微型钢管桩在山区公路挡墙地基加固中的应用

■刘键涌

（龙岩交通建设集团有限公司，龙岩 364000）

微型钢管桩是在小型钻孔中放入钢筋、钢管后进行压力注浆形成的钢管、钢筋混凝土桩。 它所需施工场地小，施工机械小，没有开挖方，不会形成较大的临空面，施工速度快且安全，适用于施工场地受限的情况；施工噪声、振动小，适用于公害受到严格控制的区域；且长细比大，桩身耗用材料少[1]。 随着挡土墙在山区公路中的广泛运用，结合山区地势较陡、施工场地较窄等特点，采用微型钢管桩加固挡墙基础的优势得以体现。 本文以某山区公路挡墙基础采用微型钢管桩加固为设计实例， 通过建立ABAQUS 有限元模型进行边坡稳定性验算分析，提出设计方案，以实现在安全可靠的同时缩短施工工期，节约工程造价。

1 工程概况

1.1 工程基础概况及设计难点

某山区三级公路，设计速度为40 km/h，路基宽度8.5 m，沥青混凝土路面，设计荷载等级：公路-Ⅱ级，K0+605～K0+741.938 右侧为设计高度3.0～11.0 m的衡重式路肩挡土墙，K0+600～K0+750 段左侧为上福新村安置用地（已批复，不可多占用），故无法通过路线向左侧移线优化设计；右侧为居民房（高三层、征拆费用需85 万元），拆迁难度大、费用高；外侧墙趾距离已建民房墙面最近仅0.70 m，基坑开挖对房屋结构安全存在影响（村民不同意开挖），且挡墙基础存在4.9 m 厚的软弱土层，挡墙基底承载力不能满足设计要求。 工程路线平面示意图如图1 所示。

图1 路线平面示意图

1.2 工程地质构造

场区为构造剥蚀低山区冲沟斜坡地貌，地形为左高右低，地形标高介于808.0～820.0 m 之间，地形较陡，自然坡度在10°～25°，植被发育。 取地表水、土质易溶盐分析可知，场地水、土对混凝土及钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性， 地震基本烈度为6°，地震动峰值加速度为0.05 g，中软-中硬场地土的地震动反应谱特征周期为0.35 s。

地层情况为：（1）0～4.9 m 为粉质黏土：浅灰黑色～杂色，湿～饱和，软塑～可塑，成分以粉粘粒为主，含角砾约10%～20%， 少量砂粒， 角砾粒径为2～18 mm，角砾成分为中风化花岗岩，切面较粗糙，无摇振反应，韧性中等，干强度中等，地基容许承载力值为100 kPa。 （2）4.9～7.8 m 为残积粘性土：褐灰黄色，可塑～硬塑，成分以粉粘粒为主，含角砾约30%，少量砂粒，角砾粒径为2～18 mm，个别为20～40 mm的碎石，角砾碎石成分为中风化花岗岩，切面较粗糙，无摇振反应，韧性中等，干强度中等，地基容许承载力值180 kPa。 （3）7.8～10.6 m 为残积粘性土：褐灰黄色，坚硬，成分以粉粘粒为主，含砂粒约30%，切面较光滑，无摇振反应，韧性中等，干强度中等，为花岗岩风化残积土，采取率为90%，具遇水易软化的特性，地基容许承载力值200 kPa。 （4）10.6～14.8 m 为全风化花岗岩：褐黄色，岩石强烈风化，岩芯呈土状，可辨原岩结构，岩体完整程度为极破碎，属极软岩， 岩体基本质量等级为Ⅴ级， 采取率为65%～70%，具遇水易软化的特性，地基容许承载力值为280 kPa。

2 设计方案

挡墙基础处理方案分析：（1）扩大基础配钢筋网+换填石渣， 经基底换填夯实后一般路段可满足设计要求，但临近居民房屋段基坑开挖对房屋结构存在安全隐患，不宜采用。 （2）水泥粉煤灰碎石桩（CFG 桩）、粉喷桩、浆喷桩、粒料桩、预应力混凝土薄壁管桩及现浇混凝土大直径管桩所需机械施工场地较大， 该段挡墙位于斜坡上且路基宽度较窄，施工机械较难摆放、操作空间受限；仅局部挡墙基础段采用桩基处理，工程量较小，大型机械进出场费用较高， 经济可比性及适用性差， 不适宜采用。（3）人工挖孔桩+托梁所需施工工期较长，不能满足施工工期要求。 （4）微型钢管桩所需施工场地小，施工机械小，且没有开挖方，不会形成较大的临空面，工期短且适用性强，能满足本项目工期短、地形较陡、施工场地小且临近房屋的施工要求。

根据微型钢管桩的特点， 确定如下设计方案（图2）：（1）根据左侧上福新村地块标高优化路线纵坡，路线纵坡采用7%（满足路线平包竖及最大合成坡度的要求），缩短挡墙长度，降低挡土墙高度（挡墙高度为3.0～10.0 m），减小挡墙对基础承载力的要求，并相应减少挡墙砌体数量，节约工程造价。（2）与房屋临近段挡墙基础采用微型钢管桩加固设计（纵横向间距为50 cm，桩长为10 m），管顶设置50 cm 钢筋砼盖梁，并与挡墙基础连续浇筑，其余段落采用扩大基础配钢筋网（高1 m，根据不同高度侧宽1 m～1.5 m）+换填3 m 石渣， 夯实换填后墙高＞9 m，地基承载力不得小于180 kPa，墙高≤9 m，地基承载力不得小于150 kPa。 （3）墙后地面横坡为1∶5～1∶2.5 的土质斜坡，应先清除表层土（厚0.3 m）后，再挖台阶，台阶宽度≥2.0 m，阶面向内倾斜4%。

