秦 龍,廖 俊,許源華

(貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽市 550081)

0 引言

隨著交通基建的快速發(fā)展和山區(qū)高速公路路網(wǎng)建設[1],以及成熟的施工技術,使注漿加固技術和微型鋼管樁在高速公路路基病害治理中的應用越來越廣泛。山區(qū)公路由于地形地質條件復雜,常常遇到較多的陡坡填方路基工程,如果由于長期降雨、路基路面排水不暢等原因,使路基填料遇水軟化,抗剪參數(shù)降低、壓縮模量減小,導致路基沉降、邊坡側向滑移等病害,嚴重影響高速公路通行。在填方較矮的斜坡路段,針對邊坡側向滑移,如采用強支擋方式處置,一方面工程造價高,另一方面施工工期長,影響公路通行,此種方式不經(jīng)濟不合理;如采用注漿加固,提高路基填料的抗剪參數(shù)和壓縮模量,能有效減小路基沉降和路基邊坡滑動,具有施工周期短,工程造價低的顯著特點[2-3]。

在部分工程案例中,僅采用注漿加固不能有效解決邊坡側向滑移問題,注漿后的邊坡仍有潛在滑動可能,可采用微型鋼管樁進行抗滑支擋,滿足路基邊坡穩(wěn)定性要求。文章結合工程案例,提出注漿和微型鋼管樁聯(lián)合加固在高速公路陡坡路基病害治理中的應用。

1 注漿及微型鋼管樁加固作用機理

1.1 注漿

注漿是用氣壓、液壓或電化學原理,把某些能固化的漿液注入天然和人為裂縫或孔隙,以改善各種介質的物理力學性質[4],包括提高土體的抗剪強度、壓縮性質、提高抗?jié)B性等,由于土體具有不均勻特點,在注漿加固時需先進行鉆孔,通過氣壓、液壓等方式將漿液灌入處理土層中[3-5]。

在注漿過程中,一方面漿液填充擠壓鉆孔周圍土體形成致密的圓柱土體,另一方面漿液對鉆孔周圍一定范圍內土體進行剪切和破壞,產(chǎn)生塑性變形的區(qū),形成劈裂縫,漿液沿著裂縫擴散固結形成漿脈,從而在加固土體中形成有一定強度的網(wǎng)狀骨架結構。這些圓柱土體與周圍土體相互作用形成復合式地基,從而提高土體的抗剪參數(shù)、壓縮模量、抗?jié)B性等物理力學性質。

1.2 微型鋼管樁

微型鋼管樁一般是指樁徑小于400mm,長細比大于30,采用鉆孔、強配筋和壓力注漿施工工藝的灌注樁[6-7]。

1.2.1抗剪作用

微型鋼管樁穿過軟弱滑裂面以下一定深度進入穩(wěn)定地層,利用鋼管和鋼筋的抗剪能力抵擋滑體的下滑力或邊坡土壓力,可提高邊坡整體穩(wěn)定性,其作用原理相當于懸臂式抗滑樁。

微型鋼管樁所能承受的剪力R(kN)為:

(1)

式中:τ1為漿體抗剪強度設計值,單位kPa;τ2為鋼管抗剪強度設計值,單位kPa;d為微型鋼管樁直徑,單位m;d1為鋼管外徑,單位m;d2為鋼管內徑,單位m。

1.2.2抗彎作用

微型鋼管樁中植入一定量的鋼筋,其具有一定的抗彎性能。由于鋼管對管內水泥砂漿和鋼筋的變形起約束作用,使得鋼管樁在受力時的抗彎強度較一般鋼管混凝土結構要高,從而可提高鋼管樁的抗彎能力,可用于抵擋滑坡的下滑力或土壓力。

微型鋼管樁的抗彎能力M(kN·m)為:

(2)

式中:E1為漿體彈性模量,單位kPa;E2為鋼管彈性模量,單位kPa;d為微型鋼管樁直徑,單位m;d1為鋼管外徑,單位m;d2為鋼管內徑,單位m;[δ]為允許最大變形,單位m。

通過實例數(shù)據(jù)計算分析,微型鋼管樁的抗彎能力遠大于其抗剪能力,因此在分析微型鋼管樁加固機理時,可用微型鋼管樁的抗剪強度作為控制條件。

2 工程實例

2.1 概況

由于連日來暴雨集中,貴新公路都勻至新寨段YK220+980～YK221+080段中央分隔帶排水溝水排水不暢,地表水下滲,涵洞開裂,涵洞水下滲至路基,路基基底和坡腳為棄渣,如圖1、圖2所示,眾多不利的因素組合造成路基下沉開裂,發(fā)生失穩(wěn)破壞,嚴重影響高速公路通行,對社會經(jīng)濟發(fā)展影響較大。路基坡腳7～40m處有一成品油輸油管道,為了防止路基失穩(wěn)對輸油管道造成影響,需要立即開展應急搶險和永久措施加固處理。

圖1 路基邊坡全貌圖

圖2 路基邊坡開裂圖

設計思路:

