謝紅建，萬力

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴州貴陽550002)

微型樁在臨時(shí)邊坡支護(hù)中的應(yīng)用

謝紅建，萬力

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴州貴陽550002)

微型樁作為一種新型的支擋結(jié)構(gòu)，施工快捷且經(jīng)濟(jì)合理，常用于邊坡支擋中。該文運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性地基梁理論，并以貴陽市環(huán)城路某段邊坡工程為案例，討論了不同形式的微型樁在計(jì)算時(shí)的受力方式和運(yùn)用條件，得出微型樁的位移和內(nèi)力。考慮樁土相互作用的原則，工程最終采用了雙排鋼管樁進(jìn)行支擋，為邊坡阻滑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了合理的依據(jù)，并得出一些有益的結(jié)論。

巖質(zhì)邊坡；微型樁；平面剛架；Winkler地基假定；穩(wěn)定性

在公路和房屋建設(shè)過程中有關(guān)邊坡加固的方法有多種，其中微型樁因其施工快捷方便且經(jīng)濟(jì)合理，已成為一種新型的邊坡加固的支擋方法。筆者通過文獻(xiàn)調(diào)研并參與某邊坡的微型樁設(shè)計(jì)，研究雙排微型樁的受力特點(diǎn)，建立考慮樁間土的簡化計(jì)算模型，以期提高微型樁的設(shè)計(jì)水平，并總結(jié)一些經(jīng)驗(yàn)供同行參考。

1 工程概況

工程位于貴陽市環(huán)城路K8+590～K9+010段路面右側(cè)邊坡，其中K8+800處有一長鏈25.244m，邊坡的實(shí)際長度為445.244m。由于路線走向和巖層走向基本平行，開挖后形成了人工順層巖質(zhì)邊坡。邊坡總體的設(shè)計(jì)方案是清方+錨固，即考慮削方后，在坡面采用預(yù)應(yīng)力錨索支擋，坡腳采用抗滑樁和預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)合的方式，樁間設(shè)置樁間墻。坡頂合適位置設(shè)置截水溝，坡面設(shè)置排水孔，原則是要將坡頂?shù)乇硭?、坡體的入滲水及時(shí)可靠排走。

在K8+800位置，從坡腳至坡頂距離約63.1m，坡體有軟弱夾層分布，在坡頂有一輸電鐵塔，為一級邊坡。由于在冬季施工中，預(yù)應(yīng)力錨索錨固段強(qiáng)度上升很慢，故抗滑樁的作用僅為懸臂樁。在開挖抗滑樁以下路基時(shí)，為保證輸電鐵塔的安全，同時(shí)為滿足冬季施工、工期、造價(jià)，在坡頂先進(jìn)行臨時(shí)支擋，以后再進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索張拉，臨時(shí)措施采用微型鋼管樁（見圖1）。本文僅考慮鋼管樁的設(shè)計(jì)。

2 邊坡體工程地質(zhì)條件概況

本文僅介紹K8+800剖面的工程地質(zhì)條件。

原邊坡的地形中部陡峭，上部和下部較平緩，清方沿著層面進(jìn)行，清方后的坡面角度為30°。

2.2 地層巖性

根據(jù)勘探結(jié)果，清方后邊坡下伏三疊系改茶組(Tgc)薄至中厚層白云巖，局部夾泥巖。

中風(fēng)化白云巖：灰白色，紫紅色，中～厚層狀，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙較發(fā)育，節(jié)理裂隙局部被鐵質(zhì)浸染，鈣質(zhì)膠結(jié)，屬較硬巖。巖體較完整，結(jié)構(gòu)面結(jié)合一般。根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》GB50330-2002附錄A邊坡巖體類型為III類。

中風(fēng)化泥巖：薄層狀，泥質(zhì)膠結(jié)，巖芯破碎，巖質(zhì)軟，鉆探巖芯呈碎屑狀、沙狀、碎塊狀、圓餅狀，巖體不完整，結(jié)合很差，巖體類型為Ⅳ類?，F(xiàn)場主要分布在坡面下6m的位置。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

