微型桩群加固路基边坡的稳定性及效果研究

苗琨明，扈少华

(山东华远公路勘察设计有限公司，山东 潍坊 261061)

1 微型桩分类及加固边坡机理

1.1 微型桩类型

微型桩指的是直径较小(70～300 mm)的钻孔灌注桩。微型桩技术起初是用于加固建筑物基础，但随着钻探工艺的进步，微型桩技术也开始在在公路或是铁路路基边坡加固中应用。微型桩的布设方式丰富，可与路基边坡滑动面垂直、正斜、反斜、交叉等，排数一般是2～5排，呈梅花型布置，还可以根据路基边坡实际情况，在桩孔钻探完成后布置钢管、型钢等，以改善灌浆粘结力。微型桩分类可参考表1。

表1 微型桩划分条件及类型

1.2 微型桩加固机理

微型桩加固路基边坡后，桩体会产生位移或变形来抵抗岩土体滑动，此时桩后土压力计算十分复杂，需要考虑微型桩和岩土体间的相互作用。路基边坡失稳阶段，潜在滑动面附近的滑坡推力是最大的，滑坡推力作用在微型桩后，桩体嵌固段发生挠曲变形，桩前滑体抗力呈中间大两侧小分布。

微型桩加固路基边坡的机理主要体现在两个方面：(1)微型桩与土体形成桩-土复合结构，共同承担外荷载，使得原土体的抗剪强度、刚度等大幅提高，有效地限制了边坡的变形，提高了边坡安全系数；(2)微型桩自身具有良好的抗弯作用，且大多都是成群布置，与悬臂抗滑桩加固机理类似，能有效抵抗边坡下滑。

2 微型桩加固边坡稳定性分析方法

微型桩加固边坡稳定性分析方法主要有定性分析和定量分析两大类，前者包括图解法、自然历史分析法、SMR法等，后者包括简化Bishop法、强度折减法、有限元分析法等。

2.1 边坡稳定性定性分析

(1)图解法

图解法分析路基边坡稳定性是基于赤平投影图、摩擦圆等，并结合相关边坡的设计及施工经验，得到边坡主要结构面和次要结构面，从而推测出边坡滑体范围、可能滑动方向等。

(2)自然历史分析方法

该方法要求工程人员先对路基边坡所在区域的地质情况进行详细勘探，初步判断可能影响边坡安全性的因素，并对边坡在未来一段时间的发展趋势展开分析。

(3)SMR法

SMR法主要用于岩质路基边坡的稳定性计算，该方法是利用边坡滑体的质量参数来分析其稳定性，不考虑地应力、坡高等对边坡安全性的干扰，精确度有待提升。

2.2 边坡稳定性定量分析

(1)简化毕肖普法原理

简化Bishop法是《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)中推荐的边坡稳定性分析方法，属于刚体极限平衡法的范畴。简化Bishop法将滑坡体划分成n个宽度相同的垂直条块，并假设各条块间只存在水平条间力、竖向条间力等于0，且滑体力矩平衡，如图1所示。计算时以滑动圆弧的圆心为力矩中心点，得到抗滑力矩与下滑力矩的比值即为边坡安全系数，公式如下

式中：Wi为第i条条块的重力，kPa；bi为第i条条块的宽度，m；ci为滑面粘聚力，kPa；φi为滑面内摩擦角，°；αi为圆弧底面倾角，°；ui为孔隙水压力，kPa。

图1 简化毕肖普法条块划分

(2)强度折减法

应用强度折减法来计算路基边坡稳定性时，需事先假定一个折减系数F，用边坡岩土体的抗剪强度参数来除以折减系数F，得到新的粘聚力和抗剪强度指标，作为新的边坡材料参数参与稳定性计算，直到边坡计算不收敛。此时的折减系数F就是边坡的安全系数。

(3)有限元分析法

随着计算机技术的飞速发展，数值计算法在岩土计算领域地应用日益普遍，一般包括有限元法、有限差分法、离散元法、边界元法、流形元法等，其中有限元法的应用范围最广。有限元法用于分析路基边坡稳定性时，可以将边坡安全系数与滑动面位移、应力、塑性区等参数联系起来，能更好地分析路基边坡失稳变形机制。有限元法计算边坡稳定性的关键是确定其临界破坏状态，主要判据有三种：边坡模型节点最大水平位移达到某值、迭代计算不收敛、出现贯通的塑性区。

3 微型桩加固边坡效果评价

3.1 工程概况

以某公路项目为研究对象，采用Midas/GTS建立有限元模型来分析路基边坡在微型桩加固前后的稳定性。该公路全长24.5 km，起讫桩号为K8+260～K32+760，地质条件较复杂，沿线出现了大量边坡。路基边坡安全系数计算选择K22+138断面，该边坡最大高度33.8 m，分四级进行开挖，每级边坡控制坡高为10 m，各平台宽均2 m。

根据区域地质资料，场区处于相对较稳定的地质环境，地层分布较连续，无地震作用下的可液化地层，场地土属中硬土。根据设计资料及相关岩土试验可知，该高边坡岩土体分为两层，从上至下分别为强风化板岩和中风化板岩。

3.2 微型桩加固边坡模型建立

Midas/GTS计算边坡安全系数步骤如下：cad建立模型→导入dxf文件至midas→分割模型→定义材料→材料属性赋值→网格划分→施加模型约束→初始地应力平衡→计算边坡稳定性→输出结果，其中关键步骤就是模型建立和网格划分。

网格尺寸、网格数量对模型计算结果和计算效率影响较大。在综合考虑边坡安全系数计算精度和计算机运算速度的基础上，利用软件中内置的二维实体单位对边坡岩土体进行网格划分，其中边坡坡面2 m范围内网格进行加密处理，网格控制尺寸取0.5 m，其它部位网格尺寸取1 m；微型桩采用杆单元来模拟，网格尺寸取0.5 m；模型共划分出3 258个单元，4 452节点。

3.3 微型桩加固边坡安全系数计算结果

采用Midas/GTS软件对微型桩加固前边坡的安全系数计算时考虑了两种工况。正常工况Ⅰ：边坡处于天然状态；非正常工况Ⅱ：边坡处于暴雨或连续降雨状态，降雨强度取20 mm/h，安全系数计算结果见表2。

表2 微型桩加固前后边坡安全系数

由表2可知：路基边坡加固之前，Midas/GTS计算出的安全系数为1.24。但是，随着降雨历时的增加，边坡安全系数不断减小，安全系数迅速从1.09降低至0.98，降低幅度为10.1%。此时边坡安全系数<1，失稳可能性较大。这是因为随着降雨时间的增加，渗入边坡内部的雨水量越多，边坡岩土体抗剪强度参数减小，从而导致边坡安全系数降低。

微型桩加固边坡之后，无论是正常工况Ⅰ或非正常工况Ⅱ，其安全系数均有明显提高，提高幅度分别为17.4%、24.4%，边坡处于稳定状态。这说明，微型桩在路基边坡中的加固效果良好。

4 结 语

分析了微型桩类型、加固机理及边坡安全性计算方法，并利用有限元法对微型桩加固效果进行评价，主要得到以下结论：(1)微型桩种类多样，可按配筋材料、桩顶连接形式、注浆工艺等分类，其加固边坡的机理主要是依靠微型桩与土体形成桩-土复合结构及其自身良好的抗弯作用。(2)微型桩加固边坡稳定性分析方法主要有图解法、自然历史分析法、SMR法、简化Bishop法、强度折减法、有限元分析法等。(3)微型桩能明显提升路基边坡在天然状态和降雨状态下的安全系数，建议工程中推广应用。