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        基于不均勻系數(shù)法的邊坡加固微型樁設(shè)計

        2016-08-23 10:19:10董崇澤
        現(xiàn)代礦業(yè) 2016年12期
        關(guān)鍵詞:工程施工設(shè)計

        董崇澤

        (山西能源學(xué)院)

        基于不均勻系數(shù)法的邊坡加固微型樁設(shè)計

        董崇澤

        (山西能源學(xué)院)

        通過分析某邊坡工程地質(zhì)條件,提出微型樁+重力式擋土墻的支護(hù)加固變更方案。采用不均勻系數(shù)法設(shè)計微型樁,充分利用微型樁的豎向及水平承載能力加固平臺地基,有效解決邊坡的失穩(wěn)問題,為類似邊坡加固工程提供了參考。

        邊坡加固 不均勻系數(shù)法 微型樁 豎向承載力

        微型樁是一種小直徑樁,一般直徑或邊長小于300 mm,樁長小于30 m[1],早期主要用于地基加固,隨著應(yīng)用的廣泛和技術(shù)的成熟,近年來其在邊坡加固和滑坡防治工程中,特別在滑坡?lián)岆U應(yīng)急中應(yīng)用越來越多。微型樁施工機(jī)具小,適用于狹窄的施工作業(yè)區(qū);土質(zhì)邊坡適用性強(qiáng);施工擾動??;施工速度快,用于搶險工程具有高效、快速的特點;且樁位布置靈活,可以布置在坡面、平臺或坡腳。由于其豎向承載力較高的特點,在邊坡治理工程中還可以起到地基加固的作用。

        雖然微型樁在邊坡治理工程中的應(yīng)用越來越廣泛,但是由于微型樁與其周圍巖土體之間的作用機(jī)理較復(fù)雜,至今還沒有形成比較統(tǒng)一的設(shè)計計算方法,在一定程度上制約了微型樁的推廣應(yīng)用[2]。早在 1978 年,意大利人F·Lizzi采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)樹根樁的設(shè)計方法治理邊坡,但微型樁的設(shè)計計算在相當(dāng)?shù)某潭壬先砸越?jīng)驗與直觀判斷為主,沒有形成完整的體系。此后許多專家學(xué)者對微型樁的設(shè)計計算進(jìn)行了研究,并提出了一些設(shè)計方法。目前國外的微型樁設(shè)計計算方法主要有等效截面法、極限平衡法、“P-y”曲線法及軟件法等,國內(nèi)應(yīng)用較多的主要有等效抗彎剛度法、彈性地基梁法及不均勻系數(shù)法。其中不均勻系數(shù)法是一種基于微型樁大型物理模型試驗的簡化計算方法,即在巖質(zhì)滑坡中,鋼筋的主要作用是抗剪;而在土質(zhì)滑坡中,鋼筋在樁身開裂之前主要作用是抗彎剪,各排樁的滑坡推力可以使用不均勻分配系數(shù)進(jìn)行調(diào)整,并且根據(jù)樁的抗剪或抗彎強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計計算[3]。

        某邊坡位于黃土梁狀丘陵區(qū),區(qū)內(nèi)地表多為厚層黃土覆蓋,黃土地貌發(fā)育,溝壑縱橫,塬梁連綿,溝谷切割深度大。隨著人類工程活動加劇,居民房屋沿坡頂修建,大量建筑垃圾、生活垃圾沿坡面傾倒,城市生活污水長期沖刷坡體,加劇邊坡失穩(wěn),嚴(yán)重威脅著周邊區(qū)域人民生命財產(chǎn)安全。為此,在加固邊坡過程中采用不均勻系數(shù)法設(shè)計計算微型樁以保證工程效果。

        1 工程概況

        該邊坡原設(shè)計采用回填反壓+格構(gòu)護(hù)坡的方法進(jìn)行治理(圖1),自下而上共設(shè)計9級邊坡,設(shè)計單級坡高8 m,坡率為1∶1.25,由于施工后期地形地貌發(fā)生較大變化,施工到第八級平臺時,已不具備回填條件,嚴(yán)重影響工程進(jìn)度,故建設(shè)方提出對第九級邊坡進(jìn)行變更設(shè)計。該邊坡寬約73 m,平均高7.5 m,坡度為65°~70°。

        根據(jù)巖土工程勘察報告提供的地質(zhì)資料,邊坡巖性從上至下為填土、粉土,其主要特征如下:

        (1)填土分雜填土和素填土,雜填土由早期和近期的建筑垃圾土和不斷堆積的生活垃圾土組成,該層填土厚1~8.5 m,一般為灰黃色或灰褐色,稍濕—中濕,松散—稍密,固結(jié)性差,極易發(fā)生沉陷變形。素填土一部分為早期城市建設(shè)產(chǎn)生的棄土,堆填時間一般超過10 a,呈褐黃色,主要成分為粉土、粉質(zhì)黏土,偶爾有建筑垃圾或生活垃圾,稍濕,稍密,欠固結(jié),該層填土厚1.7~9.5 m,為壓實填土,密實度較好,較濕;另一部分為前期工程治理壓實回填土,經(jīng)現(xiàn)場檢測壓實度平均約96.2%,基本達(dá)到原設(shè)計要求。

        (2)粉土為黃褐色,稍濕,稍密,該層未穿透,鉆孔揭露深度內(nèi)最大厚度為7.6 m。工程地質(zhì)剖面圖見圖2。

        圖1 治理工程平面(單位:mm)

        圖2 工程地質(zhì)剖面

        2 變更方案設(shè)計

        根據(jù)勘查結(jié)果,采用傳遞系數(shù)法對現(xiàn)有填方邊坡進(jìn)行了整體穩(wěn)定性驗算,發(fā)現(xiàn)邊坡在天然狀態(tài)下,其穩(wěn)定系數(shù)為1.323,處于穩(wěn)定狀態(tài),在飽水狀態(tài)下,其穩(wěn)定系數(shù)為1.003,處于欠穩(wěn)定狀態(tài),需要進(jìn)行工程治理。從各塊段的穩(wěn)定系數(shù)來看,第九級平臺以上穩(wěn)定系數(shù)在0.340~0.358,塊段以下滑力為主,平臺以下穩(wěn)定系數(shù)在0.752~1.003,塊段以抗滑力為主,因此,在第九級平臺上布設(shè)支擋工程是可行的。

        2.1 變更設(shè)計考慮的主要因素

        (1)該邊坡的治理必須是永久性的,采用的方案應(yīng)具有較高的承載能力和控制變形能力。

        (2)邊坡坡頂現(xiàn)有建筑物及道路需要保留,基本不具備放坡條件。

        (3)治理坡段以雜填土為主,厚度較大,固結(jié)性差,地基承載力低,簡單的換填難以處理。

        (4)邊坡目前整體較穩(wěn)定,若增加支擋工程應(yīng)確保邊坡整體穩(wěn)定性。

        (5)平臺平均寬約4.5 m,大型機(jī)械施工難度大。

        2.2 主要設(shè)計思路

        根據(jù)邊坡實際情況及設(shè)計考慮因素,提出在平臺處采用微型樁+重力式擋土墻的方案支護(hù)該坡段。該方案充分利用了微型樁的豎向承載能力,加固平臺地基;同時利用水平承載能力對第九級邊坡起到抗滑移的作用,確保邊坡的整體穩(wěn)定性。在加固后的平臺地基上,設(shè)置重力式擋土墻,用于抵抗置換回填后的碎石土壓力,采用鋼筋混凝土擴(kuò)展基礎(chǔ),并與微型樁連接形成樁基礎(chǔ),最終形成微型樁和重力式擋土墻一體化支擋結(jié)構(gòu)。工程布置示意見圖3。

        圖3 工程布置示意

        3 微型樁設(shè)計

        3.1 鋼筋平均面積計算

        采用傳遞系數(shù)法計算設(shè)樁位置處的推力[4],當(dāng)安全系數(shù)取1.1時,設(shè)樁處的推力為666 kN/m,設(shè)樁位置以下剩余抗滑力為0。樁間距取0.8 m,根據(jù)平臺寬度設(shè)置3排樁,梅花形布置。鋼筋選用HRB400,抗拉強(qiáng)度設(shè)計值fs=360 N/mm2。該工程屬永久工程,取安全系數(shù)Ks=1.8。

        計算每根樁所應(yīng)配置的鋼筋平均截面面積:

        (1)

        式中,As為鋼筋平均截面面積,mm2;Ks為安全系數(shù);Tn為推力,kN/m;a為樁間距,m;n為樁的排數(shù);fs為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計值,N/mm2。

        計算得出應(yīng)配置的鋼筋平均截面面積為888 mm2。

        3.2 調(diào)整后的鋼筋面積計算

        查取黃土滑坡中群樁推力的不均勻分配系數(shù)(表1),求出調(diào)整后的鋼筋面積Asi和配筋量。

        表1 黃土滑坡中群樁推力的不均勻系數(shù)分配表[5]

        每排樁調(diào)整后的鋼筋面積為[5]

        (2)

