钢管微型桩在斜坡高挡墙地基加固中的应用

何龙江

摘要 某二级公路改扩建经过斜坡路段，须采用高挡墙进行收坡，松散覆盖层较厚，地基承载较低，采用注浆微型钢管桩复合地基对土层进行加固。利用有限元强度折减法和简化毕肖普极限平衡法对未地基处理和地基花管注浆加固两种方案进行稳定性对比分析，验证了微型钢花管注浆对提高地基承载力和斜坡的整体稳定性的良好效果，并对钢管桩注浆施工关键工序、工艺和检测指标等进行了说明。

关键词 注浆钢管桩;斜坡路基;高挡墙;有限元分析;斜坡稳定

中图分类号 TU472 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）13-0065-03

0 引言

山区斜坡地貌广布，路线走向受走廊带的控制往往无法绕避，形成高斜坡路基，自然稳定放坡会出现放坡线较远。当采用挡土墙进行收坡时，经常形成高大的挡土墙，残坡积层覆盖土层往往厚度较大，土层空隙大，土质疏松，地基承载力不足。同时由于高挡墙重力大，修建后改变了斜坡影响范围的地层应力分布，导致斜坡整体稳定性的降低。注浆微型钢管桩是近年来兴起的一种非开挖地基加固工艺，其在斜坡挡墙地基处理中应用越来越广。

1 工程概况

某公路改扩建工程，路基宽度采用8.5 m。路线经过某斜坡地段，该段微地貌属山麓斜坡残坡积松散堆积体，相对高差35.0 m，地面起伏很大。地表覆盖第四系砂质粉质黏土层2.7～11 m。下伏地层为志留系兰多利亚统秀山组灰绿色红粉砂质黏土岩。沿线地下水主要为第四系砂质粉质黏土层中的孔隙水及下伏黏土岩中的基岩裂隙水，自然斜坡较陡，斜坡自然填筑高度较高，放坡距离过远，收坡后产生高挡墙，挡墙最大高度达到15 m，高挡墙对地基承载力的要求较高，且存在高大构造物会对现状稳定地层应力重分布产生较不利的影响，有引起边坡整体失稳的风险，须进行处理。

2 处治方案

2.1 方案的拟定

该段挡墙采用仰斜式挡土墙，墙高为15 m，墙身宽度3.0 m，面坡及背坡同坡采用1∶0.25，基础采用扩大基础宽度4.8 m，墙趾宽0.8 m，厚度1.2 m，基底采用1∶5的内倾斜坡，计算分析该段挡墙在墙背采用可靠的填料及填料压实情况下，挡墙自身抗滑移稳定、抗倾覆稳定均满足要求，墙趾处最大压应力为283.409 kPa，墙底平均压应力263.285 kPa，下覆土层地基承载力不足。

《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）附录H.0.2款第7条要求“设置于不良土質地基、覆盖土层下为倾斜基岩地基及斜坡上的挡土墙，应对挡土墙地基及填土的整体稳定性进行验算，其稳定性系数不应低于1.25”。考虑斜坡修建高挡墙后边坡应力变化会导致边坡整体稳定性安全系数降低，需要对高挡墙修建后的斜坡整体稳定性进行分析计算，保证斜坡的整体稳定，避免高挡墙修建导致边坡整体失稳[1]。

比选考虑了桩基承台挡土墙方案和微型桩桩基承台方案，但考虑桩基施工造价、微型桩与基础相连形成桩基模型，上部荷载完全由小桩承担导致钢管桩加长，造价增加，挡墙桩基传力路径较为复杂，地基注浆加固后土体的承载能力不能充分发挥，最终采用3排微型钢管桩+1.0 m厚内设2层土工格栅的碎石垫层复合地基方案，钢管桩桩身入下覆稳定基岩不小于1 m。桩与加固后的土体形成复合地基，共同提高地基承载力和地基的整体稳定性[2]。

2.2 地基承载力计算

钢管桩采用146 mm，壁厚6.5 mm，钻孔孔径采用200 mm，桩长12 m， 挡墙基础宽度4.8 m，靠墙趾侧横向布置3排，纵向排距1 m。《建筑桩基规范技术》（JTG 94—2008）5.8.4条规定，非高承台桩、非软弱非液化土中桩稳定系数一般取1.0，《组合结构设计规范》（JTG 138—2016）第八章考虑钢管对混凝土的套箍作用，桩身结构自身承载力远大于地层对桩的作用，单桩承载力受地层控制。

单桩承载力采用经验参数法计算Quk，考虑注浆对地层加固提高和《建筑桩基规范技术》（JTG 94—2008）第五章干作业钻孔桩，取Qpk=1 200 kPa，Qsik=80 kPa，则单桩容许承载力Quk/2=276.32 kN。

