黃勇軍， 周利金， 潘世強(qiáng)， 譚 鑫， 馮龍健

(1.湖南建工交通建設(shè)有限公司, 湖南 長沙 410005； 2.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司, 湖南 長沙 410015; 3.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長沙 410082)

0 引言

微型樁是一種采用鉆孔、配筋和壓力注漿施工,樁徑不超過30 cm的灌注樁[1]。早期用于加固地基，近二十年開始用于邊坡治理。在邊坡工程特別是滑坡?lián)岆U工程中，微型樁施工速度快、靈活輕便，且與傳統(tǒng)抗滑樁相比對坡體擾動很小，施工后樁體與巖土體共同受力，有利于調(diào)動巖土體自身抗滑能力。國外有較多微型樁用于加固滑坡、路堤以及基坑等成功案例[2-14]。丁光文[15]將微型樁復(fù)合結(jié)構(gòu)成功用于鷹廈鐵路路塹邊坡病害治理工程。鄒越強(qiáng)、謝曉華、何小宏、高永濤等[16-19]也在不同文獻(xiàn)中分析了微型樁在邊坡加固方面的應(yīng)用。

用微型樁處理邊坡時，一般以群樁出現(xiàn)，由于微型樁群-土相互作用機(jī)理復(fù)雜，所以暫未見合理的計算方法。微型樁群加固邊坡設(shè)計計算方面的相關(guān)研究較少且不成熟[20]。與傳統(tǒng)抗滑樁相比，目前微型樁在滑坡處治工程中尚未大量推廣使用。為此，本文以湖南醴陵路塹邊坡為依托，對不同樁位微型樁群加固滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，系統(tǒng)研究微型樁群的組合與布置，并對樁體受力及支護(hù)效果進(jìn)行計算分析，可指導(dǎo)類似微型樁分級治理滑坡。

1 工程地質(zhì)狀況

工程位于湖南醴陵，坡高63.4 m。邊坡設(shè)計采用分級放坡開挖，最大挖方高度處共分8級放坡，級高8～12 m，平臺寬度2.4～6.4 m。場地為丘陵地貌，山體主要由石炭系的構(gòu)造角礫巖、石英砂巖、砂巖、頁巖、炭質(zhì)頁巖等巖質(zhì)組成。該段邊坡地層總體特征如下：6～8級坡面分布含砂礫粉質(zhì)黏土2～3 m，碎石、角礫約2 m；其余各級已無覆蓋層，地表為全風(fēng)化構(gòu)造角礫巖，厚9～10 m，其下以中風(fēng)化頁巖為主，厚4～6 m，再往下為全～強(qiáng)中風(fēng)化構(gòu)造角礫巖，厚10～12 m，具體地質(zhì)情況見圖1。

2018年4月～5月，K1104+700～K1104+800段右側(cè)5～6級坡面及平臺出現(xiàn)沉降拉裂裂縫，縫寬5～8 cm，落差4～15 cm。6月～7月,對邊坡深層位移進(jìn)行了深層測斜。測斜監(jiān)測結(jié)果揭示CX1#位置4.5 m深、CX2#位置8.5 m深、CX3#位置11 m深范圍內(nèi)坡體產(chǎn)生明顯變形，如圖2所示。

結(jié)合邊坡的地質(zhì)資料及地表裂縫發(fā)展情況，推斷滑坡先由高處坡段逐漸向低處坡段發(fā)展；根據(jù)擠壓剪裂低處坡面的滑動順序，判斷該坡體總體屬于折線推移式滑坡體，滑面位于坡面下5～12 m不同巖性分界面處。目前，滑坡體處于極限平衡狀態(tài)，由于該地雨季降雨量豐富，導(dǎo)致滑體處于蠕滑階段，如不進(jìn)行及時加固處治，極有可能產(chǎn)生顯著滑動造成危害。

圖1 邊坡地質(zhì)剖面圖(單位： m)

圖2 測斜監(jiān)測成果

2 微型樁群加固邊坡數(shù)值模型

2.1 邊坡數(shù)值模型

由于工程地質(zhì)條件復(fù)雜，解析方法無法全面分析邊坡以及樁體的受力機(jī)理，因此結(jié)合實際地層建立數(shù)值模型，如圖3。

綜合邊坡數(shù)值模型巖體參數(shù)與該工程地質(zhì)勘察報告及目前邊坡極限平衡狀態(tài)反推滑帶參數(shù)，參數(shù)見表1。

2.2 微型樁數(shù)值模型

微型樁采用樁體結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬，樁單元與巖土體實體單元之間建立彈簧約束，模擬兩者之間的切向和法向受力機(jī)理。