2.1.1 鎂基復(fù)鹽的選擇與比例的確定 用EDTA滴定Mg-EBT時(shí)，Ba-EBT絡(luò)合物在Mg-EDTA存在時(shí)可發(fā)生置換反應(yīng)轉(zhuǎn)化為Ba-EDTA和Mg-EBT。鎂基復(fù)鹽Mg-EDTA絡(luò)合物的存在有利于實(shí)現(xiàn)EDTA滴定SO24-，使滴定終點(diǎn)更加清晰。這或可由于Mg-EDTA本身做為一種絡(luò)合復(fù)鹽，其較高的穩(wěn)定常數(shù)（K=108.69）更易發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)而使不穩(wěn)定的Ba-EBT（K=102.0） 轉(zhuǎn) 化 為 Ba-EDTA（K=107.76） 和 Mg-EBT（K=107.0）等更為穩(wěn)定的絡(luò)合物，從而實(shí)現(xiàn)快速定量滴定。這一結(jié)論也從側(cè)面驗(yàn)證了Mg-EDTA絡(luò)合物在反應(yīng)體系中存在的必要性和優(yōu)越性。

巖層走向?yàn)?35°，傾向?yàn)?45°，傾角30°，巖層走向與邊坡走向交角小于30°為順向邊坡。邊坡發(fā)育兩組裂隙：第①組N15°W／NE∠67°（構(gòu)成后緣裂縫，豎向切割邊坡）、第②組

N55°E／NW∠75°（側(cè)向切割邊坡）。

圖1 K8+800標(biāo)準(zhǔn)剖面圖

2.4 水文地質(zhì)條件

經(jīng)現(xiàn)場水文調(diào)查，地下水主要為節(jié)理裂隙水，受大氣降雨補(bǔ)給。穩(wěn)定地下水位低于開挖的路基以下，對支護(hù)設(shè)計(jì)沒有影響。根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，地下水對混凝土結(jié)構(gòu)物有硫酸鹽、鎂離子和總礦化度等微腐蝕性；對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋有氯鹽微腐蝕性，按《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50046－2008第3.1.9條“微腐蝕環(huán)境可按正常環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，可不作抗腐蝕性設(shè)計(jì)”。

3 鋼管樁計(jì)算分析

一般計(jì)算微型樁內(nèi)力時(shí)有兩種分析方法:一種是簡化的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析法，包括地基系數(shù)法;另一種是考慮樁-樁周共同作用的數(shù)值計(jì)算方法，其中有限元法較為常見。由于數(shù)值分析方法需要采用界面單元考慮樁與巖石之間的摩擦作用，進(jìn)而反應(yīng)微型樁的樁身摩阻力分布和傳遞，由于目前對鋼管樁與巖石相互作用需要通過室內(nèi)試驗(yàn)(離心模型試驗(yàn))及現(xiàn)場試驗(yàn)來確定受力模型和參數(shù)，試驗(yàn)的費(fèi)用較高，且采用界面單元來模擬樁與樁周的收斂特征也是一大難點(diǎn)，故微型樁的數(shù)值模擬方面的文獻(xiàn)較少。本文將采用基于結(jié)構(gòu)力學(xué)的分析方法。

高壓輸電鐵塔位于坡頂，底面尺寸為4m×4m。鋼管樁為雙排排樁，間排距為1m，方向平行于第一組裂隙的走向，共計(jì)16排，后排樁距離鐵塔約4m的位置。鋼管樁沿路線長16m。鋼管樁采用直徑146mm、厚度為8mm的鋼管，微型樁的頂部在縱橫向采用槽鋼焊接，鋼管樁的鉆孔直徑為180mm，并用C30細(xì)石混凝土在有壓下充填微型樁及澆筑承臺(tái)，見圖2。

圖2 坡頂鋼管樁位置

3.1 鋼管樁推力的計(jì)算

其推力計(jì)算同抗滑樁的滑坡推力，為偏于安全，不考慮樁前提供的被動(dòng)土壓力。同時(shí)由于鐵塔位于坡頂，且施工期為冬季，雨水少，排水措施和地面固化能消除雨水的影響，故按常規(guī)工況考慮。其推力分別按側(cè)向巖石壓力及沿泥巖層面下滑的剩余下滑力進(jìn)行計(jì)算，并取計(jì)算的最大值，即按《建筑邊坡工程規(guī)范》GB50330-2002條款6.3.4第3項(xiàng)和條款5.2.4，取邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.35進(jìn)行反算所得。計(jì)算所得每延米的鋼管水平推力設(shè)計(jì)值65.2 kN。