Quk=u∑QsikL+QpkAp （1）

复合地基承载力fspk每延米面积置换率m=（3×3.14/4

×0.22）/（4.8×1）=0.019 6，保守计算不考虑注浆对地层承载力的提高作用，挡墙底部现状地基土承载力取fsk=

120 kPa，取单桩承载力发挥系数λ=1.0，桩间土承载力发挥系数β=1.0，则fspk=1×0.019 6×276.32/（3.14/4×0.22）+1×（1−0.019 6）×120=290.34 kPa。大于理论计算的需求值263.285 kPa，满足要求。

fspk=λmRa/Ap+β（1−m）fsk （2）

2.3 边坡整体稳定性计算分析及主要参数敏感性分析

由于地质条件的复杂性及计算参数的不确定性，边坡稳定分析很难通过一种方法得出，实际中应将有限元分析结论（见图1）与采用极限平衡法（见图2与图3）进行对比分析后综合确定，加强对控制参数的敏感性分析（见图4），保证计算的精确性和包罗性。边坡稳定性分析计算采用slide软件中的简化毕肖普极限平衡法和 midas gts中的有限元强度折减法，有限元强度折减法基本原理：选取初始折减系数，将岩土体强度参数（见表1）进行折减，将折减后的参数输入，进行有限元计算，若程序收敛，则岩土体仍处于稳定状态，再增加折减系数，直到程序恰好不收敛，该折减系数即为稳定安全系数[3]（见表2）。

有限元分析结构与极限平衡法分析结果接近，潜在滑动面剪出口位置与后缘拉裂位置一致，未设置注浆钢管桩时，稳定性不满足规范对斜坡整体稳定系数最小1.25的要求，当设置注浆钢花管对地层进行加固后，稳定性系数提高到1.317，满足规范要求。由敏感性分析结果可知，黏聚力参数的比值斜率比内摩擦角比值斜率更陡，对安全系数的影响更为敏感，考虑到砂质粉质黏土空隙较大，注浆能大幅提升土体的粘结力，当土层注浆效果达到一定水平后，砂质粉质黏土的黏聚力提高，对安全系数的提升效果显著，说明注浆方案是可行的。

3 微型钢管桩注浆施工工艺及检测要求

3.1 钢管桩制作

按设计要求对钢花管桩顶1 m以下桩身按40 cm间距梅花形布置φ10 mm注浆孔眼，钢管桩的接长采用套管焊接，钢管桩长度以每个点位钻孔入岩情况确定，不能统一长度。

3.2 施工前的试验段实验

大面积施工前应进行单桩承载力实验、多桩复合地基承载力实验，实验点数量不少于3处，同时应对采取不同注浆压力下的钢花管附近地层钻孔取样查看土层注浆效果，取样进行室内力学实验确定土层参数的变化情况。

3.3 注浆钢管桩施工

按设计要求对孔位进行放线，钻孔下放对孔眼进行多层胶布包裹的钢花管，然后采用孔底翻浆法对钻孔与钢管外壁间的间隙进行填充注浆，注浆使用带止浆塞的注浆管，注浆时注浆管应置于钢花管底部，注浆材料采用水泥浆，水泥采用42.5普硅水泥，配置时水泥以每袋50 kg计算水泥浆，水灰比0.45∶1，此时采用常规压力0.2～0.4 MPa，直到孔口翻浆，结束后清洗钢管桩管内残留的水泥浆，间隔一段时间后利用钢花管对土层进行二次或多次高压注浆，注浆压力控制在1.5～4.2 MPa，将钢管桩与周围土层形成整体，最后對钢花管内填充水泥砂浆进行封闭，为安全可在砂浆初凝前在钢花管内设置竖向的抗剪钢筋。

3.4 施工期间质量控制及施工要求

应采用跳孔施工，避免串浆，同时可先施工一部分先导孔，通过后续钻孔检验先导孔的注浆效果，采取“探灌结合”的原则。同时注浆时坚持注浆压力与注浆量双控，现场实际注浆量与设计偏差较大应结合钻孔分析原因，同时注意观察注浆压力表的变化情况。当压力一直没有提高变化，应采用间歇注浆并采用较浓的水灰比或采用掺和水玻璃的双液注浆。

3.5 注浆结束标准

注浆结束标准：吸浆量小于5 L/min，稳压维持10 min。

3.6 工后检测要求

（1）桩身完整性检测：采用低应变检测，检测数量不小于总桩数的10%，且不得少于10根。

（2）注浆效果检测：可采用分区域预留后期施工钢管桩，通过钢管桩钻孔揭露先期施工注浆钢管桩注浆效果。

4 结论

文章对斜坡高挡墙采用注浆微型钢管桩地基处理加固的方案，通过复合地基承载力计算和极限平衡法、有限元强度折减法和参数敏感性分析，对方案的可行性进行了分析计算，保证了公路斜坡高挡墙的安全，同时对注浆微型钢管桩施工前实验、施工过程中要求、工后检测要求进行了阐述，对其他工程开展有一定的借鉴意义。

参考文献

[1]公路路基设计规范： JTG D30—2015[S]. 北京：人民交通出版社， 2015.

[2]建筑地基处理技术规范： JTG 79—2012[S]. 北京：中国建筑工业出版社， 2012.

[3]古海东， 杨敏. 基于强度折减法的土钉支护结构稳定性分析[J]. 同济大学学报（自然科学报）， 2012（7）： 1003-1007.