径比（L/D）较大，受力时具有一定柔性，因此可按半刚性桩设计计算，同时桩间颗粒与注入的浆液凝固成具有一定刚度的整体，当桩间土应力未超过极限强度以前，应力应变几乎成线性增长，因而可看成线弹性体，这样就可以利用文献[3]的研究结果计算桩应力与桩土复合地基的沉降。
4 示范工程设计
4.1 设计原则
钢花管注浆结构通常用于交通工程地基加固、滑坡治理和危岩体加固等工程实践中，一般应遵循有效性原则、经济性原则和快速施工原则。
有效性原则是指针对不同的处治对象采取个性化的技术措施和方案，确保病害治理靶向准确，治理效果科学有效。一般根据加固体的结构组成、受力特点、变形特征结合环境现状和目标要求有针对性地进行设计研究与预测，从而找出一套科学可行的治理方案与策略。
钢花管注浆结构经济性主要由桩的结构、数量、布置型式、桩长、注浆量与施工方式等决定，因此，科学合理确定这些尺寸与参数是设计要重点研究完成的任务与内容。
快速施工原则就是设计方案要能够实现方便施工、对交通影响小、非开挖处治和安全保障要求，一般与桩的布置、占用场地大小和施工方式等有关。
4.2 钢花管桩结构设计
注浆钢花管采用Φ89mm，壁厚4mm无缝钢管沿管轴线每隔4cm按45°螺旋方向在管壁上钻出Φ6mm注浆孔，并沿管壁每2m焊接3根Φ8mm定位钢筋（保证钢管外包混凝土保护层厚度不小于2cm），底部用钻有小孔的5mm厚钢板封闭，小孔中的注浆管（管壁钻孔）端头用U型钢筋焊住（防止底部注浆管被堵塞），管口设计成带阀门可方便拆卸密封的注浆口（保证管内注浆压力），钢管连接采用对口焊接外加3Φ20钢筋绑焊，搭接长度每端不少于20cm。钢花管构造见示意图2。
4.3 示范工程设计
示范工程設计时，首先根据地勘资料和堆积体性质、范围、厚度、稳定状态和发展趋势，初步拟定钢花管桩桩径、长度和锚固深度等参数，然后按式（3）和（4）计算最大桩间距与桩排距，再按式（1）和式（2）分别计算桩应力和沉降量，通过不断调整优化桩的各种结构尺寸与组合参数，直到满足式（1）和式（2）为止。图3即是按此方法计算的示范工程钢花管桩基础挡墙设计结果。
示范工程实施后路基承载力和稳定性得到显著提高，通过持续观察，没有出现新的变形和滑移，处治效果非常满意，说明处治和设计方案是有效和可行的，对类似灾害工程处治提供了借鉴和示范作用。
5 结论
（1）钢花管注浆通过挤密桩周土和填充颗粒间大部分空隙，使其密度增加，内摩擦角φ增大，同时与被注浆颗粒凝结成整体，大大提高了颗粒间粘结力C，从而形成承载力和抗变形能力以及抗弯剪刚度都很高的桩土复合地基。
（2）布置成梅花型框架结构的群桩，能使桩间土增强土拱效应，限制桩间土侧向位移与变形，同时桩间土也为钢花管提供有力支撑与约束，在车辆等外荷载作用下桩土间的相互耦合作用提高了松散堆积体路基的整体承载能力和抗变形能力。
（3）柔性钢花管可以视为半刚性桩，桩间加固体被看作线弹性体，桩的承载力与桩周加固体的沉降变形可用桩土复合地基理论计算。
（4）钢花管一般布置成梅花形，当相邻桩间距相等，且桩周加固圆两两相切时，桩土耦合作用最大，加固效果最好，这时桩间距与桩排距按等边三角形加固模型计算。
（5）钢花管桩设计应遵循有效性原则、经济性原则和快速施工原则。设计方法一般根据地勘报告初步拟定钢花管结构尺寸，计算最大桩间距与桩排距，并分别验算桩应力和地基土沉降量，当不满足要求时，要通过调整优化桩的各种结构尺寸与组合参数，直至满足要求为止。
参考文献：
[1]黄吉国，黄蛟.基于交通保障需要的松散堆积体路基主要病害处治方法研究与实践[J].科技创新与应用，2018（35）：122-124.
[2]贵州省遵义公路管理局，招商局重庆交通科研设计院有限公司.普通国省干线公路堆积体路基边坡病害非开挖处治技术研究报告[R].2017.
[3]折学森.软土地基沉降计算[M].人民交通出版社，1998：182-199.
[4]任远.基于ANSYS平台微型钢管桩加固滑坡体的有限元分析
[D].成都理工大学，2013.
[5]张泽鹏，谢富贵.注浆钢花管技术处治山区公路滑坡施工工艺研究[J].高速公路运营技术与管理，2006（4）：54-57.