圖3 坡體數(shù)值模型圖(單位： m)

本文擬采用直徑為0.15 m的微型樁，樁土界面剛度的參數(shù)參考Cai等[21]提出的計算方法選取，法向和切向的黏聚力與內(nèi)摩擦角則與表1中全風(fēng)化構(gòu)造角礫巖的參數(shù)取相同，接觸面的剛度及樁單元的參數(shù)見表2。

表1 土層力學(xué)參數(shù)土層重度γ/(kN·m-3)彈性模量E/MPa泊松比ν黏聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)粉質(zhì)粘土19200.33020碎石201000.3535全風(fēng)化構(gòu)造角礫巖22600.351520中風(fēng)化頁巖253000.32525基巖261 0000.254040滑動帶23500.351316坡體拉裂區(qū)19.5100.3515

表2 微型樁計算參數(shù)直徑d/mm重度γ/kN·m-3彈模E/GPa泊松比 ν法向剛度kn/GPa切向剛度ks/GPa15020280.210060

3 不同微型樁支護(hù)條件下邊坡穩(wěn)定性

由于邊坡模型滑動帶水平長度近100 m，故需采用多組微型群樁組合方式進(jìn)行支護(hù)，才能達(dá)到工程設(shè)計要求。本文擬在1#～5#平臺布樁，為對支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化研究，采取了5種不同工況進(jìn)行數(shù)值模擬分析。工況一:5個平臺，每個平臺布置2排樁；工況二：5個平臺，每個平臺布置3排樁；工況三：1#～3#平臺，每個平臺布置3排樁；工況四：2#～4#平臺，每個平臺布置3排樁；工況五：3#～5#平臺，每個平臺布置3排樁。微型樁滑面以下樁長按照滑面以上部分的0.5倍控制，所以5個平臺布置的微型樁樁長依次為10、13、17、18、20 m。

數(shù)值模型可采用剪切應(yīng)變云圖來觀察邊坡的失穩(wěn)破壞模式，不同微型樁布置工況下邊坡模型的破壞模式如圖4所示。為明確失穩(wěn)模式，坡體模型中剪切應(yīng)變較小區(qū)域均為不顯示，僅顯示剪切應(yīng)變劇烈發(fā)展的區(qū)域。根據(jù)地勘及監(jiān)測分析結(jié)果，本工程邊坡在未進(jìn)行微型群樁加固之前已經(jīng)逐漸產(chǎn)生了確定的滑裂帶并處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。因此，未支護(hù)邊坡產(chǎn)生的破壞形式如圖4a所示，塑性剪切帶貫穿整個坡體，且安全系數(shù)為1.0。

由圖4b～圖4f可以看出，通過設(shè)置微型群樁使邊坡破壞模式發(fā)生了變化，安全系數(shù)均得到不同程度提升。在強(qiáng)度按安全系數(shù)折減后，各支護(hù)工況剪切破壞帶均從中部和上部臺階的坡腳處滑出。未支護(hù)邊坡情況下產(chǎn)生的貫通塑性剪切帶，在微型樁支護(hù)后某些工況下由于樁體的遮攔作用未貫通整個坡體，上部不穩(wěn)定坡體重量借由樁體傳遞至基巖，從而減小了來自滑動體上部的下滑推力，使得坡體相對穩(wěn)定。支護(hù)后邊坡的變形模式由整體剪切破壞轉(zhuǎn)化為中、上部局部剪切破壞，因此邊坡的安全系數(shù)得到提高。

a) 未支護(hù)

b) 工況一

c) 工況二

d) 工況三

e) 工況四

f) 工況五

工況一每個臺階設(shè)置2排微型樁，安全系數(shù)為1.23，低于路塹邊坡的安全系數(shù)要求。因為微型樁是剛度較小的柔性樁，需要3排以上的樁群組合達(dá)到一定剛度才能起到加固穩(wěn)定效果。工況二每個臺階增加1排微型樁后，安全系數(shù)達(dá)到1.31，能夠滿足該路塹邊坡安全系數(shù)要求，但從其坡體上部失穩(wěn)而下部穩(wěn)定的破壞模式來看，下部坡體支護(hù)措施略強(qiáng)；可以在滿足安全系數(shù)要求下，通過優(yōu)化微型樁樁位設(shè)置來減少一定樁數(shù)，降低工程造價。