3.2 鋼管樁內(nèi)力計(jì)算

微型鋼管樁的計(jì)算可分為以下幾種計(jì)算模型（圖3），模型A為單樁或橫向連接剛度較小情況下的懸臂梁模型，通常地基的剛度遠(yuǎn)大于微型樁的剛度，邊界條件可假定在滑面位置0處嵌固；模型B為橫向連接剛度較大情況下的剛架模型，邊界條件仍假定在滑面位置0處嵌固，但是它不能反應(yīng)樁間巖體的有利作用；模型C參考《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》JGJ120-2012雙排樁的剛架模型，以水平剛度系數(shù)考慮樁土之間的相互作用，在樁的底部同樣設(shè)置彈簧來模擬巖體對樁的豎向作用，偏于安全，不考慮樁前巖體作用；模型D同模型C，只是考慮了樁前巖體作用。模型C和模型D本質(zhì)上為彈性地基梁，由于自由度較多，采用結(jié)構(gòu)軟件進(jìn)行計(jì)算。

圖3 微型鋼管樁計(jì)算模型

（1）按照模型A[1]，不考慮樁前抗力，將樁簡化為承受均布荷載的懸臂梁，假定樁承受的滑坡推力為T（kN/m），則上圖的q=T*b/H，對于本邊坡，其H值最大為6.0m，間距b為1.0m，視滑床O點(diǎn)為固定段，則按結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)得出在q作用下樁頂?shù)乃轿灰茷椋?/p>

δ=q*H4/8/E/I<[δ]，如果[δ]過大，表明樁已經(jīng)發(fā)生破壞。故可得qmax=8 x E x I x[δ]/H4，取C30的混凝土彈性模量為3.0x104N/mm2，I為3.14xD4/64=3.14x1804/64＝51503850，[δ]取為10mm，H＝6000mm，則qmax=0.135N/mm=0.135kN/m，單根樁能承受的下滑力為0.74 kN。當(dāng)[δ]取為100mm，下滑力為7.5 kN，承受的剪力也為7.5kN。小于微型樁的水平推力設(shè)計(jì)值。

其抗剪能力計(jì)算如下，采用鋼結(jié)構(gòu)中的錨栓計(jì)算模式，取Q235鋼的抗剪設(shè)計(jì)強(qiáng)度為125 N/mm2，鋼管的面積取為3.14x146x8＝3667.5mm2，鋼管樁的抗剪強(qiáng)度為125x3667.5＝458437N，約為458 kN。

由模型A計(jì)算知，在微型樁處于懸臂狀態(tài)下，其抗彎能力

遠(yuǎn)小于其抗剪能力(除非滑面以上的巖體是穩(wěn)定的，相當(dāng)于在界面處純抗剪，否則鋼管樁的水平抗滑能力不大），僅能提供較小的抗滑能力。

（2）由于采用模型A的懸臂樁受力狀態(tài)不能滿足設(shè)計(jì)要求，故可采取模型B[1-2]來進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算中假定聯(lián)系梁與微型樁為剛接，樁前土體的抗力(被動(dòng)土壓力或者剩余下滑力)忽略不計(jì)，且按平面剛架考慮。由于微型樁位于巖石中，同抗滑樁的矩形分布模式一樣，微型樁的水平推力設(shè)計(jì)值按高度均勻分布。通過力學(xué)計(jì)算，其最大彎矩為99.7 kN.m，最大剪力為53.9 kN，均分布后排樁的滑動(dòng)面位置。其最大位移為0.626m，發(fā)生在樁頂位置。

由模型B計(jì)算知，由于微型樁的剛度小，在按平面剛架計(jì)算時(shí)，其頂部的位移過大，前排樁對后排樁的約束不大。其變形模式仍同懸臂樁。

（3）按照模型C，同時(shí)為了控制樁頂位移，在樁頂位置布置錨桿的方式來控制位移。同時(shí)樁土之間的相互作用采用水平彈簧模擬。

根據(jù)巖性及地層情況，白云巖的地基系數(shù)采用K= 320000kN/m3其彈性模量考慮到巖體結(jié)構(gòu)中裂隙的影響，取為巖石彈性模量的0.05～0.1倍，即取為1GPa，按《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》JGJ120-2012公式4.12.3，鋼管樁的排距為1.0m，樁直徑為0.146m，故樁間土的水平剛度系數(shù)為kc=1000000/(1-0.146)=1.17x106 kN/m3，考慮到規(guī)范公式適用于土質(zhì)，大于白云巖的地基系數(shù)采用K=320000 kN/m3，故樁間的水平剛度系數(shù)，在滑動(dòng)面以下取為320000kN/m3，在滑動(dòng)面以上100000 kN/m3（考慮一定的折減）。

