改进组合型微型钢管桩在高速公路灾害处治设计中的应用

张 瑢，张耀庭，陈艳玮

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州730030）

0 引言

微型钢管桩因具有施工方便、快速，在边坡支护、基坑支撑等领域已大量推广使用，但因其容易因腐蚀失效，很少用于永久性支护工程。十堰至天水国家高速公路甘肃段徽县（大石碑）至天水公路2017年5月项目通车后，K643+440～485段出现路基滑塌病害，为快速抢修保畅，设计了改进组合型微型钢管桩基础挡土墙设计，利用微型钢管桩的快速高效，并通过注浆在桩管内外形成保护层，使其具有足够的耐久性，与桩顶承台梁结合作为挡土墙桩基础，提供足够的竖向和横向承载力，达到永临结合、快速高效的抢险救灾。

1 概况

十堰至天水国家高速公路甘肃段徽县（大石碑）至天水公路是“国家高速公路网”福州至银川国家高速公路的横向联络线的重要组成路段，项目位于陕、甘交界处，是甘肃与陕西、四川经济交流与合作的主要纽带和桥梁，也是甘肃省一条重要的东南出口公路，在天水与连霍国家高速公路相连，在陇南通过平凉至武都高速公路与兰州至海口国家高速公路相接，组成区域网格状高速公路网，具有重要政治、经济和国防意义。项目穿过横岭山路段，由于地下水位高，地基土体强度低等原因，在2016年项目通车后，多处出现路基滑塌、沉降、裂缝等病害现象（见图1）。

图1 路基病害现场照片

2017年8月，十天高速公路K643+440～485段路基左侧路面在连续强降雨后发生滑塌，形成高差1.4 m的错台，坡脚挡土墙完全破损，坡脚排水沟因挤压出现断裂、扭曲等变形。

2 地质情况及病害原因分析

2.1 原设计情况

十天高速公路徽县（大石碑）至天水段路基设计宽度为24.5 m，设计时速为80 km/h。K643+440～485段路基左侧边坡高10～13 m，右侧边坡填方高度为0～1 m，路基填土为含砾粉质黏土。路基边坡坡率为路肩向下8 m范围内为1∶1.5，8 m以下到13处为1∶1.75，坡面采用预制块铺砌孔窗式护坡防护。

2.2 地质情况

十天高速公路K643+440～485段布设于陇南市西和县县城向南约10 km的横岭山西侧山坡上，经查阅项目原设计地勘资料，地基0～8 m为上更新统冲洪积粉质粘土，黄褐色，硬塑—可塑状，土质松散不均，含砂及砾石颗粒；8～15 m为黄土状粉质粘土，黄褐色，软塑，土质不均匀。15～18 m为砾砂层与角砾层。地质断面见图2。

图2 地质横断面

2.3 滑塌原因分析

原地基地形较陡，地表横坡接近1∶2.5，路基填土加载于原地表后，地表土体受到一定的剪应力，在土体干燥状态下，剪应力并未达到土体的抗剪强度，随着持续降雨，地下水位上升致使地基土体饱和，土体抗剪强度下降，受力逐渐达到或超过土体极限强度。路基填土因持续降雨饱和导致重度增大，两因素导致路基出现滑裂，雨水灌入裂隙带促使土体进一步饱和、软化，最终导致路基滑塌破坏。

3 处治方案设计

3.1 方案研究

由于路基滑塌致使路面整体下沉，坡面防护构造物变形、开裂至完全破坏，路堤土体完全剪切破坏，为重塑土体强度，须挖除滑塌土体重新回填夯实，并完善地下截排水设施。

可行的支挡处治的方法主要有桩板墙、锚杆挡墙、桩基挡墙等，桩板墙造价高且施工周期较长，锚杆挡墙需要将锚杆锚固在岩石、坚硬土等岩土层中，以满足稳定需要，因此本项目采用桩基挡土墙进行支挡防护，考虑到抢险救灾项目永临结合、施工快速便捷的需要，挡土墙基础采用了微型钢管桩设计[1-4]。挡土墙采用浆砌片石砌筑。