图2 微型钢管桩加固挡墙设计图

3 微型钢管桩加固挡墙稳定性有限元分析

根据有限元的基本原理，在强度折减法中边坡稳定安全系数定义为岩土的实际抗剪强度与临界破坏时折减后剪切强度的比值，即定义的安全系数可以通过调整岩土的强度指标c 和φ， 如公式（1）、（2）所示，用折减的内摩擦角和粘聚力进行模拟仿真计算，刚好达到边坡临界破坏极限时的折减系数为边坡安全系数Fs[2]。

式中，c 和φ 为土体所能提供的抗剪强度；Cm和φm为维持平衡所需要的或土体实际发挥的抗剪强度；Fv为强度折减系数。

3.1 模型建立

假定为平面应变问题，图3 描述挡墙的有限元计算全结构几何模型。 模型的左右侧为水平向位移约束、竖直向自由，底侧为竖直和水平向位移均约束，模拟土体在上表面有10 kPa 荷载及自重荷载作用下土体的压密沉降[3]。

图3 有限元计算几何模型

模型中， 土体均视为Mohr-Coulomb 理想弹塑性材料，微型钢管桩和挡土墙视为线弹性体，材料参数如表1 所示。

表1 材料参数

3.2 计算结果分析

特征点选用挡墙的顶点，安全系数通过特征点位移来确定， 从而得出其位移与折减系数的关系，如图4 所示。 图中挡墙顶点位移随折减系数的增大而增大； 当强度折减系数为1.343 时顶点位移急剧变化，产生了2.834 m 的位移（图5）,此时边坡的塑性区已贯穿，已失去稳定（图6），通过顶点位移与折减系数的关系和塑性区形态，最终得出边坡稳定性系数为1.343>1.300，满足相关规范要求。

图4 挡墙顶点位移与强度折减系数的关系

图5 强度折减系数为1.343 时的位移

图6 强度折减系数为1.343 时的塑性区

4 微型钢管桩施工要求

微型钢管桩施工要求如下：（1）测量放线后，进行微型钢管桩施工，并采用XY-150 型地质钻机或多功能履带钻机成孔，成孔直径180 mm，钻孔水平间距为500 mm×500 mm 梅花型布置。 （2）管身采用Q345 外径φ146 无缝钢管，管壁厚为5.0 mm；注浆材料采用复核硅酸盐PC32.5R 水泥，浆体强度等级为M20，水灰比0.45～0.54。 （3）成孔要求：钢管桩成孔有效直径不小于180 mm， 钢管从取芯套管中心放入；桩位允许偏差±50 mm，垂直度允许偏差±0.5%；成孔深度应超钻50 cm 并清除孔内沉渣，随即安放微型钢管。 （4）钢管安放完毕，注浆管下至管底，回填粒径10～30 mm 的碎砾石， 并采用水泥砂浆进行封口，间隔2 d 后开始注浆。 （5）为了增加注浆的可灌性，可在浆液中加入复合型减水早强剂（水泥用量0.3%～0.5%）；采用叶式机械搅拌机搅拌，浆液应连续均匀搅拌，且在搅拌均匀过筛后，再泵送压注。（6）钢管应优先选用通长管材，若受到材料供应影响，需要互相焊接，焊接的应确保上下节垂直，对口的间隙宜为2～3 mm， 并采用3φ16 钢筋进行帮条加劲焊接，且接头处应置于基坑上部。（7）钢管桩采用二次灌注浆，第一次采用常压注浆，待钻孔内满浆后进行二次补浆（压力≮3.0 MPa，注浆量≮55 kg/m）。 当注浆压力无法达到时，注浆量＞90 kg/m 即可停止注浆。 钢管桩灌浆完毕后需进行保护，浆液初凝前不得摇动。

5 工程造价比较

经优化路线纵坡后，K0+690.253～K0+705.443右侧路肩挡土墙基础处理采用微型钢管桩方案与征拆房屋（扩大基础配钢筋网+换填石渣）方案进行比选（表2），结果显示微型钢管桩方案节约工程造价35.4 万元，成效显著。

表2 K0+690.253～K0+705.443 右侧路肩挡土墙基础处理比较结果

6 结语

研究结果显示：（1）微型钢管桩所需的施工场地小、施工机械小、适用性强，能满足山区公路地势较陡、施工场地受限的使用情况。 （2）微型钢管桩没有开挖方，不会形成较大的临空面，施工速度快且比较安全，在不良路基段且临近建筑物的挡墙地基加固处理中，对临近建筑物的影响小，能确保建筑物的使用安全，避免房屋拆迁，节约工程造价。 （3）应用ABAQUS 有限元进行公路挡墙基础微型钢管桩加固稳定性分析，计算边坡稳定性系数为1.343>1.300，满足相关规范要求。（4）通过某山区公路挡墙地基采用微型钢管桩加固处理的工程实例，实践证明在不良路基段且临近建筑物的挡墙地基采用微型钢管桩加固处理（地基承载力≥350 kPa）是可行的，且安全可靠、工期短，工后效果良好（总沉降量≤200 mm）。