湿陷性黄土地区高填方路基微型钢管桩加固技术分析

徐志彪 （杨凌职业技术学院，陕西 咸阳 712100）

1 引言

伴随着西部大开发战略的深入实施和经济的突飞猛进，西部地区工程建设日新月异，陕西黄土地区高等级公路交通网建设迅速发展，高填方路基工程也越来越常见，且多为湿陷性黄土填方路基[1]。湿陷性黄土地区高等级公路的高填方路基发生边坡失稳的主要原因是在运营过程产生的湿陷变形，以及行车荷载作用下的压缩变形，造成的不均匀下沉，严重影响行车安全。

在公路工程中，高填方路堤由于工程造价、环境影响、材料及施工等优势，在很多场地可以替代架设桥梁修建公路，在公路施工规范中，黄土地区的高填方路堤一般是指路堤边坡高度超过20m的路堤填方工程。但由于黄土地区结构疏松多孔，一旦浸水或者增湿时强度会骤降，结构将发生大幅度的变形，即为黄土的湿陷性。高填方黄土地区在荷载、车辆荷载及雨水作用下，路堤可能会产生不均匀沉降、纵横向裂缝、整体滑动，甚至边坡滑塌等各种病害，给国家和人民造成极大的经济损失[2]。因此，既有高等级公路高填方路基出现病害之后的加固技术是目前公路路基研究的重点方向。

在高填方路基进行加固时，常采用抗滑桩、挡土墙或进行边坡锚固等方法。但由于边坡滑移多具有突发性和灾难性特点，常规处治措施加固周期长、工艺复杂、费用高而难以适应应急抢修。针对以上问题，微型钢管桩加固技术具有施工周期较短，施工机具简单，不影响周边环境，加固效果好等优点。基于以上优点，近年来，微型钢管桩在现有工程的基础加固、建筑物纠偏、防震等，施工场地狭小的工程和基坑、边坡加固方面得到了广泛应用[3]。

目前对于微型管桩加固地基技术研究主要注重于理论研究方面，且主要针对于沿海软土地区，对于微型钢管桩加固黄土地区高填方路基应用效果的研究较少，尚未涉及黄土地区公路高填方路基的加固效果评价。本文针对已经发生病害的某湿陷性黄土地区高等级公路高填方路基进行加固原理及受力特性开展分析，采用微型钢管桩进行路基加固，并对加固后的路堤进行试验，确定微型钢管桩最佳布设模式。通过计算分析桩—土应力分布，综合评价微型钢管桩加固效果，为湿陷性黄土地区高填方路基加固处理提供参考。

2 项目背景

实际公路路基加固工程中，常采用微型抗滑钢管压力注浆技术与微型桩进行边坡处理加固。这种施工工艺是先布置微型钢管桩，然后采用压力注浆对钢管周围的滑坡岩土体进行注浆加固，从而形成桩、固化土复合结构，提高坡体的整体性。注浆微型抗滑钢管桩在高填方路基加固工程中应用广泛，微型钢管桩属于小直径抗滑桩，其加固原理和传统大直径桩有较大差异，因此，本文通过试验和计算对于其加固原理和受力特性进行分析。

本文以某黄土地区陡坡路基为研究对象，该边坡里程为K42+600～K42+750，边坡长约150m，坡高平均为20.5m，边坡坡度1:0.3，厚度约15m；下部为强风化薄层状泥灰岩，厚度约5.5m。边坡大部分近直立，局部为台阶状，出露地层以黄土为主。

由于外部连续降雨影响，道路右侧出现局部滑塌。为了研究该地区微型钢管桩的单桩对高填方黄土路堤加固作用，在现场进行微型钢管桩加固试验研究。试桩试验区采用了钻孔桩、管桩、微型注浆钢管桩进行地基加固处理，本文主要对微型注浆钢管桩的加固后桩—土应力关系及加固原理进行探讨分析。

3 加固方案

针对试桩试验区采用的微型注浆钢管桩钻孔直径为320mm，钢管直径为300mm，壁厚8mm，桩长11m。在施工现场施工15根注浆微型钢管桩，钢管采用钢花管桩群成梅花形布置，桩间距0.5 m。浆液采用水泥砂浆，砂子与水泥比例为1：1，水灰比为0.75，并在各桩身不同位置安装应变片进行试验分析，安装完成后，在坡顶开始分级加载。用单循环连续加载法进行试验加载，每级荷载为预估极限承载力1/10。研究桩、土间的不均匀侧向位移及对桩土荷载分担作用的影响机理。

4 桩土应力分析

采用微型抗滑钢管桩进行边坡处理加固时，钢管桩所受土压力为被动土压力。从试验过程发现在抗滑桩的作用下，桩间土体受外力后桩间土会产生不均匀位移或变形，当土体的应力超过抗剪强度时，土体可能会产生剪切滑移，进而引起滑坡。在使用微型钢管桩加固后，土体相对位移大大减小，桩间不同位置土体位移出现明显差异，而这种不均匀位移会造成的桩—土应力复杂化。桩后土体最大主应力和桩成垂直方向，桩体承受了大部分的滑坡推力，由桩侧表面到桩间土中心，土体最大主应力逐渐减小，桩承受的滑坡推力逐渐增大。而本次试验可以明显看出，靠近桩的部分土体位移小，远离桩部分土体位移较大，其位移等值线类似于拱形。