3.2 设计

微型钢管桩施工工艺主要有打入法和钻孔贯入法，考虑到抢险救灾工程永临结合的需要，设计中为避免钢管桩在竖向压力和水平向推力作用下快速锈蚀，引发路基病害的情况出现，须防止钢管桩打入过程中局部防锈涂料因为摩擦而破损。因此本项目设计了钻孔贯入式打眼钢管桩，打入后注浆，使浆液完全包裹钢管内外壁，为确保管壁外混凝土保护层厚度不小于3 cm的要求，微型管桩施工钻孔孔径应比贯入钢管外径大6～10 cm。

根据受力分析和项目区施工经验，设计了钻孔打入钢管并注浆形成组合微型钢管桩，在桩顶浇筑1.0 m厚钢筋混凝土承台梁（见图3），使组合微型钢管桩形成群桩基础共同受力的挡墙基础方案。改进组合型微型钢管桩钻孔不小于30 cm，钢管外径设计为20 cm，管壁厚度不小于6 mm。同时在钢管桩内等边三角形式布设三根钢筋（见图4），提高钢管桩的横向支撑力和耐久性。群桩顶部挡土墙设计高度为3.5-5.5 m，顶宽1.5～2.0 m。挡土墙采用浆砌片石砌筑。

图3 微型钢管桩与承台梁连接图（单位：cm）

图4 微型钢管桩断面设计图

根据地质特点，组合微型钢管桩，竖向承载力按摩擦桩设计。为避免挡土墙变形引起路基、路面再次开裂，依据桩基规范，组合微型钢管桩水平向承载力计算时变形按10 mm控制。将钢管与管内三角形布置钢筋等代换算为配筋，每根桩综合配筋率均大于0.65%。

（1）单桩竖向向承载力

式中：Ra为单桩竖向承载力特征值；U为单桩截面周长；qsik为各土层桩侧极限侧阻力；li为各土层桩长；psk为桩端极限端阻力标准值；Ap为桩端面积。

（2）项目区抗震烈度为7度，考虑承载效应后，基桩竖向承载力为：

式中：R为考虑承台效应后复合基桩竖向承载力特征值；ζa为地基抗震承载力调整系数；ηc为承台效应系数；fak为承台下1/2承台宽度且不超过5 m深度范围内各层土的地基承载力特征值加权平均值；AC为计算基桩对应承台底净面积。

（3）单桩水平向承载力计算

式中：Rha为单桩水平承载力特征值；α为桩的水平变形系数；EI为桩身抗弯刚度，EI=0.85EcI0；Ec为混凝土弹性模量，I0为桩身换算截面惯性矩：I0=W0d0/2，W0为桩身换算截面受拉边缘的截面模量，d0为扣除保护层厚度的桩直径；X0a为桩顶允许水平位移；vx为桩顶水平位移系数。

（4）群桩水平向承载力计算

式中：Ra为考虑群桩效应后，基桩水平承载力特征值；ηh为群桩效应综合系数。

根据挡土墙水平向和竖向承载力计算，组合微型钢管桩设计为5排，排间距为1 m，基桩纵向间距设计为1 m。由于项目区地下水位高，为防止路基填土底部与挡土墙墙背积水，墙背地表处设置纵向渗沟，路基填土基底铺筑50 cm砂砾层与横向渗沟。路基滑塌处治断面设计见图5。

图5 灾害处治横断面设计图

3.3 变形观测

该抢险救灾工程施工完成已运营两年，根据运营期间观测，挡土墙与路基没有出现明显的变形迹象，路面没有出现沉降或裂缝痕迹，出露于挡土墙墙面的渗沟管常年有渗水流出，渗水无携带泥沙现象。满足了永临结合处治路基滑塌灾害的目的。

4 结语

微型钢管桩作为结构物基础的设计，逐渐得到推广和应用，但钢管在打入具有腐蚀性的土层后，须特别重视其耐久性，本项目通过探索在桩管内外注浆，管内增设钢筋的措施，提高了其耐久性和承载力，满足了竖向和水平向变形设计，为其上部受复杂作用力的挡土墙提供了足够的支撑力。根据设计、观测和研究，改进组合型微型钢管桩在公路边坡抢险救灾方面具有良好的效果。