(1)阻止地表水流入路基,需加寬加長道路左側排水溝,排水溝砂漿抹面。

(2)對變形開裂的路基進行注漿處理。

(3)距坡腳7～40m外分布有西南成品油管道,為防止路基整體失穩(wěn)影響管道安全,坡腳采用微型鋼管樁進行支擋。

2.2 工程地質條件

場區(qū)地處貴州高原南部山區(qū)向廣西丘陵過渡的斜坡地帶,地面坡度13°～26°,屬構造侵蝕-剝蝕中低山地貌。

場區(qū)位于揚子準地臺黔南臺陷貴定南北向構造變形區(qū),以擠壓型的南北向構造為主,發(fā)育少量北東向構造和近東西向的弧型構造。路基段處于獨山斷層之東盤。如圖3所示,受斷層影響,巖層產(chǎn)狀發(fā)生變化,總體傾向南東,巖層產(chǎn)狀綜合產(chǎn)狀125°∠20°;弱風化巖石節(jié)理裂隙少量發(fā)育,其節(jié)理裂隙產(chǎn)狀:240°∠80°、140°∠82°。本段路基出露巖性主要為石炭系下統(tǒng)巖關組二段(C1y2)灰?guī)r局部夾薄層炭質頁巖。路基填料主要為灰?guī)r碎石夾粉質黏土,碎石粒徑2～10cm,碎石含量約60%～70%。

圖3 YK221+000工程地質橫斷面圖

2.3 邊坡穩(wěn)定性分析及下滑力計算

2.3.1邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)《公路路基設計規(guī)范》路堤邊坡地基穩(wěn)定性分析包括路堤自身穩(wěn)定性分析、路堤與地基整體穩(wěn)定分析和路堤沿軟弱層滑動穩(wěn)定性分析,其具體計算原理如下[8]。

路堤自身穩(wěn)定性、路堤和地基的整體穩(wěn)定性計算分析采用簡化Bishop法,滑面均為圓弧型,相應的穩(wěn)定系數(shù)(Fs)計算公式為:

(3)

(4)

式中:bi為第i個土條寬度,單位m;αi為第i個土條底滑面的傾角,單位(°);ci和φi為第i個土條滑弧所在土層的粘聚力和內摩擦角,單位kPa和(°);mαi為系數(shù);Wi為第i個土條重力,單位kN;Qi為第i個土條垂直方向外力,單位kN。巖土體參數(shù)見表1。

表1 巖土體參數(shù)表

2.3.2剩余下滑力計算

根據(jù)《公路路基設計規(guī)范》(JTG D30—2015),路堤沿斜坡地基滑動的穩(wěn)定性安全系數(shù)K=1.3,根據(jù)典型斷面YK221+000,計算得剩余下滑力N=185kN/m。

3 治理措施

(1)啟動施工安全方案,對行車道實行交通管制,暫時封閉外側行車道。

(2)對行車道裂縫及中央分隔帶裂縫立即采用砂漿封面,以防止雨水滲入裂縫而引起路基失穩(wěn)。

(3)綜合各防護方案并從優(yōu)選取,采用鋼花管注漿和鋼管樁聯(lián)合加固,增加路基整體強度和邊坡穩(wěn)定性。

3.1 注漿加固設計

鋼花管采用外徑Φ76mm,壁厚5mm的普通鋼管。鋼管前端加工成錐形,尾部焊接Φ8鋼筋加勁箍,管壁四周鉆眼直徑為8mm漏漿孔?；ü艹拭坊ㄐ筒贾?間距為2.0m。花管長度為路面至原地面以下150cm,注漿縱向長度為100m,橫向寬度為路基中心至右側18m。采用M20純水泥漿灌注,42.5普通硅酸鹽水泥,水灰比1:1,注漿壓力控制在0.5～2MPa。

3.2 微型鋼管樁設計

鋼管樁長H=9m,直徑d=130mm,鋼管外徑=108mm,鋼管內徑=103mm,漿體抗剪強度設計值為1.7MPa,鋼管的抗剪強度設計值為130MPa,漿體彈性模量E1為2.5×104MPa,鋼管彈性模量E2為2.06×105MPa。取樁頂最大位移量δ為10mm。計算得到鋼管樁抗剪承受能力為130.22kN。

根據(jù)計算結果,需在第一級平臺位置設置三排鋼管樁,樁徑130mm,樁長9m,樁間距為2m,呈梅花形布置,如圖4所示。

圖4 注漿與鋼管樁聯(lián)合加固橫斷面設計圖

4 結論

(1)根據(jù)設計計算及工程類比分析,注漿加固后路基填土的抗剪強度得到一定提高,可以增加填土路基的穩(wěn)定性,但仍不能滿足路基穩(wěn)定性安全系數(shù)要求。

(2)經(jīng)過注漿加固后的路基填土和滑動面的抗剪強度得到提高,根據(jù)工程類比得到提高后的抗剪參數(shù),計算得出的剩余下滑力為322kN/m,可采用微型鋼管樁進行支擋。

(3)經(jīng)過注漿與鋼管樁聯(lián)合加固的斜坡填土路基穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.40,滿足規(guī)范要求的安全系數(shù),在保證安全的條件下,設計方案更合理、更經(jīng)濟。

(4)采用注漿與鋼管樁聯(lián)合加固治理方案,可以有效縮短施工周期,減少施工對高速公路通行的影響,促進社會經(jīng)濟的發(fā)展。