        式中,Asi為調(diào)整后的鋼筋面積,mm2;As為鋼筋平均截面面積,mm2;η為不均勻系數(shù)。

        經(jīng)計算各排樁調(diào)整后的截面面積分別為第一排樁1 243.2 mm2,配3根φ25 mm鋼筋;第二排樁888 mm2,配3根φ20 mm鋼筋;第三排樁444 mm2,配3根φ14 mm鋼筋。

        3.3 計算樁長

        微型樁位于滑面以上的部分為受荷段,其長度等于設(shè)樁處的滑體厚度;其位于滑面以下部分為嵌固段,嵌固段應(yīng)有一定的長度,確保微型樁與土體之間的黏結(jié)以及鋼筋與混凝土之間的黏結(jié),按下式計算:

        (3)

        式中,K為安全系數(shù),屬危害較大,取2.0;D為樁徑,200 mm;qt為水泥結(jié)石體與巖土孔壁間的黏結(jié)強(qiáng)度設(shè)計值,取0.15 MPa;其他符號意義同前。

        由式(3)計算得出Lq=6.79 m,受荷段為10.18 m,微型樁長17 m,采用3根鋼筋綁扎成鋼筋束通長配筋。為保證每根樁受力更均勻,樁頂采用鋼筋混凝土板進(jìn)行連接(作用與連系梁相同),同時連接后的樁與板視為樁基礎(chǔ),可作為上部擋土墻基礎(chǔ)。

        3.4 參數(shù)設(shè)計

        在實際的計算中,樁間距和排數(shù)并非一次計算就能確定,因為當(dāng)微型樁長度過大時,樁身與巖土體的黏結(jié)力會隨著滑面距離的增加而急劇衰減,距離滑面較遠(yuǎn)的樁身無法充分發(fā)揮作用,這時則可通過調(diào)整樁間距和排數(shù)來達(dá)到調(diào)整滑體中樁長的目的。樁間距建議可按樁徑的3~10倍進(jìn)行調(diào)整(視巖土條件而定),樁的排數(shù)以3~5排為宜。

        4 微型樁施工

        微型樁施工步驟:測量放線微型樁定位→鉆機(jī)就位干作業(yè)鉆孔→清洗鉆孔→鋼筋籠制作→安裝下放鋼筋籠→下放導(dǎo)管→灌注混凝土→拔出導(dǎo)管。

        本次微型樁樁孔采用螺旋鉆機(jī)干作業(yè)成孔,成孔后采用夯錘夯實孔底,清孔處理。成孔完畢,放入鋼筋籠,采用孔底反漿法注漿,要求混凝土必須具備良好的和易性,配合比通過試驗確定,坍落度應(yīng)為180~220 mm;水泥用量不應(yīng)小于360 kg/m3;混凝土含砂量宜為40%~50%,并宜選用粗砂;粗骨料的最大粒徑應(yīng)小于40 mm。注漿完畢,拔出導(dǎo)管。

        5 結(jié) 論

        邊坡治理規(guī)模不大、施工作業(yè)區(qū)狹窄且需要進(jìn)行支擋工程時,可考慮采用微型樁支擋。在松軟地層治理邊坡,可充分利用微型樁的豎向及水平承載能力,除了抗滑性能外,其地基加固的優(yōu)點也很顯著。微型樁的設(shè)計是一個優(yōu)化調(diào)整過程,應(yīng)充分考慮樁間距、樁長、排數(shù)及樁徑的大小,使用不均勻系數(shù)法能夠取得最優(yōu)設(shè)計值。

        [1] 劉 續(xù).注漿微型樁加固邊坡計算方法探討[J].工程建設(shè)與設(shè)計,2015(1):69-71.

        [2] 龔國華,覃京音,黃 非.關(guān)于抗滑樁與巖土體相互作用研究的機(jī)理探討[J].礦產(chǎn)與地質(zhì),2012,26(3):260-264.

        [3] 門玉明,韓冬冬,楊 覓,等.關(guān)于滑坡防治微型樁設(shè)計中幾個問題的探討[G]∥范立民.陜西環(huán)境地質(zhì)研究—2014年陜西省地質(zhì)災(zāi)防治學(xué)術(shù)研討會論文集.北京:中國地質(zhì)出版社,2014:90-93.

        [4] 重慶市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會.GB 50330—2013 建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2013.

        [5] 閆金凱,門玉明.基于模型試驗的滑坡防治微型樁設(shè)計方法[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2012,20(3):355-361.

        2016-10-25)

        董崇澤(1968—),男,高級工程師,030600 山西省晉中市榆次區(qū)大學(xué)街63號。

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