另按《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》GB 50330—2002式7.2.5，計(jì)算樁頂錨桿所得的水平剛度為33.1MN/m（自由段長度為6.1m，錨桿采用兩根直徑28三級鋼，傾角為25°），考慮到錨桿的間距為2.0，取單位寬度內(nèi)的錨桿的水平剛度為16.55 MN/m；另外按GB 50330—2002條款7.2.6，由于錨桿無自由段，可以按剛性桿件計(jì)算，即取水平剛度系數(shù)很大進(jìn)行計(jì)算，本次計(jì)算中采用水平剛度為16.55 MN/m進(jìn)行計(jì)算。

對于圓形樁的計(jì)算寬度，規(guī)范上的公式為b0=0.9(1.5d+ 0.5)=0.615m，一些國內(nèi)文獻(xiàn)考慮到鋼管樁直徑較小，取計(jì)算寬度為3d＝0.45m，故取0.45m較0.615m更偏于安全。

通過桿系有限元軟件midas/civil進(jìn)行以上的模擬（圖4），最大水平位移1.7cm，發(fā)生在滑面以上約3m的位置。最大彎矩17.1kN.m，最大剪力為30 kN，均位于滑面以下0.8m的位置。最大軸力為21.5 kN(一拉一壓，前排樁受拉，后排樁受壓)，錨桿力為32.3 kN。按鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算微型樁的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，均能滿足要求。

圖4 計(jì)算結(jié)果(位移、彎距、剪力)

（4）按模型D，是考慮樁前的有利支撐，采用彈簧模擬（參數(shù)同模型C）。計(jì)算最大彎矩為0.1 kN.m，最大剪力為1.1kN。最大位移0.08mm?？梢姌肚霸趲r體完整的條件下，鋼管樁的受力很小。

該工程已經(jīng)完工通車運(yùn)行約半年，后期坡體已采用錨索支擋，坡頂未出現(xiàn)險(xiǎn)情。鋼管樁作為臨時(shí)支擋，在坡體錨索無法張拉的情況下，保障了鐵塔地基穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

通過以上分析，鋼管樁最終設(shè)計(jì)采用模型C，并得出以下結(jié)論。

（1）采用多排微型樁優(yōu)于單排樁，能增加水平剛度，前后排鋼管在拉彎和壓彎的受力狀態(tài)下提供抵抗力矩；另外增加頂部約束，有利于鋼管樁運(yùn)行下的變形和受力。如模型C比模型B受力性能好。

（2）對于平面剛架微型樁體系，剪力和彎矩的最大值均出現(xiàn)在滑面附近，可以進(jìn)行局部加強(qiáng)。

（3）鋼管樁的水平剛度較小，變形不容易控制，如果在樁前和樁間進(jìn)行一些補(bǔ)強(qiáng)，樁的受力性能將有較大提高。如模型D。

（4）鋼管樁由于抗剪能力較強(qiáng)，抗彎能力較弱，故適合高度不大的邊坡。

[1]孫書偉.順層高邊坡開挖松動(dòng)區(qū)研究及微型樁加固邊坡的內(nèi)力計(jì)算[D].鐵道科學(xué)研究院，2006.

[2]戶巧梅.微型樁加固邊坡的內(nèi)力計(jì)算[D].長安大學(xué)，2009.

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

Application of Micro-pile in Temporary Slope Support

As a new support structure,micro-pile is rapidly constructed and low cost,so it is often applied in slope support.Based on the structural mechanics and elastic subgrade theory and through a case study of a slope project on the ring road in Guiyang,the stress modes and application requirements of differently-shaped micro-piles under calculation are discussed to get the displacement and internal force of micro-pile.Giving the pile-soil interaction principle,double rows of steel pipe piles are adopted to support in this project,offering reasonable basis for landslide blocking design and some beneficial conclusions.

rock slope;micro-pile;planar steel frame;Winkler foundation assumption;stability

TU457

A

1671-9107（2013）06-0030-03

2013-05-09

謝紅建(1977-)，男，湖北襄陽人，碩士，工程

師，主要從事巖土工程勘察設(shè)計(jì)與巖土工程數(shù)值分析。萬力(1976-)，男，湖南澧縣人，本科，高級工程師，主要從事巖土工程勘察設(shè)計(jì)治理、工程地質(zhì)與水文地質(zhì)工作。

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.06.030