由图1所示，选取深度为2m处土体进行应力分析，在滑坡推力作用下，微型钢管桩承受应力要大大高于土体应力，滑坡推力主要由桩体承受。在微型钢管桩加固后，桩间土体从桩侧到桩中心最大主应力逐渐减小，形成了非常明显的土拱，也就是滑坡推力由土体向桩体转移。在桩的中轴线上土拱比较明显，所受应力最大。桩后1d（d为钢管直径）剖面上应力有所减小，桩后2d处应力分布接近水平，说明土拱效应基本衰减至零。

图1 不同剖面上的应力分布

5 不同深度应力分析

为了进一步分析微型钢管桩对边坡加固深度影响，对桩间土不同深度处的侧向应力进行分析。如图2所示，分别对土体深度为1.5m、3.5m、4.5m的x＝2d剖面上的侧向应力进行分析，由图2可知，在浅层范围内桩体受到的侧向应力明显大于桩间土。但随着土体深度增加，桩—土不均匀位移会逐渐减弱，土拱效应也越来越不明显，而微型钢管桩的桩体所受荷载也在逐渐降低，推力荷载由桩体向桩间土转移。因此，可以看出桩间土拱效应主要是由于在微型钢管桩约束作用下，土体颗粒相互挤压嵌紧形成的。使用微型钢管桩加固后，一方面可以在浅层土体范围内起到较好的荷载分担作用；另一方面对桩间土体位移起到了约束限制作用，从而使桩间土体承载能力得到提高。在实际工程加固过程中，可将微型钢管桩桩顶与路面结构进行注浆粘结，这样有利于桩体荷载分配，对边坡土体的约束限制会大大提高，增强了边坡的稳定性。

图2 在不同深度范围内x方向应力分布

6 桩位分析

抗滑桩的布设位置有坡顶、坡面和坡脚效果不一，施工难度差别也较大，为了确定微型钢管桩最佳的布设位置，进一步分析不同桩位的受力效果。试验发现，在分级加载超过最大承载力后在加固前，从坡顶直至坡脚位置会出现连续的滑裂面，当在滑裂面附近进行微型钢管桩加固后，加固位置选取在填方边坡距离坡顶1m，仅布置一排，加固后在抗滑桩以下出现边坡滑裂面，桩体以上部分的路基表现良好，未出现破坏。因此，可以看出微型钢管桩加固后上部土体位移减小，加固效果很好。通过观测，使用微型钢管桩加固之后，路基受力均匀，在破坏位置没有出现应力集中现象，在桩体下侧滑裂面土体应力也大幅下降。加固后，边坡安全系数也有了较大提高。

分别在距离坡顶1m和2m的位置坡面布设两排抗滑桩后，虽然出现滑裂面范围增大的情况，但是滑裂面破坏程度减小，特别是在采用这种布设模式之后，整个填方路基应力分布更加合理，整体稳定性增强，边坡安全系数比仅布置一排抗滑桩提高了20%左右。

最后在距离坡顶1m、2m和3m的位置布置三排桩，虽然此次路基剪应力分布更加合理，滑裂面破坏程度进一步减小，但是滑裂面较大，边坡安全系数仅比双桩提高5%左右，在综合考虑经济性、安全性以及施工便捷性，采用双排梅花形布置的高填方黄土路堤边坡路堤加固方式效果较好。

7 结语

微型钢管桩施工比较简单，操作方便，能有效防止高填方路基滑坡，对高填方路基加固又比较适用和经济。在注浆加固后路基受力良好，结构稳定，未出现开裂及滑坡的现象。对比其他加固的方法，该方法可控性强，安全稳定性高。

在黄土地区高填方路基加固微型抗滑桩主要是通过形成桩—土复合型挡土墙，利用桩体承担滑坡荷载、约束桩间土位移及注浆固化土体等方面，对高填方黄土路基进行加固补强。在受到滑坡推力后，桩间土将相对于桩体发生位移，在微型抗滑桩钢管桩的约束阻力以及土体自身粘聚力和内摩擦力共同作用下，不同部位桩间土所受应力会产生差异，从而导致土体的不均匀位移。由于土体的不均匀位移会使土颗粒间相互挤压，嵌填密实，也就是“土拱效应”，这种效应提高了黄土的密实性，增强了黄土地区的抗湿陷性，对于黄土路堤的加固作用非常明显，能大大提高黄土路堤的抗剪切滑移能力，而且在浅层范围内微型抗滑桩钢管桩能承担大部分滑坡荷载。进一步分析采用双排梅花形布置的微型钢管桩受力合理，加固效果较好，是最佳布设方式。因此，微型抗滑桩钢管桩对控制边坡稳定性效果非常明显，可以为高填方的黄土路基加固工艺提供很好的参考。