因為工況三、四和五均采用單臺階3排樁，分別設(shè)置于下部、中部和上部臺階處。由圖4d～4f可知微型樁布置在邊坡中部(工況四)安全系數(shù)最大，布置在邊坡上部(工況五)安全系數(shù)次之，布置在邊坡下部(工況三)安全系數(shù)最小，故微型樁布置在邊坡的中上部時加固效果最優(yōu)。

邊坡經(jīng)微型樁支護(hù)后產(chǎn)生的位移能在一定程度上反映出邊坡穩(wěn)定性，也就是說支護(hù)后邊坡產(chǎn)生的位移量越小，相對應(yīng)的邊坡安全系數(shù)越高。邊坡各支護(hù)形式的監(jiān)測點位移、微型樁的數(shù)量以及安全系數(shù)見表3。

從經(jīng)濟(jì)與安全方面考慮，工況四布樁形式所需樁的數(shù)量少，且支護(hù)后坡體位移量居中，能夠滿足規(guī)范安全系數(shù)要求，故本邊坡加固方案擬推薦工況四的微型樁布置形式。由此根據(jù)邊坡的破壞失穩(wěn)模式制定方案能夠更加經(jīng)濟(jì)有效地支護(hù)坡體，對于局部失穩(wěn)破壞的情況，應(yīng)在保證其整體穩(wěn)定性后加強(qiáng)局部支護(hù)。

表3 各工況邊坡監(jiān)測點位移大小支護(hù)形式監(jiān)測點位移量/mm012345微型樁數(shù)量安全系數(shù)無支護(hù)628410913815116201.00工況一131326334040101.23工況二131222293536151.31工況三13124663595591.16工況四22213242525391.25工況五30293138495291.23

圖5為工況四下微型樁的樁身內(nèi)力圖，其中id編號1～9依次為邊坡從底部往上布置的9排微型樁。由圖5可知，各微型樁剪力最大值均出現(xiàn)在滑帶附近；彎矩沿樁身呈S型分布，滑帶下部彎矩較其上部彎矩稍大，最大值位于滑帶下部2.5 m之內(nèi)，滑帶上、下位置處最大內(nèi)力的符號相反；樁身兩端內(nèi)力較小。圖6為工況四下各樁的水平位移云圖及變形圖，由圖6可知，微型樁在正常工作狀態(tài)下的最大位移位于樁頂，約為1 cm，可見微型樁發(fā)揮作用時對邊坡位移的約束良好。圖中位于同一平臺的3排樁彎曲變形程度相似，與內(nèi)力圖的分布形式一致。各排樁的變形程度隨平臺上升而逐漸增加，最大樁身內(nèi)力值亦隨之增加?？梢娫绞强拷缶?，微型樁內(nèi)力越大。這是由于4#平臺上樁承受滑帶以內(nèi)的坡體自重最大，3#平臺次之，由于其它平臺微型樁的抗力作用，2#平臺上的樁所承受的滑坡推力相對最小。

圖5 工況四支護(hù)后各微型樁的內(nèi)力圖

續(xù)圖5 工況四支護(hù)后各微型樁的內(nèi)力圖

圖6 工況四下各樁的水平位移云圖及變形圖(變形放大300倍，單位：m)

4 結(jié)論

應(yīng)用強(qiáng)度折減法原理，通過數(shù)值模型對工程邊坡采取微型樁加固形式的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究分析，得出以下結(jié)論：

1) 采用微型樁對邊坡工程進(jìn)行加固處理，能夠有效提高坡體穩(wěn)定性、限制坡體位移發(fā)展，支護(hù)后邊坡不會形成貫通的塑性滑移區(qū)。

2) 通過分析多種不同微型樁布樁形式的計算結(jié)果，可知采用多級組合布置的微型樁在支護(hù)邊坡工程中具有一定靈活性。在保障坡體整體穩(wěn)定性基礎(chǔ)上，可以通過優(yōu)化設(shè)置，有效加強(qiáng)局部危險區(qū)域的支護(hù)來提高安全系數(shù)，降低工程造價。

3) 通過對微型樁群各樁內(nèi)力分析發(fā)現(xiàn)，微型樁群內(nèi)力與單樁有著顯著不同，不同位置、不同排數(shù)的抗滑樁內(nèi)力，目前無法用統(tǒng)一的解析方法獲得，仍需要進(jìn)一步研究。